專利名稱：一種提高管束效果的傳熱管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于傳熱設備技術領域，具體涉及一種冷凝用傳熱管。
背景技術：
在制冷與空調(diào)及其相關工業(yè)，水冷式冷凝器得到了廣泛的應用。它們大多為殼管 式換熱器，這其中，制冷劑在管外冷凝相變換熱，冷卻劑(例如水)在管內(nèi)流動換熱。因制冷 劑側熱阻占主要部分，需要在該側采用強化換熱技術，對于冷凝的相變傳熱，有許多專門針 對該類工藝過程的傳熱管如美國專利US5996686和美國專利US5669441，其公開了用于冷 凝強化表面的傳熱管，通過機加工在管外表面成翅(二維傳熱管)，在翅頂滾花，其主要原理 是增加外表冷凝面積，利用鋸齒狀表面不同位置曲率的差異，促進冷凝液流動，而且，尖角 位置冷凝液膜的厚度最薄，冷凝換熱效率也最高，再通過翅間槽排除冷凝液，可達到強化冷 凝換熱的效果。另外，在冷凝過程中，制冷劑在管外冷凝相變換熱，冷卻劑(例如水)在管內(nèi)流動換 熱。傳熱管按一定的規(guī)律(如正三角形排列)形成管束被排列在管板之間，制冷劑通過較低 溫度的管束被冷凝，在傳熱管管壁形成冷凝液，由于重力作用往下滴落，很容易逐層在冷凝 管上累積，形成上層管束下小雨，下層管束下大雨的情形。膜狀冷凝的換熱系數(shù)很大程度上 決定于管表面的冷凝液膜厚度，液膜越薄，冷凝換熱系數(shù)越好。為減小冷凝液膜的厚度，現(xiàn)有設計會采用更高效的傳熱管來代替光管，這些傳熱 管具有一些特殊的冷凝型三維表面(如鋸齒狀)，有利于減薄液膜和冷凝液的滴落。但是在 冷凝器的管排數(shù)量顯著增加時，位于下層區(qū)域的傳熱管由于滴落在表面的冷凝液量更大， 而且新型傳熱管容易因為三維表面的表面張力的作用/#凝資附積在表面而降低換熱效率， 因此，傳熱管排數(shù)越大，換熱衰減越多。而通常意義的二維低翅管則隨著管排數(shù)的增加冷凝 性能衰減較小。針對上述情況，中國發(fā)明專利公開號CN101338959公開的技術方案中指出 可在冷凝器中底部區(qū)域冷凝管采用二維低翅換熱管，這樣雖然可充分發(fā)揮三維翅片管及二 維翅片管各自的優(yōu)勢。但這樣在生產(chǎn)上極其不便，因在同一換熱器采用不同的換熱管給現(xiàn) 場操作的工人及采購人員增加了工作量，如管理疏忽或現(xiàn)場操作大意，很容易混淆?，F(xiàn)有技術中形成的三維翅片管(例如圖2中的管)可進一步提高換熱面積，其上的 翅槽間形成了齒臺，齒臺邊緣的轉折點或轉角線有利于提高局部的冷凝換熱系數(shù)。這樣傳 熱管的冷凝性能可以提高3 5倍。但是這些是在單管測試中表現(xiàn)出來的，在換熱器管束 中，由于冷凝液體在管體上的累積效應，大部分傳熱管會被冷凝液所淹沒，在這種情況下， 翅片上加的翅槽反而由于液體張力作用阻止冷凝液體排除，切口和齒臺因為浸沒在制冷劑 液體中而無法充分發(fā)揮強化冷凝換熱的作用，所以換熱性能會有較大程度的衰減。而未加 翅槽的(例如

圖1和圖la的管)部分盡管換熱面積較小，單管性能較差，但冷凝液流量較大 時，其淹沒效應較小，冷凝液可在翅片間的渠道順利快速的排除。至今為止，由于未能很好 的研究分析制冷劑在管外冷凝相變換熱、冷卻劑(例如水)在管內(nèi)流動換熱并呈一定規(guī)律排 列的傳熱管的冷凝液下跌在管外表面積聚對熱交換的影響，人們一直未能發(fā)現(xiàn)針對制冷劑在管外冷凝相變換熱、冷卻劑(例如水)在管內(nèi)流動換熱并呈一定規(guī)律排列的傳熱管，很好 的克服并平衡上述兩種管型的缺陷的具體方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有各種傳熱管所存在的問題，而提供一種新型的傳熱管，該傳 熱管在部分的翅片上設有切槽，這樣利用帶有切槽的翅片部分來強化冷凝換熱性能，同時 又利用光滑翅片加速排除冷凝液，從而達到提高綜合冷凝器性能，提高整機性能的目的。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案
