CN85107311A - 热传导管 - Google Patents

Abstract

在热传导管的内壁表面上，至少有一排沿传导管的螺旋曲线以规则的间距排列的凸块。这排凸块是使热传导管产生部分塑性变形而构成的。通过把具有凸块的轧滚圆盘，靠压在热传导管的外表面上的方法产生塑性变形。凸块具有光滑的弯曲表面。凸块的高度在0.45mm至0.6mm范围内，凸块沿螺旋曲线的节距在3.5mm至5mm范围内，凸块在轴向上的节距在5mm至9mm范围内。

Description

本发明介绍一种用在热交换器中的热传导管，例如空调或致冷机之类的热交换器的热传导管。更具体的说，本发明是关于适用于单相流的，管内带有成排凸块的热传导管的传热表面结构方面的发明。

用于热交换器的热传导管，例如空调或致冷机之类的热交换器中的热传导管，是已知的技术。在现有的热传导管中，一种具有凸块的热传导管，是在初始沟槽上带有排列管壁内面中的柱销构成的，然后借助于附助机加工再成形第二沟槽，这样构成的热传导管已为公众所知，并在美国专利中公开发表，美国专利号为3，734，140，此外，还有一种具有不进行任何机加工的内表面结构的光滑热传导管。

如果将这种带有凸块的热传导管用作单相流的热传导管，那么，为驱使流体流动，则需要较大的动力，这是因为凸块的外形轮廓不是园弧形的，而是锐角边棱，因此，绕过该棱角的流体流就产生分散涡流。关于这个问题，将在下面详细叙述，并且在热传导管的出口和入口之间，流体有了压力损失。此外，在相对于与流体流线相垂直的凸块表面的这些部位上，流体将产生滞流现象，并且，流体的动能形成了碰撞压力。因此，在很长的时间里，这些部位都会产生磨损。磨损致使凸块的高度和外形轮廓改变，从而使凸块的原始最佳值变化了，因之不能保持初始的传热性能。此外，在采用轧滚柱销的方法时，还需要加工初始和二次沟槽，这样导致机加工工序增加，由此提高了成本。对热传导效果影响最大的凸块尺寸大小不明显，也是个麻烦的问题。虽然采用系统实验的方法对合理的凸块高度值、园周节距值和轴向节距值进行研究，但是，作为影响热传导性能参数的这些数值，并不是很清楚。

因此，本发明的一个目的是解决在现有技术中使用的上述热传导管的内壁结构问题，并且，提供带有凸块的热传导管的热交换表面结构，该凸块具有定量的最佳外形轮廓，从而提供最高的传热性能。

为达到这个目的，本发明提供了热交换表面结构，该表面具有足够的热传导性能，并且，该表面是通过在热传导管内表面上形成一排凸块的方法实现。凸块的高度在0.45mm到0.6mm范围内，园周节距在3.5mm到5mm范围内，轴向节距在5mm到9mm范围内。凸块采用将外周缘上有一排凸块的轧滚园盘进行加压的方法形成。

本发明的上述目的以及其他目的、特征和优点，可以通过下述的发明最佳实施例中清楚的看出。

附图说明：

图1a是按照本发明的热传导管结构立体图以及热传导管的制造方法;

图1b是按照本发明的热传导管结构部分剖视图;

图2是用图线表示图1b中所示热传导管上凸块高度和热传导管的导热性能之间的关系;

图3是用图线表示在图1b的热传导管上，沿凸块的螺旋曲线的节距和热传导管的传热性能之间的关系;

图4a和4b表示本发明的热传导管导热机理;

图5是用图线表示图1b所示的热传导管上，凸块的轴向节距和传热性能之间的关系;

图6a和6b显示了每个凸块的下游流区域内的流体特征;

图7表示本发明的另一实施例;

图8是用图线表示图7中所示热传导管上的凸块节距和传热性能之间的关系;

