多面體陣列傳熱管的製作方法
2023-09-21 05:42:15 2
專利名稱：多面體陣列傳熱管的製作方法
技術領域：
本發明涉及應用於熱交換器的管，更具體地，本發明涉及管內表面能增強傳熱性能的熱交換器。
背景技術：
本領域內一般技術人員公知的是，具有表面增強的管的傳熱性能優於具有普通壁的管。表面增強已經應用於管的內表面和外表面，包括筋、翅片、塗層和嵌件等等。所有增強設計用於增大管的傳熱表面積。大多數設計還試圖使流體從管中流過或越過管時產生湍流，以便促進流體混合併破壞管表面的邊界層。
在大多數空調和冰箱以及發動機冷卻中，熱交換器是平板翅片和管的類型。在這種熱交換器中，利用裝在管外部的平板翅片對管外部增強。熱交換器還常常通過管內表面改性的形式具有內部傳熱增強。
在典型平板翅片和管的空調和冰箱熱交換器的大部分總長度上，製冷劑以液體和蒸氣狀態存在。在某些流動狀態下並且由於密度的變化，液體製冷劑沿管底部流動並且氣態製冷劑沿管頂部流動。如果改進兩種狀態流體之間的相互混合，即促進液體從冷凝裝置中的管上部區域排出，或者促進液體在蒸發裝置中通過毛細管作用流過壁中的管，將改進管的傳熱性能。
為了降低熱交換器的製造成本，還需要在保持性能的同時減小傳熱管的重量。管的內部增強增大了熱交換器的傳熱係數。如果熱交換器保持在原始尺寸和體積，或者在保持性能的同時具有減小熱交換器尺寸的可能性，則增大此係數將增大熱交換量。
因此，所需要的是傳熱管為冷凝和/或蒸發裝置提供優異的性能，並為最終用戶提供實用的和經濟的特徵。
發明內容
本發明通過提供一種熱交換器管滿足上述需求，該熱交換器管包括具有縱軸和具有內表面的管狀件，所述內表面沿圓周方向分成至少兩個區域。第一部分多個多面體沿至少一個多面體軸形成在內表面上。每個多面體具有四個相對的側面。多面體具有與多面體軸線平行的第一和第二面，具有與多面體軸線傾斜的第三和第四面。多面體軸線與管的縱軸形成第一螺旋角。笫二部分多個多面體形成在與第一部分多個多面體相鄰的內表面上。每個多面體具有四個相對的側面。多面體具有與多面體軸線平行的第一和第二面，具有與多面體軸線傾斜的第三和第四面。多面體軸線與管的縱軸形成第二螺旋角。第二螺旋角的取向與第一螺旋角的取向相反。對於典型的圓管，可以有四個相等尺寸的區域。但是，如下所述，這些區域可以具有不同尺寸，並可以有總數超過四個的多個區域。
本發明圖示在附圖中，在所有附圖中相似的參考符號表示相同或
相似的部分。在附圖中
圖l是熱交換器壁單個部分的詳細圖2是本發明熱交換器管壁的兩個相鄰部分展平後的透視圖，其中包括圖1所示的單個部分；
圖3是表示當管用於冷凝應用時，在傳熱方面本發明管與現有技術管相比較的相對性能的曲線；以及
圖4是表示在壓降方面本發明管與現有技術管相比的相對性能的曲線。
具體實施例方式
在整個說明書中使用了術語多面體，它定義為由基本平面形成的實體。
本發明的管優選地由銅、銅合金或其它金屬或非金屬材料製成。管的截面可以是圓形、橢圓形或者甚至是扁平形。管可以圓柱形，具有外徑、內徑和相應的壁厚。管的內表面形成有本發明的內表面增強。
製造本發明的熱交換器管可以在將條帶軋製成型並焊接接縫形成管之前，通過將帶材一個表面滾軋壓花形成增強圖案。
在圖i中，管io的部分n展平並表示出表面增強13,多個多面
體19從壁16上向外伸出。多面體19排列成多個行20，每個行沿軸線22分布。行20相對於管10的縱軸50形成螺S走角100 (圖2 ),這將在下面詳細描述。
第一平面25和第二平面28平行於軸線22。第三平面31和第四平面34與軸線22成一個傾斜角。多面體19在壁16上排列成相鄰行中心線之間距離為d。距離d可以在0.011英寸到0.037英寸。面31和34形成的頂角h， 1,在5-50度之間。面31和34向下朝管10內壁16延伸，並可以延伸到多面體19的高度的20%到100%。多面體19的長度為1，長度1可以在0.005到0.025英寸之間。第三面31和第四面34相對於多面體19行的軸線22形成一個角75。多面體的高度為H，最大寬度為W,寬度W在0.004到0.01英寸之間。多面體19在面25和面28之間形成角12，角12在5到50度之間。對於所有尺寸的管，每360度圓周上多面體的數量由上述的節距d決定。表面增強13通常是每平方英寸500到10000個多面體。
對於本發明，多面體高度與外徑之比為0.005到0.05。再看圖2，部分11和相鄰部分44展平並表示為相對於管10的縱軸50的一種結構。在部分11中，多面體19的軸線22相對於管10的軸線50形成螺;旋角100，螺旋角100可以在5到40度之間。在一個實施例中，螺旋角100為約15度。