一種提高管束效果的傳熱管，包含兩排以上的排傳熱管，所述傳熱管的外表面壓制有 增加換熱面積的光滑翅片，所述部分光滑翅片頂部或側面可開有翅槽，形成開槽翅片，所述 傳熱管上同時具有光滑翅片和開槽翅片，光滑翅片在所有翅片中所占的比例K由傳熱管束 的排數(shù)確定。對于13排以下的管束，傳熱管上所有翅片均是開槽的開槽翅片，即比例K=I ；而 13及排以上的管束至少有部分數(shù)量的翅片沒有開有翅槽，即比例K<1。進一步，對于13排以上的管束，比例K彡1/3。再進一步，對于13排到28排(包括13，28)的管束，比例K為1/3 < K < 2/3。又進一步，對于28排以上的管束，比例K彡1/3。在本發(fā)明的優(yōu)選實例中，所述傳熱管的翅片上每隔兩個光滑翅片連續(xù)加工有兩個 開槽翅片。進一步，所述傳熱管的翅片上每隔一個光滑翅片連續(xù)加工有兩個開槽翅片。進一步，所述傳熱管的翅片上每隔一個光滑翅片加工有一個開槽翅片。進一步，所述傳熱管的翅片上每隔三個光滑翅片加工有一個開槽翅片。再進一步的，所述傳熱管內(nèi)表面具有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋頭數(shù)為8 50頭，內(nèi)螺紋高度 0. 1 0. 5mm。再進一步的，所述翅片間的軸向間距為0. 3 0. 7mm，翅片厚為0. 05 0. 3mm，翅 片高為0. 5 1. 5mm，所述翅槽高為0. 1 0. 5mm，所述翅槽寬0. 1 1mm。根據(jù)上述技術方案得到的傳熱管通過在部分的翅片上設有翅槽，利用帶有翅槽的 翅片部分來強化冷凝換熱性能，利用光滑翅片加速排除冷凝液，通過這種強化冷凝換熱性 能與加速排除冷凝液的平衡，從而達到綜合提供冷凝器換熱性能、提高整機性能的目的。特別在較多管束中，本發(fā)明可以避免因淹沒效應而使得冷凝側換熱性能衰減較 大，有效地維持了較高的換熱性能，也可避免在整個換熱器中采用不同的換熱管而帶來的 額外工作量。本發(fā)明在較大的管束中(如18排以上)與現(xiàn)有技術相比較，冷凝側換熱性能提 高了 11. 1% 45. 5%。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明。圖1為現(xiàn)有技術中二維翅片管平面圖。圖Ia為二維翅片管的軸視圖。圖Ib為光滑翅片的示意圖。
圖2為現(xiàn)有技術中三維翅片管的平面圖。圖2a為開槽翅片的示意圖。圖3為“001001”型式傳熱管的平面圖。圖4為“0011”型式傳熱管的平面圖。圖5為“011011”型式傳熱管的平面圖。圖6為“0101”型式傳熱管的平面圖。圖7為“0001”型式傳熱管的平面圖。圖8為本發(fā)明在冷凝器中應用實施例示意圖,圖9為換熱管外冷凝換熱性能曲線對比圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。現(xiàn)有技術形成的三維翅片管可進一步提高換熱面積，其上的翅槽間形成了齒臺， 齒臺邊緣的轉折點或轉角線有利于提高局部的冷凝換熱系數(shù)。這樣傳熱管的冷凝性能可以 提高3 5倍。但是，這些是在單管測試中表現(xiàn)出來的，在換熱器管束中，由于冷凝液體在 管體上的累積效應，大部分傳熱管會被冷凝液所淹沒，這中情況下，翅片上加的翅槽反而由 于液體張力作用阻止冷凝液體排除，切口和齒臺因為浸沒在制冷劑液體中而無法充分發(fā)揮 強化冷凝換熱的作用，所以換熱性能會有較大程度的衰減。而未加翅槽的部分盡管換熱面 積較小，單管性能較差，但冷凝液流量較大時，其淹沒效應較小，冷凝液可在翅片間的渠道 順利快速的排除?；谏鲜鲈恚景l(fā)明有選擇的在傳熱管的部分翅片上開有翅槽，使得換熱管的 換熱性能可以在不同規(guī)模的管束情況下得到優(yōu)化，并且保證沒有開翅槽的管。本發(fā)明利用 帶有切槽的翅片部分來強化冷凝換熱性能，利用沒有開翅槽的光滑翅片加速排除冷凝液。 從而使得本發(fā)明在較大管束中，可以避免因淹沒效應而冷凝側換熱性能衰減較大的問題， 有效的維持了較高的換熱性能，也可避免在整個換熱器中采用不同的傳熱管而帶來的額外 工作量。對于本發(fā)明涉及到的二維翅片管和三維翅片管，都是現(xiàn)有技術采用的傳熱管，它 們的定義和加工工藝如下
