CN85107311B - 传热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传热管，在传热管的内壁表面上至少有一排沿螺旋曲线以规则间距排列的凸块，这排凸块是对热传导管进行部分塑性变形加工而制成的，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使管道产生塑性变形，从而在内壁形成凸快，在外表面相应位置形成凹坑。凸块具有光滑的弯曲表面。在外表面各排凹坑之间还有多道楔形的小肋片，小肋片上开有缺口。

Description

传热管

本发明涉及一种用在热交换器中的传热管，例如空调或致冷机之类的热交换器的传热管。更具体的说，涉及一种内壁有成排凸块、外表面有带小缺口的楔形肋片的单相流传热管。

用于热交换器的传热管，例如空调或致冷机之类的热交换器中的传热管，是已知的技术。在现有的热传导管中，有一种具有不进行任何机加工的内表面结构的光滑传热管;还有一种具有凸块的传热管，是用一伸入管内的辗轧头在管内壁上轧出初始沟槽，然后借助于附助机加工再成形第二沟槽，这样构成的传热管已由美国专利说明书3，734，140公开。

如果将这种带有凸块的传热管用作单相流的传热管，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圆弧形的，而是锐角边棱，因此，绕过该棱角的流体流就产生将在下面详细叙述的分离涡流，使在传热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，在长期使用后，这些部位会受到磨损。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。对传热效果影响最大的凸块最佳尺寸不明显，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、圆周节距值和轴向节距值进行研究，但是，作为影响传热性能参数的这些数值，并不是很清楚。

美国专利US-PS4，330，036也描述了一种传热管，这种管的外壁面上有多道互相平行排列的直立肋片，各肋片上有用圆盘辗轧而形成的缺口，而管内壁表面与上述缺口相对应的部位上，则因金属材料的挤压变形而形成向内的凸块，各凸块沿着螺旋线排列，彼此间隔基本均匀。上述这种结构的传热管，其内表面凸块形状不易控制，难以获得提高传热性能的最佳尺寸;其外表面则因肋片缺口处一部分变形金属向两侧延展，使肋片之间的沟槽受到一定程度的阻塞，不利于外壁面上冷凝液体的流动。

因此，本发明的一个目的是改进在现有技术中使用的上述传热管的内壁结构和外壁结构，该传热管的换热表面结构由管内壁上具有定量的最佳尺寸及外形轮廓的凸块和管外壁上的凹坑及肋片组成，从而提高该传热管的传热性能。

为达到这个目的，本发明提供了高效的传热性能的热交换表面结构，该表面结构包括：在传热管内壁上形成至少一排凸块，凸块的高度在0.45mm到0.6mm范围内，圆周节距在3.5mm到5mm范围内，轴向节距在5mm到9mm范围内;在传热管外壁上形成至少一排凹坑，其位置与上述凸块相对应;在各排凹坑之间的外壁面上，形成多道有尖锐外端部的肋片。

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地看出。

附图说明：

图1a是本发明传热管内壁凸块结构制造方法的示意透视图;

图1b是本发明传热管内表面凸块结构的部分剖视图;

图2是表示了图1b传热管上凸块高度和传热管的传热性能之间的关系;

图3是表示了图1b传热管上沿凸块的螺旋曲线的节距和传热管的传热性能之间的关系;

图4a和4b表示本发明的传热管内壁凸块结构传热机理;

图5是表示了图1b传热管上，凸块的轴向节距和传热性能之间的关系;

图6a和6b揭示了每个凸块下游流区域内的流体特征;

图7表示本发明的实施例;

图8是表示图7中传热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解释本发明传热管内壁凸块结构的性能和制造方法。

在传热管1的内壁上，有一排沿螺旋线排列的凸块3，它们是利用外周缘上带有齿的轧滚圆盘2，辗压传热管的外表面而成形的。用这种方法而在传热管1的内壁表面10形成的各个凸块3都具有光滑的曲面，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圆形、椭圆形或不对称的椭圆曲线形，沿凸块3的高度上的横截面面积是逐渐减小的。与内壁凸块位置相应的外表面形成了一排凹坑。

沿凸块3的螺旋曲线方向的节距Z，是由安装在轧滚圆盘2上的齿4的圆周间距来决定的，凸块3的高度e可以采取控制轧滚圆盘2的压入量的方法来改变。通过改变轧滚圆盘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圆盘和改变它们之间的间距而改变。

由于该传热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磨蚀作用也就减少了。此外，由于每个凸块的下游处产生的分离涡流量少，所以由于流体动力引起的磨蚀作用也非常小了。

下面将说明所述带有这样一排凸块的传热管的传热性能。在对传热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。用于实验的传热管的是在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，实验中测定换热系数和压力损失数值。实验结果是以雷诺数Re、热交换器的无量纲换热系数Nu/Pr^0.4以及通道的阻力系数f为基础而整理的（Re＝u·d/ν，这里u是在传热管内的流体平均速度，以m/s表示，d为传热管内径，以mm表示，ν为运动粘度系数，用m²/s表示;无量纲换热系数Nu/Pr^0.4＝αd/λ/Pr^0.4，这里α为换热系数，用W/m²·K来表示，λ为流体的导热系数，用W/m·K来表示，λ为流体的导热系数，用W/m·k来表示，Pr为流体的普朗特数）。

实验所获得的结果，根据下面的准则数算式进行计算数值。这个算式在R.LWebb和E.R.GECKert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卷的国际传热和传质杂志第1647至1658页上。此算式为：