图9表示本发明传热管的另一实施例。

下面结合附图，详细介绍本发明的最佳实施例。

现参照图1a和1b解释本发明的一个实施例。

在热传导管1的内壁上，安置了一排螺旋形凸块3，它们是利用外周缘上带有齿的轧滚园盘2，紧紧压住热传导管的外表面上面成形的。用这种方法而在热传导管1的内壁表面10形成的各个凸块3都具有光滑的曲线表面，这个曲面是由于施加在管外壁上的外力使管壁材料产生塑性变形而构成的。凸块3底部的轮廓形状，以及凸块3上任意高度的横截面形状都是园形、椭园形或不对称的椭园曲线形，沿凸块3的高度上的横截面面积是逐渐减小的。

沿凸块3的螺旋曲线方向的节距Z，是由安装在轧滚园盘2上的齿4的园周间距来决定的，凸块3的高度e可以采取控制轧滚园盘2的压入量的方法来改变。通过改变轧滚园盘2的角度，也能够使螺旋线导角和轴线方向的节距P改变。节距P也可以通过设置多个轧滚园盘和改变它们之间的间距而改变。

由于本发明的热传导管上的凸块具有光滑的表面，所以，当流体流与凸块碰撞时，流体流不会急剧的转向，而是沿着凸块流动，因此，由于流体的粘度而加于管壁表面的剪切应力就比较小了，于是，因剪切应力而造成的腐蚀作用也就减少了。此外，由于每个凸块的下游流处产生的分散涡流量少，所以由于流体动力引起的腐蚀作用也非常小了。

下面将说明根据本发明的，带有这样一排凸块的热传导管的传热性能。在对热传导管的性能有影响的参数中间，值得注意的是凸块的高度，凸块沿螺旋曲线的节距和凸块沿轴线方向的节距，在进行实验以后，这些参数对性能产生的效果已经很清楚了。用于实验的热传导管的内径是在14.7mm到15.8mm之间。

进行实验的凸块有关参数为：轴向节距P固定为7mm;沿凸块螺旋曲线的节距Z为4.5mm，高度e是变化的，它分别为0.45mm，0.5mm和0.6mm，实验中测定热交换系数和压力损失数值。实验结果是以雷诺数Re、热交换器的无穷大尺寸系数Nu/Pr^0.4以及通道的阻力系数f为基础而整理的（Re＝u·d/v，这里u是在热传导管内的流体平均速度，以m/s表示;d为热传导管内径，以mm表示;v为动力粘动系数，用m²/s表示，无穷大尺寸系数Nu/Pr^0.4＝αd/λ/pr^0.4，这里α为热交换系数，用W/m²·K来表示;λ为流体的导热系数，用w/m²·K来表示，Pr为流体的普兰特尔系数。

实验所获得的结果，根据下面的公式进行计算数值。这个公式在R.L    Webb和E.R.G    ECKert所著的文献中已指出来了，文献的题目是“粗糙表面在热交换器设计中的应用”，该文发表在1972年第15卷的国际杂志热交换器和质量交换器第1647至1658页上。此公式为：

(（St/Sto）)/(（f/fo）1/3)

（St＝Nu/Re/Pr）（注脚o表示光滑的热传导管）

对于光滑的热传导管来说，公式值为1。随着热传导管的性能的提高，公式的数值增加。当水的流动速率为2.5m/s，雷诺数为3×10⁴时，经计算整理后的结果，在图2中表示。雷诺数是通过采用这个热传导管相应的致冷机的热传导管物理性质计算得出的。

从图2中明显看出，当热传导管上的凸块高度为0.5mm时，热传导管的性能最好。而凸块的高度比0.5mm稍微多一点或少一点时，性能就下降了。可以认为，合适的凸块高度与邻近的管壁表面的流体边界层有关，虽然凸块的高度数值会随着热传导管的直径或与直径相类似的参数产生微小的变化，但是，凸块的最佳高度值基本上是个常数。在具有隆起线（e＝0.3mm，P＝4mm）的普通热传导管上进行实验，将所得到的数据通过计算而得出的热交换性能值为1.43，（图2中的D），假定发明的管子特性包括在上述数值范围之内，那么凸块的高度在0.45mm到0.6mm范围之内。