參見圖1，采用雙面強化傳熱的方式，在光管主體的外表面沿周向加工出螺旋的或平行 的光滑翅片1 (如圖lb所示)可以形成翅片管，即為二維翅片管，并且在翅片1之間沿周向 構成翅間槽2(如圖la所示)。在本發(fā)明中，將在光管主體的外表面沿周向加工出螺旋的或 平行的光滑翅片1可以形成翅片管定義為“二維翅片管”。參見圖2，在翅片1’上的頂部或側面開有翅槽4’，形成開槽翅片(如圖2a所示)，繼 而形成三維翅片管，在翅片1’之間沿周向構成翅間槽2’，并且在相鄰斜槽間形成翅臺3’。在 本發(fā)明中，將在上述二維翅片管的翅片的頂部或側面再開有翅槽的傳熱管定義為“三維翅 片管”。在實際應用時，如13排以下的管束可采用常規(guī)三維冷凝型傳熱管，即所有翅片均 開槽，13-18排可采用大部分翅片開槽型，而18排以上則可選擇少部分翅片開槽型。
基于上述技術方案，本發(fā)明的具體實施如下 實施例一
參見圖3，本實施例中提供的傳熱管在現(xiàn)有傳熱管的基礎上，通過采用較薄型的開槽工 具在部分翅片301的頂部加工有翅槽304，翅片301之間沿周向構成翅間槽302，并且在相 鄰斜槽間形成翅臺303。本實施例在加工翅槽時，是在傳熱管的翅片上每隔兩個平滑翅片開有一個翅槽?；谏鲜龇桨福艏俣ㄎ撮_翅槽的光滑翅片其代號為“0”，開翅槽的開槽翅片代號 為“1”，如圖3所示，本實施例中，翅片頭數(shù)為3，則沿軸向在翅片上每間隔兩個光滑翅片有 一個翅片開翅槽，即可加工出“001001”類型的傳熱管，顯然光滑翅片的比例為2/3。在本發(fā)明中，本發(fā)明人通過研究分析，發(fā)現(xiàn)“ 1，，型翅片(即開槽翅片)換熱面積較 大，且在翅臺303邊緣形成了轉折點或線，按照膜狀冷凝傳熱的理論，這些位置(尖銳點處) 冷凝換熱性能得到最大的強化。但是在冷凝液較多并淹沒傳熱管的場合，其總體性能相對 理想化的單管性能相比衰減較大。而“0”型翅片(即光滑翅片)表面，換熱面積相對較小，但是在冷凝液較多并淹沒傳 熱管的場合，其總體性能相對理想化的單管性能相比衰減較小。由此，在本發(fā)明中，通過將上述這樣兩種翅型的結合，可進一步優(yōu)化傳熱管在不同 場合(取決于較小的管束及大規(guī)模的管束的場合)下的性能。參見圖9，該圖是在熱流密度控制在22kW/m2，飽和溫度控制在37°C的情況下測試 的，由圖上的換熱性能曲線對比可得出在13排管(三條虛線的交叉點)以下的冷凝器中， 采用翅片全部開槽的傳熱管(即111型)，換熱性能較高，而在13排以上的較大規(guī)模的冷凝 器中，本實施例提供的“001001”型或“011”型的傳熱管具有優(yōu)勢，例如在13排和28排之 間(大于等于13且小于28)時，采用“011”型效果最佳，而大于28排時，采用“001”型效果 最佳，在大于60排時，“000”型可采用。再參見圖9，在40排時，本實施例提供的傳熱管的冷凝換熱性能比三頭翅片均開 槽的傳熱管(即111型)的冷凝性能提高了 27. 5%，而“000”型換熱管(翅片光滑均不開槽) 在34排的管束中與全部開槽的翅片管性能一樣，說明隨著翅片排數(shù)增多，冷凝性能的衰減 越多，而同樣翅片如果頂部開槽的比例越高，則冷凝性能下降越快。由此可見，假定光滑翅片在整個翅片中所占的比例為K，對于13排以下的管束， 如果所有翅片均是開槽的三維冷凝型傳熱管(K=I)，則冷凝性能明顯提高；13排以上的管 束至少有部分數(shù)量的翅片沒有開有翅槽，綜合冷凝性能較高。較好地，13排以上的管束至 少有1/3的翅片沒有開有翅槽(K > 1/3)，綜合冷凝性能更高；對于13排以上到28排的管 束，如果選擇小于2/3但大于1/3的翅片是開槽的(1/3 < K < 2/3)，綜合冷凝性能也更高。 再進一步，對于28排以上的管束，如果選擇小于等于1/3的翅片是開槽的(K ^ 2/3)，也會 顯著提高綜合冷凝性能。