TW201333409A - 具有額外側翼構造的冷凝管 - Google Patents

Abstract

本發明是有關於一種金屬熱交換管，其具有一管軸、一管壁以及圍繞在該管外側面上的翼肋。該等翼肋具有一翼肋基部、翼肋側翼及一翼肋頂部，其中該翼肋基部大體上徑向從該管壁突出。該等翼肋側翼設有在側向上裝設在該翼肋側翼處的額外結構元件。大體上以軸向方向以及徑向方向延伸的第一材料突部鄰接大體上以管之軸向方向以及環周方向延伸的第二材料突部，其中該等第一與第二材料突部具有共同邊界線。依據本發明，該等第一材料突部沿著該邊界線的軸向延伸係比該等第二材料突部的軸向延伸還短。本發明的又一個方面是該等第一材料突部各自在一點處鄰接第二材料突部且該等第一材料突部的軸向延伸在此點處等於零。另外，本發明的又一個方面是該等第一材料突部與該等第二材料突部相間隔設置。

Description

具有額外側翼構造的冷凝管 發明領域

本發明是有關於一種如申請專利範圍第1、7及9項之各上位項次的金屬熱交換管，尤其是用於將蒸氣液化或冷凝在管外側面上。

發明背景

熱交換發生在許多工業程序中，例如在製冷技術及空調技術或在化學工程及能源工程中。在熱交換器中，來自一個介質的熱被轉移至另一個介質。該等介質通常是透過一個壁被分隔開來。該壁係充作熱交換面並用來分隔介質。

為了能夠在兩種介質間進行熱傳輸，該傳輸熱之介質的溫度必須高於接收熱之介質的溫度。這個溫度差被描述為驅動溫差(treibende Temperaturdifferenz)。驅動溫差越高，則每單位熱交換面可轉移的熱更高。另一方面，吾人努力將驅動溫差維持為低，因為這對於程序的效率來說是有利的。

已知透過構形熱交換面可增進熱交換。藉此每單位熱交換面可達到轉移比平滑上表面更多的熱。另外，更 可以降低驅動溫差並因此使程序更有效率。

熱交換的一種經常採用的實施態樣為管束熱交換器。在這個裝置中經常使用管，該等管在其內側面還有在其外側面上經構形。用於管束熱交換器的經構形熱交換管一般具有至少一個經構形區以及一個平滑末端，與平滑的中間段。該平滑末端或中間段界定出該經構形區。藉此該管可毫無問題地組配在該管束熱交換器中，容許該經構形區的外徑不大於該平滑末端與中間段的外徑。

為在冷凝於該管外側面上時提高熱交換，已知有不同的方法。在該管的外上表面上經常有翼肋。藉此，該管的上表面基本上增大且因此增強了冷凝。若該翼肋係由該平滑管的壁材料所形成，則就熱交換來說是尤其有利的，因為在翼肋與管壁之間存在最佳接觸。有翼肋的管，被稱為是一體軋製的肋管，其中該等翼肋借助於一個重鑄程序從一平滑管的壁材料被構形。

現時，用於液化在該管外側面的商業上可購得肋管具有一翼肋結構，該翼肋結構具有每英寸30至45個翼肋的翼肋密度。這對應於翼肋間隔為約0.85至0.55 mm。透過提高翼肋密度而更為增加效率係因為在管束熱交換器中所產生的氾濫效應(Inundationseffekt)而受到限制。在翼肋間距變得較小的情況下，該等翼肋的間隔因為毛細作用而被冷凝液所淹沒，且因為翼肋之間的通道較小而干擾冷凝液排出。

現有技藝水平係透過在翼肋頂部引入凹溝來進 一步加大該管之上表面。另外有透過凹溝的其他正向影響冷凝程序之結構，例如該翼肋頂部的凹溝在文件US 3,326,283以及US 4,660,630中係已知的。

更已知，在液化管中可達到效率增加，其中在固定的翼肋密度下於翼肋間的翼肋側翼範圍內安裝額外的結構元件。這樣的結構可透過齒狀工作而形成在該翼肋側翼處。所產生的材料突部突伸入相鄰翼肋的間隙中。此等結構的實施態樣可在文件DE 4404357 C2、CN 101004335 A、US 2007/0131396 A1以及US 2008/0196876 A1中找到。在此等文件中所述的材料突部以該管的軸向方向以及環周方向延伸。在US 2010/0288480 A1中提出，該材料突部是以透過一或多個凸曲面這樣的方式來形成。在文件CN 101004337 A以及US 2009/0260792 A2中顯示在該翼肋側翼處有額外的材料突部，其基本上是以軸向方向以及徑向方向延伸。該等材料突部以環周方向設置在材料突部的緣部且建構成大致與其垂直。因此，每一在徑向方向延伸的材料突部與一個在環周方向上延伸的材料突部具有一個共同的界線。沿著此界線，兩個材料突部的軸向延伸係相等的。藉此，在該翼肋側翼有袋樣結構，其個別透過三個材料突部以及翼肋側翼所界定。因為毛細力，冷凝液較佳地聚積在此袋樣結構中。藉此可干擾蒸氣進一步冷凝並降低管的效能。