部分44與部分11相鄰。多面體19按與上面相同的方式構造。部分11與部分44的差別是多面體19行的軸線46相對於管10的軸線50的取向。在圖示的實施例中，軸線46以角200布置，角200為5到40度，通常這個角200是與角100大小相等但方向相反的角。在一個實施例中，角200是15度。雖然相鄰部分11和部分44可以具有對稱的螺旋角100和200,但非對稱的角也是適合的。而且，圖2所示的部分11和44具有大致相同尺寸。部分11和44的面積不必相等。對於典型的圓管，通常有四個相等尺寸的部分。
部分11的面31和34是沿軸線150分布的，軸線150與軸線50形成角300。部分44的面31和34是沿軸線250分布的，軸線250與軸線50形成角400。角300和400小於10度並且彼此相等。可以發現，角300和400可以是0度(軸向)。而且，角300和400可以是7度。這種結構減小了管10的壓降。
增強13可以通過任何適當的工藝在管壁16內部形成。在使用自動高速工藝製造焊接金屬管時，形成增強圖案13的一種有效方法是在金屬帶軋制形成圓形截面並在接縫焊接成管10之前，在金屬帶一個表面滾軋壓花形成。這可以通過將兩個滾軋壓花站按順序定位在管的生產線中進行，此生產線是通過軋製成型並在接縫焊接金屬帶形成管。所述滾軋壓花站將定位在供應未加工金屬帶的源頭與帶材軋制形成管狀的生產線部分之間。每個壓花站分別具有圖案增強輥以及支撐輥。每個站的支撐輥和圖案輥通過適當的裝置(未圖示)用足夠的力壓在一起，使一個輥圖案表面壓入帶材一側的表面中，從而形成多面體的縱向側。第三面31和第四面34是通過具有一系列升高突起的第二輥壓入多面體19形成的。
如果管是通過滾軋壓花、滾軋成型和縫焊接製造的，則在成品管10中沿焊接線存在這樣一個區域，該區域由於此製造工藝的特性，缺少管10圓周的其餘部分存在的增強結構或者具有不同增強結構。這個不同結構的區域將不會明顯地負面影響管10的熱性能或流體流動性再看圖3， h表示傳熱係數，IE表示具有內部增強的管，"光滑" 表示普通管。圖3的曲線表示在製冷劑R-22流過管的質量流速的範 圍內，三種不同內增強管相對於光滑內表面管的相對冷凝性能 (h(IE)/h(光滑))。管A表示本發明的一個實施例。管B表示具有通 常稱為交叉線增強的內表面增強的現有技術管。管C表示另一種現有 技術管， 一般稱為魚骨增強。圖3的曲線說明本發明的冷凝傳熱性能 遠遠超過交叉線增強的性能，並且略高於魚骨增強。因此，本發明在 重量相同情況下提供更好的性能，在減小重量情況下提供相同性能， 因此減小了最終用戶的成本。
再看圖4，其中的曲線表示在製冷劑R-22流過管的質量流速的 範圍內，上述管A、 B和C在壓降方面的相對性能。圖4的曲線表示 本發明的冷凝壓降在大部分流速範圍內比魚骨增強的壓降低20%以 上。
本發明的多面體陣列通過引導流體流過表面彼此碰撞而形成額外 的湍流。如果流動是氣-液兩相，就產生足夠的湍流，從而氣-液界 面撕扯很強烈，從而導致接近完美的氣-液混合。本發明的管IO在需 要強烈氣-液界面混合的冷凝傳熱中運行得非常好。
雖然結合某些實施例描述了本發明，但這不將本發明限制在給出 的特定形式上，但相反的是，本發明覆蓋那些可以包括在權利要求限 定的本發明精神和範圍內的替代、修改和等價物。
權利要求
1.一種熱交換器管，包括具有縱軸和具有內表面的管狀件，所述內表面沿圓周方向分成至少兩個區域；第一部分多個多面體，所述多面體沿至少一個多面體軸形成在內表面上，每個所述多面體具有四個相對的側面，所述多面體具有與所述多面體軸線平行的第一和第二面，以及具有相對所述多面體軸線傾斜的第三和第四面，所述多面體軸線與管的縱軸形成第一螺旋角；以及第二部分多個多面體，所述多面體形成在與第一部分多個多面體相鄰的內表面上並且沿著至少一個多面體軸線形成，每個所述多面體具有四個相對的側面，所述多面體具有與多面體軸線平行的第一和第二面，以及具有沿相對所述多面體軸線傾斜的軸線的第三和第四面，所述多面體軸線與管的縱軸形成第二螺旋角，第二螺旋角的取向與第一螺旋角的取向相反。
2. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於所述第一螺旋角 為5到40度。
3. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於所述第一螺旋角 約為15度。
4. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於所述第二螺旋角 為5到40度。
5. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於所述第二螺旋角 約為15度。
6. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於所述第一和第二 螺旋角相等且相反。
7. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於所述第一和第二 螺旋角是不對稱的。
8. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於第三和第四面的軸線與管的縱軸之間的角小於10度。
9. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於第三和第四面的軸線與管的縱軸之間的角約為0度。
10. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於第三和第四面的軸線與管的縱軸之間的角小於7度。
11. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於第一部分多個多面體和第二部分多個多面體佔據的區域具有與管內表面大約相等的面積。
12. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於第一部分多個多面體和第二部分多個多面體佔據的區域具有不相等的面積。
13. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於多面體高度與夕卜徑之比為約0.005到0.05。
14. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於至少兩個區域包4舌四個區。
15. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於至少兩個區域包括四個以上的域。
16. 如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於每平方英寸具有約500到10000個多面體。
17. —種熱交換器管，包括具有縱軸和具有內表面的管狀件，所述內表面沿圓周方向分成至少兩個區域；第一部分多個多面體，所述多面體沿至少一個多面體軸形成在內表面上，每個所述多面體具有四個相對的側面，所述多面體具有與所述多面體軸線平行的第一和第二面，以及具有相對所述多面體軸線傾斜的第三和第四面，所述多面體軸線與管的縱軸形成第一螺旋角，第一螺旋角為5到40度，第三和第四面的軸線與管的縱軸之間的角約為0度；第二部分多個多面體，所述多面體形成在與第一部分多個多面體相鄰的內表面上並且沿著至少一個多面體軸線形成，每個所述多面體具有四個相對的側面，所述多面體具有與多面體軸線平行的第一和第二面，以及具有沿相對所述多面體軸線傾斜的軸線的第三和第四面，所述多面體軸線與管的縱軸形成第二螺旋角，笫二螺旋角為5到40度，第二螺旋角的取向與第一螺旋角的取向相反，第三和第四面的軸線與管的縱軸之間的角約為0度；以及所有多面體具有相同的高度。
18. 如權利要求17所述的熱交換器管，其特徵在於第一部分多個多面體和第二部分多個多面體佔據的區域具有與管內表面大約相等的面積。
19. 如權利要求17所述的熱交換器管，其特徵在於第一部分多個多面體和第二部分多個多面體佔據的區域具有不相等的面積。
20. 如權利要求17所述的熱交換器管，其特徵在於多面體高度與外徑之比約為0.005到0.05。
21. 如權利要求17所述的熱交換器管，其特徵在於至少兩個區域包4舌四個區。
22.如權利要求17所述的熱交換器管，其特徵在於至少兩個區域包括四個以上的域。
23.如權利要求17所述的熱交換器管，其特徵在於每平方英寸具有約500到10000個多面體。
全文摘要
一種熱交換器管，包括具有縱軸和具有內表面的管狀件，所述內表面沿圓周方向分成至少兩個區域。第一部分多個多面體沿至少一個多面體軸形成在內表面上。第二部分多個多面體形成在與第一部分多個多面體相鄰的內表面上。每個所述多面體具有四個相對的側面。所述多面體具有與所述多面體軸線平行的第一和第二面，並具有與所述多面體軸線傾斜的第三和第四面。第一部分多個多面體的多面體軸線與管的縱軸形成第一螺旋角。第二部分多個多面體的多面體軸線與管的縱軸形成第二螺旋角。第二螺旋角的取向與第一螺旋角的取向相反。
文檔編號F28F1/10GK101526323SQ20091013404
公開日2009年9月9日 申請日期2003年11月14日 優先權日2002年11月25日
發明者D·L·貝內特, J·E·布賴恩, 唐良猷 申請人:盧瓦塔埃斯波公司