$\frac{{\mathrm{(St/St}}_0)}{{\mathrm{(f/f}}_0{)}^{\frac{1}{3}}}$

（St＝Nu/Re/Pr）（注脚0表示光滑的传热管）

对于光滑的传热管来说，算式值为1。随着传热管的性能的提高，算式的数值增加。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。雷诺数是根据采用这种传热管的致冷机中相应的传热管物理性质计算得出的。

从图2中明显看出，当传热管上的凸块高度为0.5mm时，传热管的性能最好。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传热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）的普通传热管上进行实验，将所得到的数据通过计算而得出的换热性能值为1.43，（图2中的D），如果要使发明的管子特性高于上述数值，那么凸块的高度应在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对传热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。实验中测定换热系数和阻力系数。将实验结果按照算式

${\mathrm{(St/St}}_0{\mathrm{)/(f/f}}_0{)}^{\frac{1}{3}}$

进行整理，一般来说，这个算式反映了传热性能。其结果在图3中表示。在Z＝4mm的条件下，其传热性能值最高。图3中的符号D表示上述的、具有隆起线（e＝0.3mm，P＝4mm）的普通传热管的传热性能值。从图3中清楚地看到，本发明的传热管内壁凸块的结构，发挥了有效的作用。与第一个实验情况相同，如果要使发明的特性在上述的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5。所以，若使凸块之间的间隙C很小，它的传热性能就接近于具有隆起线的普通传热管的性能。

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传热效能。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的现象，所以压力损失增加。但在上述的传热管上具有凸块的情况下，垂直涡流促进了传热，即流体流的能量有效地被利用在促进传热上。在这种情况下，模型实验中用的传热管的间隙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，并不能增加传热的效能，因为它并不能产生对促进传热起作用的垂直涡流。例如，当沿凸块螺旋线的节距Z为5mm时，其传热性能要比Z为4mm时的低，也就是说，过大的间隙C会使传热系数降低。

凸块的行列呈Z字形或锯齿形的排列能进一步增加垂直涡流的效果，因此也就提高了传热效能。

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。实验所得数据根据换热系数和阻力系数比值（st/st〈`;;o`〉）/（f/f〈`;;o`〉）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，传热性能值相等，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传热，如果凸块3下游上的凸块处于涡流扩散的范围以内，那么将保持高的传热性能，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，传热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，所以传热性能降低。如上所述，如果要使本发明的性能高于具有隆起线的普通传热管的传热性能D（见图5），并且在实践中易于制造，那么合适的轴向节距范围应在5mm至9mm之间。

图7是本发明传热管的实施例在传热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刮，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凝结传热表面。

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。使滚花刀和传热管相接触，当传热管用卡具固定时，使传热管旋转。刀架沿传热管移动，产生滚花加工，这样，在管表面上构成了连续的、螺旋形的、具有预定节距的浅沟槽。这种浅沟槽也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传热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铲刮（例如与浅沟槽成45度角的方向）。与加工多线螺纹的方法类似将许多刀具装在各自的刀架上，使刀具与转动的传热管表面接触;但此时，管的表面不被切削掉，而是用变形方法将表面铲刮起翅片。这种铲刮加工能使浅沟槽中形成小凸起。

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，并且翅片具有楔形表面。

图7中所示的实施例中氟里昂致冷剂蒸汽在传热管外流动，冷却水在管内流动，从而将氟里昂致冷剂冷凝成液体。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表示传热管的总换热系数计算实例，传热管内有上述成排的凸块，管外面有凝结传热表面。通过考虑翅片部分的换热系数为17.400W/m²k和凸块部分的换热系数为5.800W/m²k以及考虑面积比，来计算管外面的凝结换热系数α。图5中表示的实验值用作管里边的换热系数α₁，总的换热系数K由管外面的凝结换热系数α₀和管内的换热系数α₁计算得出。在形成管内传热表面时，采用轧滚圆盘从管外面向管内对管表面进行压制，如果轴向节距很小，由轧滚圆盘压轧加工在管外表面上产生的凹坑9的面积，相对管外全部面积的比值将迅速增加。因此，管外面的凝结换热性能迅速降低。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，传热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一个最佳值范围，在这个范围内，总的换热系数将保持高值。从图8中可看出，此最佳值范围是从5mm到9mm。

当一个热交换器上应用了多个凝结传热管时，如图9所示，安排在下部的管上有一层厚的凝结液体膜11，这层膜起到热阻的作用，而且，传热管的位置越低，膜的厚度越大，这是由于累积了上面的传热管的液体所致。然而，按照本发明，采用轧滚圆盘压制的传热管在管的外表面上形成有凹坑9，凝结的液体可以从锯齿形的传热表面流到凹坑9中，凹坑9起到储液的作用，同时，液体膜的厚度变薄了，从而提高了凝结换热性能。

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，只要它们包括了本发明的技术核心内容。

Claims (1)

1、一种传热管，至少在传热管内壁面上以均匀的间距沿着螺旋线排列着一排凸块，各凸块有轮廓圆滑的曲面;在传热管外表面上有多道端部锐利的小肋片，这些小肋片上开有缺口;其特征在于：上述凸块的轴向节距在5mm到9mm范围内，凸块高度在0.45mm到0.6mm范围内，凸块沿螺旋线的节距在3.5mm到5mm范围内;在其外表面上有至少一排凹坑，这些凹坑的位置与在传热管内壁面上的上述凸块相对应。

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