發明概要

本發明之課題在於，製造一種效率相對於現行技 術水平增加的熱交換管，在相同管側熱交換與壓力降以及相同製造費用下供蒸氣冷凝在管外側面上。

本發明是透過申請專利範圍第1、7及9項之特徵來實施。其他申請專利範圍是有關於本發明的有利構形以及發展。

本發明包括一熱交換管，其具有一管軸、一管壁以及圍繞在該管外側面上的翼肋。該等翼肋具有一翼肋基部、翼肋側翼以及一翼肋頂部，其中該翼肋基部大體上徑向從該管壁突出。該等翼肋側翼設有額外的結構元件，其在側向上裝設在該翼肋側翼處。大體上以軸向方向以及徑向方向延伸的第一材料突部鄰接大體上以軸向方向以及環周方向延伸的第二材料突部，其中該等第一與第二材料突部具有共同邊界線。依據本發明，該等第一材料突部的軸向延伸沿著此邊界線係比該等第二材料突部的軸向延伸還短。

因此，本發明是有關於供使用在熱交換器中的經構形管，其中傳遞熱的介質液化或冷凝。作為冷凝液，通常使用管束熱交換器，其中純質或混合物的蒸氣凝結在管外側面上且因而加熱在管內側面流動的流體。

本發明是衍生自下列考量：於翼肋側翼處構形呈材料突部形式之額外結構元件的液化管可達到效率提升。此等材料突部是由上翼肋側翼的材料所形成，其中借助一個齒狀工具，該翼肋的材料同樣可舉起並移置一個薄片，而不適與該翼肋側翼分隔開來。該等材料突部與該等翼肋 連結固定。該等材料突部以翼肋側翼的軸向方向延伸至兩個翼肋間的空隙中。透過該等材料突部，該管的上表面增大。進一步說明該等避開翼肋側翼之材料突部的緣部為突緣，較佳在其上發生冷凝程序。

該齒輪樣工具的齒在其工作範圍內較佳具有一對稱四邊形。在齒邊緣的內角約大於90°，較佳介於95°及110°。基於齒的四邊形，材料移置是透過齒輪樣工具在管的徑向方向上以及在環周方向上來完成。因此，在一個工作步驟中，構形大體上以軸向方向以及徑向方向延伸的第一側向材料突部以及大體上以管的軸向方向以及環周方向延伸的第二側向材料突部。大體上本文意指與軸向方向或徑向方向或環周方向(包括在內)些微偏離。特別地，基於齒輪樣工具的幾何學，該等第一側向材料突部繞著直到偏離該徑向方向20°。特別地，該等第二材料突部更具有一個彎曲形。該等第二材料突部較佳係以管高度的一半來設置。管的高度係從管壁至翼肋側翼來測量且較佳介於0.5 mm至1.5 mm。

第一材料突部鄰接第二材料突部，其中在界線處包括一個約大於90°的角度。對應於該第一及第二材料突部的徑向延伸在翼肋側翼有袋樣結構，其係透過該等第一及第二側向材料突部來界定。基於毛細力，較佳地在此袋樣結構中聚集冷凝液，該等第一及第二側向材料突部必須以降低毛細力這樣的方式來構形。保留冷凝液的高毛細力發生在凹形結構處。凹緣被構形在該等第一側向材料突部鄰 接該等第二側向材料突部處。

依據本發明，該材料移置是透過齒輪樣工具在管的徑向方向上比在環周方向上更用力地沖壓。有利之處尤其在於，該等第一材料突部的軸向延伸沿著界線是比該等第二材料突部的軸向延伸還短。因此僅建構出較小的袋樣結構。因此，在該等材料突部間的袋樣結構中僅保留有極少量冷凝液。特別地，經構形的袋樣結構比在文件CN 101004337 A以及US 2009/0260792 A1中所述的結構較不用力地沖壓。因此，在依據本發明所構形的第一及第二材料突部中有更多未被占用的上表面可供冷凝使用且冷凝液可更快地流出翼肋間的通道。在一個依據本發明所構形的熱交換管中，在冷凝時亦增加熱交換並增進管的效能。