热交换器上，沿螺旋曲线的凸块节距Z对热传导性能影响的模型实验结果，将在下面阐述。在凸块的轴向节距P固定为7mm，高度固定为0.45mm，而沿凸块螺旋曲线方向的节距Z是可变的，规定为2.5mm，4mm和5mm的实验条件下进行实验。实验中测定热交换系数和热阻力系数。将实验结果按照公式st/sto/（f/fo）1/3进行整理，一般来说，这个公式反映了热传导性能。其结果在图3中表示。在Z＝4mm的条件下，其热传导性能值最高。图3中的符号D表示上述的、具有隆起线（e＝0.3mm，P＝4mm）的普通热传导管的热传导性能值。从图3中清楚地看到，本发明的热传导管的结构，发挥了有效的作用。与第一个实验情况相同，如果假定发明的特性包括在上述的D值以上的范围内，则适宜的沿螺旋曲线的节距范围在3.5mm至5mm之间。

当Z＝2.5mm时，凸块5与5之间的连接不存在有任何间隙C，如图4a中所示。因此，发生在凸块之间的垂直涡流7的尺寸，要比凸块之间存在有间隙C的情况下产生的垂直旋涡6的尺寸要小。（如图4b所示）。换句话说，如果两个凸块最大限度地趋近，则这两个凸块将构成一条隆起线3。所以，若使凸块之间的间隙C很小，它的热传导性能就接近于具有隆起线的普通热传导管的性能3。

在Z＝4mm的情况下，由于凸块间存在有间隙C，从而产生了在流体的流动方向上具有各自旋转轴线的垂直涡流6，如图4b所示。这种旋涡的产生增加了热传导效能。通过隆起线的流体流，在隆起线的背面分离，并且在隆起线下游流处与管壁再次接触，于是热量进行传递。在通常的情况下，流体流在隆起线的后面立即产生滞流现象，所以压力损失增加。但在本发明的热传导管上具有凸块的情况下，垂直涡流促进了热传导，即流体流的能量有效地被利用在促进热传导上。在这种情况下，模型实验中用的热传导管的间隙C取为1mm，沿凸块螺旋曲线方向的距离b为3mm。凸块之间的间隙太大时，并不能增加热传导的效能，因为它并不能产生对促进热传导起作用的垂直涡流。例如，当沿凸块螺旋线的节距Z为5mm时，其热传导性能要比Z为4mm时的低。也就是说，过大的间隙会使热传导系数C降低。

凸块的行列呈Z字形式锯齿形的排列能进一步增加垂直涡流的效果，因此也就提高了热传导效能。

在凸块高度为0.5mm，沿螺旋曲线的节距为4mm的条件下，对轴向节距的影响进行了实验。轴向节距P取为5mm，7mm和10mm三个值。实验所得数据根据热交换系数和阻力系数比值（st/sto）/（f/fo）1/3进行整理，与前次实验一样，实验结果表示在图5中。从图中清楚地看出，当节距是5mm和7mm时，热传导性能值相等，但是，当节距是10mm时，性能值变小了，比节距为5mm，7mm时的性能值小很多。此现象的原因可能是这样的。在凸块3处产生的涡流可有效地用于促进热传导，如果凸块3下游流上的凸块处于涡流扩散的范围以内，那么将保持高的传导性能，图6a即反映了这种情况。一般认为涡流扩散距离的范围约为凸块高度的十倍。当凸块高约为0.5mm时，图6a、6b中符号e标出的部分大约为5mm。因此，当轴向节距是5mm和7mm时，热传导性能仍保持在高数值。可是，当轴向节距是10mm时，节距P大于涡流扩散长度e，如图6b所示，这时，不能产生涡流的平坦部位占据了很大一部分位置，所以热传导性能降低。如上所述，如果认为发明的特性在于其值范围高于具有隆起线的普通热传导管的热传导性能D（见图5），并且在于实践中，在这个范围内的热传导管很容易制造出来，那么适宜的轴向节距范围应在5mm至9mm之间。