加工和制造本實施例的傳熱管時，傳熱管的管主體可選用銅和銅合金材料或其 他金屬材料，傳熱管外徑為19mm，壁厚為1. 1mm，采用專用的軋管機并用擠壓加工的方式進 行，管內(nèi)和管外同時一體化加工。管主體外表面上加工了沿周向的3頭螺旋翅片，軸向間距為0. 627mm,采用開槽 刀具在相應頭的翅片301上開翅槽304，翅槽深度為0.3mm，寬度0. 3mm，沿圓周每周150個分布，之間形成翅臺303。進一步，本實施例在管內(nèi)同時可利用芯頭加工出內(nèi)螺紋(如圖中未示出)，以強化 管內(nèi)的換熱系數(shù)，且內(nèi)螺紋頭數(shù)為8 50頭，內(nèi)螺紋高度0. 1 0. 5mm。本實施例中，內(nèi)螺紋的高度均為0. 36mm，與軸線的角度為45度，內(nèi)螺紋頭數(shù)為38 頭，這樣的結構可減薄流體傳熱邊界層的厚度，因此可提高對流換熱系數(shù)，進一步增加總體 換熱系數(shù)。管主體內(nèi)壁增加內(nèi)螺紋后可強化換熱管內(nèi)對流換熱的紊流度，從而強化換熱；特 別是在管外采用強化表面的情形下，管內(nèi)和管外的熱阻較接近，對管內(nèi)進一步強化，可以更 大程度的有效提高整體的傳熱性能。由上述技術方案得到的傳熱管，其具體的工作過程如下(如圖8所示)
本實施例提供的傳熱管的管主體300固定在換熱器305 (冷凝器)的管板306上，冷卻 劑(如水)從水室307入口 308流經(jīng)發(fā)明管主體300的管內(nèi)，與管外制冷劑換熱，再從水室 307出口 309流出；制冷劑氣體從入口 310進入換熱器305，被傳熱管主體300冷卻，并在管 外壁冷凝為液體，從出口 311流出換熱器，由于制冷劑冷凝放熱，本實施例提供的傳熱管的 管內(nèi)的冷卻劑被加熱。由于本實施例提供的傳熱管的管主體的外壁構造有利于強化制冷劑 的膜狀冷凝換熱，從而有效提高了整個換熱器的冷凝換熱系數(shù)(具體如上所述，此處不加以 贅述)。實施例二
本實施例提供的傳熱管，其在加工翅槽時，是在傳熱管的翅片上每隔兩個平滑的翅片 連續(xù)開有兩個翅槽。參見圖4，本實施例中，翅片頭數(shù)為4，則沿軸向在翅片301上每間隔兩個翅片開翅 槽304，即可加工出“0011”類型的傳熱管(K=l/2)。并且其他結構與實施例一中提供的傳 熱管相同，如上所述，此處不加以贅述。實施例三
本實施例提供的傳熱管，其在加工翅槽時，是在傳熱管的翅片上每隔一個平滑的翅片 連續(xù)開有兩個翅槽。參見圖5，本實施例中，翅片頭數(shù)為3，則沿軸向在翅片301上每間隔一個翅片開翅 槽304，即可加工出“011011”類型的傳熱管(K=l/3)。并且其他結構與實施例一中提供的 傳熱管相同，如上所述，此處不加以贅述。實施例四
本實施例提供的傳熱管，其在加工翅槽時，是在傳熱管的翅片上每隔一個平滑翅片開 有一個翅槽。參見圖6，本實施例中，翅片頭數(shù)為4，則沿軸向在翅片301上每間隔一個翅片開翅 槽304，即可加工出“0101”類型的傳熱管(K=l/2)。并且其他結構與實施例一中提供的傳 熱管相同，如上所述，此處不加以贅述。實施例五
本實施例提供的傳熱管，其在加工翅槽時，是在傳熱管的翅片上每隔三個平滑翅片開 有一個翅槽。參見圖7，本實施例中，翅片頭數(shù)為4，則沿軸向在翅片301上每間隔三個翅片開翅 槽304，即可加工出“0001”類型的傳熱管(K=3/4)。并且其他結構與實施例一中提供的傳熱管相同，如上所述，此處不加以贅述。對于本發(fā)明，如圖lb，翅片間的軸向間距為0. 3 0. 7mm，翅片厚W為0. 05 0. 3mm，翅片高H為0. 5 1. 5mm ；如圖2a所示，翅槽高NH為0. 1 0. 5mm，翅槽寬NW為 0. 1 Imm0以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術 人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
權利要求