若該等第一材料突部始於該翼肋頂部並且往該等第二材料突部延伸將更有利。依據製造程序，該等第一材料突部可在徑向方向上延伸不超過至該等第二材料突部。因此，若該等第一材料突部之徑向延伸始於翼肋頂部，則其為最大值。該管的上表面以及該凸緣的長度更為增大，但是僅會構形成小的袋樣結構。

一個尤其有利的實施態樣為，若該等第一材料突部的最大軸向延伸是在該翼肋頂部的範圍內。藉其一方面該管的上表面透過該等第一材料突部而明顯地增大，另一方面僅構形只保留少量冷凝液的小袋樣結構。

尤其有利的是，若該等第一材料突部的軸向延伸事由該翼肋頂部往該等第二材料突部縮小。該等材料突部 亦在往管軸的方向變小。藉其一方面該管的上表面透過該等第一材料突部而明顯地增大，另一方面毛細力適當地作用，以使得在該袋樣結構中僅保留有少量冷凝液。

相對於其，該等第一材料突部的軸向延伸亦可在該翼肋頂部以及該等第二材料突部間具有又一個局部最大值。在該等第一材料突部一個這樣的構形中，可以有一個大的上表面以及一個長度大的凸緣；在該等第二材料突部範圍內的該等袋樣結構僅延伸超過一個小範圍。

較佳地，該等第一材料突部沿著該邊界線軸向延伸的最高處是該等第二材料突部之軸向延伸的一半大。藉此，該等袋樣結構在該翼肋側翼處僅少許沖壓。

本發明的又一個方面包括一種熱交換管，其中該等第一材料突部在管軸方向上以其仍在一點處鄰接該等第二材料突部的方式變窄。該等第一材料突部的軸向延伸在此邊界點處等於零。藉此，該等袋樣結構的大小進一步被減小。這可以聚積較少的冷凝液。

就此，該等第一材料突部可以有利的方式從翼肋頂部往該等第二材料突部延伸。所達致的上表面增大尤為被最大化，若該等第一材料突部是始於該翼肋頂部。

本發明的又一個方面包括一熱交換管，其中該等第一材料突部與該等第二材料突部相間隔設置。這可以在該等第一材料突部的徑向延伸從該翼肋頂部不接觸到該等第二材料突部而實施。該等第一材料突部不接觸該等第二材料突部。將冷凝液維持在該等袋樣結構中的毛細力在這 個情況下為最小。

在本發明的較佳構形中，該等第一材料突部可從該翼肋頂部以徑向方向延伸，且該等第一材料突部的徑向延伸比該等第二材料突部與翼肋頂部之徑向間距還小。所達致的上表面增大尤為被最大化，若該等第一材料突部是始於該翼肋頂部。