如图7中所示，有可能在热传导管内安置成排的凸块，而在管子外表面用切削刀具进行滚花和铲铇，构成一排锯齿状的翅片8，利用这些一排排的凸块和翅片作为集中热传导表面。

将带有滚轮和许多螺旋形的滚花刀脊的滚花刀具，安装在刀架上。使滚花刀和热传导管相接触，当热传导管用卡具固定时，使热传导管旋转。刀架沿热传导管移动，产生滚花加工，这样，在管表面上构成了连续的、螺旋形的、具有予定节距的浅沟槽。这种浅沟槽可以用切削刀具进行切削来代替滚花加工。

用滚花加工的方法在热传导管表面上加工出浅沟槽以后，在相对沟槽的横向上还要进行切削（例如在相对沟槽成45度角的方向）。许多切刀装在各自的刀架上，并与转动的热传导管表面接触，加工的方法与加工多线螺纹的方法相同。此时，管的表面不被切削掉，而是产生变形，即表面被铲铇。这种铲铇加工有可能使微小的深沟槽彼此相互靠近。

用这种方法形成的翅片是呈尖状的，翅片的前端有比沟槽浅的凹坑，凹坑的底部相对于管的表面有一倾斜度。凹坑的边缘是尖刃的，并且翅片具有锥形表面。

图7中所示的实施例是通过使氟里昂致冷剂蒸汽流到热传导管外边，和使冷却水流到管内的方法，将氟里昂致冷剂集中到液体里。在这种情况下，管内水的温度低于氟里昂致冷剂的温度。

图8表示热传导管的综合热传导系数计算实例，热传导管内有上述成排的凸块，管外面有集中热传导表面。通过考虑翅片部分的热传导系数为17，400w/m²K和凸块部分的热传导系数为5，800w/m²K以及考虑面积比，来进行计算管外面的集中热传导系数α。图5中表示的实验值用作管里边的热传导系数α₁，总的热传导系数K由管外面的集中传热系数α₀和管内的传热系数α₁计算得出。在管内形成热传导表面的情况下，采用轧滚园盘从管外面向管内对管表面进行压制，如果轴向节距很小，由轧滚园盘压轧加工产生的，在管外表面上压陷的面积9，相对于管外全部面积的比值将迅速增加。因此，管外面的集中传热性能迅速降低。因此，如果轴向节距P非常小时，尽管管内的传热性能很高，而在管外面的传热性能影响下，热传导管的总传热系数减少。从对上述现象的观察中发现到，凸块在轴向的节距存在有一个范围，在这个范围内，总的传热系数将保持在最佳值范围。从图8中可看出，此最佳值是在5mm到9mm范围内。

当一个热交换器上应用了多个集中热传导管时，安排在下部的管上有一层厚的聚集的液体膜11，这层膜起到热阻的作用，而且，热传导管的位置越低，膜的厚度越大，这是由于累积了上面的传导管的液体所致。然而，按照本发明，采用轧滚园盘压制的热传导管在管的外表面上形成有凹坑9，聚集的液体可以从锯齿形的传热表面流到凹坑9中，凹坑9起到储液槽的作用，同时，液体膜的厚度变薄了，从而提高了集中传热性能。

在阐述了目前认为该发明的最佳实施例的同时，应当了解，对发明可以进行各种各样的修改，应该认为附在后面的权利要求包括了这种修改，因为它们都将包括在本发明的技术核心内容范围之内。

Claims (2)

1、热传导管，特征是：

在传导管的内壁表面上，至少有一排沿热传导管的螺旋曲线，以规则的间距排例的凸块；

凸块具有由热传导管上产生部分塑性变形而形成的光滑曲线表面，塑性变形是通过把具有凸块的轧滚园盘靠压在热传导管的外表面上的方法而产生的，凸块的高度在0.45mm至0.6mm范围内，凸块沿螺旋曲线的节距在3.5mm至5mm范围内，凸块在轴向上的节距在5mm至9mm范围内。

2、按照权利要求1中所述的热传导管，其进一步的特征是，在热传导管的外表面上，形成许多小节距的、平行的微小沟槽，在沟槽之间，安置有许多微小翅片;以及在微小翅片上形成凹坑，凹坑的深度小于沟槽的深度;

每个翅片朝向前面的端部呈尖状。

Images