1.一種提高管束效果的傳熱管，所述傳熱管的外表面壓制有增加換熱面積的光滑翅 片，所述部分光滑翅片頂部或側面可開有翅槽，形成開槽翅片，其特征在于，所述傳熱管上 同時具有光滑翅片和開槽翅片，光滑翅片在所有翅片中所占的比例K由傳熱管束的排數(shù)確定。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，對于13排以下的 管束，傳熱管上所有翅片均是開槽的開槽翅片，即比例K=I ；而13排及以上的管束至少有 部分數(shù)量的翅片沒有開有翅槽，即K<1。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，對于13排以上的 管束，比例K彡1/3。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，對于13排到28排 且包括13排和28排的管束，比例K為1/3彡K < 2/3。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，對于28排以上的 管束，比例KS 1/3。
6.根據(jù)權利要求1一 5任一所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，所述傳熱 管的翅片上每隔兩個光滑翅片加工有一個開槽翅片。
7.根據(jù)權利要求1一 5任一所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，所述傳熱 管的翅片上每隔兩個光滑翅片連續(xù)加工有兩個開槽翅片。
8.根據(jù)權利要求1一 5任一所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，所述傳熱 管的翅片上每隔一個光滑翅片連續(xù)加工有兩個開槽翅片。
9.根據(jù)權利要求1一 5任一所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，所述傳熱 管的翅片上每隔一個光滑翅片加工有一個開槽翅片。
10.根據(jù)權利要求1一 5任一所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，所述傳 熱管的翅片上每隔三個光滑翅片加工有一個開槽翅片。
11.根據(jù)權利要求1一 5任一所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，所述傳 熱管內(nèi)表面具有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋頭數(shù)為8 50頭，內(nèi)螺紋高度0. 1 0. 5mm。
12.根據(jù)權利要求1所述的一種提高管束效果的傳熱管，其特征在于，所述翅片間的 軸向間距為0. 3 0. 7mm，翅片厚為0. 05 0. 3mm，翅片高為0. 5 1. 5mm，所述翅槽高為 0. 1 0. 5mm，所述翅槽寬0. 1 1mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高管束效果的傳熱管，所述傳熱管的外表面壓制有增加換熱面積的光滑翅片，所述部分光滑翅片頂部或側面可開有翅槽，形成開槽翅片，傳熱管上同時具有光滑翅片和開槽翅片，其比例由傳熱管束的排數(shù)確定。在較大管束中，本發(fā)明可以避免因淹沒效應而冷凝側換熱性能衰減較大，有效的維持了較高的換熱性能，也可避免在整個換熱器中采用不同的換熱管而帶來的額外工作量。并且本發(fā)明在較大的管束中與現(xiàn)有技術相比較，冷凝側換熱性能提高了15%～45.5%。
文檔編號F28F1/12GK102003907SQ201010550898
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2010年11月19日
發(fā)明者曹建英, 羅忠, 邱亞林, 陸蛟 申請人:高克聯(lián)管件(上海)有限公司