本發明的實施例將藉助於圖式來進一步說明。

其中顯示：

1‧‧‧熱交換管

2‧‧‧管壁

21‧‧‧管外側面

3‧‧‧翼肋

31‧‧‧翼肋基部

32‧‧‧翼肋側翼

33‧‧‧翼肋頂部

41‧‧‧第一材料突部

42‧‧‧第二材料突部

43‧‧‧界線

44‧‧‧邊界點

51‧‧‧袋樣結構

52‧‧‧凸緣

x₁‧‧‧第一材料突部的軸向延伸

x₂‧‧‧第二材料延伸的軸向延伸

x_m‧‧‧第一材料突部的最大軸向延伸

圖1為具有材料突部之本發明熱交換管的一翼肋段部的一透視局部視圖。

圖2為穿過具有本發明材料突部之實施態樣的一熱交換管的翼肋的斷面圖。

圖3為穿過具有材料突部之一較佳實施態樣的一熱交換管的翼肋的斷面圖。

圖4為穿過具有材料突部之一尤佳實施態樣的一熱交換管的翼肋的斷面圖。

圖5為穿過具有材料突部之又一尤佳實施態樣的一熱交換管的翼肋的斷面圖。

圖6為穿過具有僅在鄰接第一以及第二材料突部之點的一熱交換管的翼肋的斷面圖。

圖7為穿過具有彼此間隔之第一以及第二材料突部的一熱交換管的翼肋的斷面圖。

較佳實施例之詳細說明

其他對應部分係在所有圖式中以本身的參考編號來提供。

圖1顯示一熱交換管1之一翼肋段部的透視局部視圖，該熱交換管1具有依據本發明之材料突部41及42。從該管外側面21僅建構一部分圍繞、一體成形的翼肋3。該等翼肋3具有一設在該管壁2上的翼肋基部31、翼肋側翼32以及一翼肋頂部33。該等翼肋3從該管壁2徑向突出。該等翼肋側翼32設有額外的結構元件，其建構為材料突部41及42。所建構的材料突部分成兩群：大體上以管1之軸向方向以及徑向方向延伸的第一材料突部41。大體上以管之軸向方向以及環周方向延伸的第二材料突部42。在圖1中有五個第一材料突部41與三個第二材料突部42。第一材料突部41鄰接第二材料突部42，其中在界線43處包括一個大於90°的角度。透過該等材料突部41及42，該管1的上表面增大。更顯示該等材料突部41及42之避開該翼肋側翼的緣部以及凸緣52，在該處較佳發生冷凝程序。

如圖1至圖5中所示，該等第一材料突部41的軸向延伸x₁沿著該界線43依據本發明係比該等第二材料突部42的軸向延伸x₂還小。藉其在該等翼肋側翼32處僅產生較少沖壓的袋樣結構51。因此，在一個本發明的熱交換管1中，於該等袋樣結構51中難聚積冷凝液，冷凝液反而快速地排除了。該管1的上表面少許散布有冷凝膜，其顯示熱阻提 高。這有助於冷凝程序並提高管的效率。

圖2顯示呈斷面之本發明熱交換管1的一個有利實施態樣，其中該等第一材料突部41始於接近該等翼肋頂部33處並以該管1的徑向方向延伸至該等第二材料突部42。依據製造程序，該等第一材料突部41在徑向方向上可不延伸至該等第二材料突部42。因此，若該等第一材料突部41的徑向延伸始於該等翼肋側翼33，則其為最大。該管1的上表面以及該凸緣52的長度被大大地增加。如圖2中所示，該等第二材料突部42較佳地設置在該等翼肋3的一半高度。該等第一材料突部41的徑向延伸在圖2中所示情況下亦約略等於一半的翼肋高度。

圖3以斷面顯示本發明熱交換管1的一個尤其有利實施態樣。在該等翼肋頂部33範圍內為該等第一材料突部41的最大軸向延伸x_m。該等第一材料突部41自該等翼肋頂部33起至該等第二材料突部42的軸向延伸x₁較短。該等第一材料突部41亦在管軸方向上變窄。因此一方面該管1的上表面因為該等第一材料突部41而比圖2中所示情況更為增大，另一方面僅構形出小的袋樣結構51，其僅能保留少量的冷凝液。

在圖4中所示的本發明熱交換管1的實施態樣，該等第一材料突部41具有耳形。其等在作用方式上與圖3中所示實施態樣的該等第一材料突部41相當。該等第一材料突部41的最大軸向延伸x_m比圖3中所示實施態樣略為遠離該等翼肋頂部33。

圖5以斷面顯示本發明熱交換管4的又一有利實施態樣。該等第一材料突部41的軸向延伸x₁在該等翼肋頂部33以及該等第二材料突部42間具有又一個局部最大值。該等第一材料突部41的輪廓是以該等第一材料突部41從該等翼肋頂部33往該等第二材料突部42偏向變窄這樣的方式來選定。在此有利的構形中達到一個大的上表面以及尤其是該凸緣52的一個大的長度。該等袋樣結構51在該等第二材料突部42的範圍內僅延伸超過小範圍。

如圖1至圖5中所示，該等第一材料突部41沿著該邊界線43軸向延伸x₁的最高處是該等第二材料突部42軸向延伸x₂的一半大。藉其該等袋樣結構51在該翼肋側翼32處僅有少許沖壓。

本發明的又一方面包括一熱交換管1，其中該等第一材料突部41以管軸方向變窄，其僅在一點44處鄰接該等第二材料突部42，如圖6中所示。本發明的這個方面顯示圖1至5中所示介於第一材料突部41與第二材料部42間的界線43在一點44處減小的極限情況。該等第一材料突部41的軸向延伸x₁在此邊界點44處等於零。藉其該等袋樣結構51的大小進一步減少。這還可以聚積更少的冷凝液。另一方面，在此情況下達到的上表面增大比在圖1至5所示的情況還小。因此有利的是，該等第一材料突部41在圖6中所示的情況下始於該翼肋頂部33。

本發明的又一個方面包括一熱交換管1，其中該等第一材料突部41與該等第二材料突部42相間隔設置。一 個此本發明熱交換管1的一種有利實施態樣於圖7中以斷面顯示。該等第一材料突部41的徑向延伸從該等翼肋頂部33未接觸到該等第二材料突部42。該等第一材料突部41未在任何一點處接觸該等第二材料突部42。將冷凝液保留在該等袋樣結構51中的毛細力在這個情況下為最小。另一方面，在這個情況下僅有比圖1至6中所示情況還少的上表面增大。因此有利的是，該等第一材料突部41在圖7中所示的情況始於該翼肋頂部33。

所用供形成本發明材料突部41及42的浸沒程序，齒輪樣工具在翼肋側翼32之材料的環周方向不對稱擠出而發生作用。因此，兩個在環周方向上相鄰的第一材料突部41可具有不同形狀。

由此，本發明的解決方案含括下列：翼肋側翼之前述結構不僅是對蒸氣冷凝有利，在其他熱交換程序中還有增進效率的作用。特別地，在蒸發程序之流體蒸發可透過本發明結構而被增強。

1‧‧‧熱交換管

2‧‧‧管壁

21‧‧‧管外側面

3‧‧‧翼肋

31‧‧‧翼肋基部

32‧‧‧翼肋側翼

33‧‧‧翼肋頂部

41‧‧‧第一材料突部

42‧‧‧第二材料突部

43‧‧‧界線

51‧‧‧袋樣結構

52‧‧‧凸緣

Claims (10)

1. 一種金屬熱交換管，其具有一管壁以及圍繞在該管外側面上的翼肋，該等翼肋具有一翼肋基部、翼肋側翼及一翼肋頂部，其中該翼肋基部大體上徑向從該管壁突出，且該等翼肋側翼設有在側向上裝設在該翼肋側翼處的額外結構元件，其中大體上以軸向方向以及徑向方向延伸的第一材料突部鄰接大體上以管之軸向方向以及環周方向延伸的第二材料突部，其中該等第一與第二材料突部具有共同邊界線，其特徵在於，該等第一材料突部的軸向延伸沿著該邊界線係比該等第二材料突部的軸向延伸還短。
2. 如申請專利範圍第1項之金屬熱交換管，其特徵在於，該等第一材料突部從翼肋頂部往該等第二材料突部延伸。
3. 如申請專利範圍第2項之金屬熱交換管，其特徵在於，該等第一材料突部的最大軸向延伸係在該翼肋頂部的範圍內。
4. 如申請專利範圍第3項之金屬熱交換管，其特徵在於，該等第一材料突部的軸向延伸是由該翼肋頂部往該等第二材料突部縮小。
5. 如申請專利範圍第3項之金屬熱交換管，其特徵在於，該等第一材料突部的軸向延伸具有至少又一個介於翼肋頂部以及該等第二材料突部間的局部最大值。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之金屬熱交換管，其特徵在於，該等第一材料突部沿著該邊界線軸向延伸的最高處是該等第二材料突部之軸向延伸的一半大。
7. 一種金屬熱交換管，其具有一管壁以及圍繞在該管外側面上的翼肋，該等翼肋具有一翼肋基部、翼肋側翼及一翼肋頂部，其中該翼肋基部大體上徑向從該管壁突出，且該等翼肋側翼設有在側向上裝設在該翼肋側翼處的額外結構元件，其中建構有大體上以軸向方向以及徑向方向延伸的第一材料突部以及大體上以軸向方向以及環周方向延伸的第二材料突部，其特徵在於，該等第一材料突部各自在一點處鄰接第二材料突部且該等第一材料突部的軸向延伸在此點處等於零。
8. 如申請專利範圍第7項之金屬熱交換管，其特徵在於，該等第一材料突部從翼肋頂部往該等第二材料突部延伸。
9. 一種金屬熱交換管，其具有一管壁以及圍繞在該管外側面上的翼肋，該等翼肋具有一翼肋基部、翼肋側翼及一翼肋頂部，其中該翼肋基部大體上徑向從該管壁突出，且該等翼肋側翼設有在側向上裝設在該翼肋側翼處的額外結構元件，其中建構有大體上以軸向方向以及徑向方向延伸的第一材料突部以及大體上以軸向方向以及環周方向延伸的第二材料突部，其特徵在於，該等第一材料突部與該等第二材料突部相間隔設置。
10. 如申請專利範圍第9項之金屬熱交換管，其特徵在於，該等第一材料突部自該翼肋頂部起在徑向方向上延伸且該等第一材料突部之徑向延伸比該等第二材料突部與該翼肋頂部之徑向間距還小。