一種不同合金的圓弧型封閉式翅片管散熱器的製造方法
2023-06-18 10:46:06 1
一種不同合金的圓弧型封閉式翅片管散熱器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種翅片管散熱器，散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管基管和翅片採用不同的金屬。本發明將翅片管的結構進行優化，使其達到換熱效率最大化，以節約能源，達到環保節能的目的。
【專利說明】一種不同合金的圓弧型封閉式翅片管散熱器
【技術領域】
[0001]本發明屬於換熱器領域，尤其涉及一種供暖用的散熱器。
【背景技術】
[0002]家庭供暖的終端設備，熱源一般為城市集中供暖、小區自建鍋爐房、家用壁掛爐等，通過熱傳導、輻射、對流把熱量散熱出來，讓居室的溫度得到提升。
[0003]散熱器中，目前廣泛的適用翅片管散熱器，通過翅片可以擴大散熱面積，增強換熱效果，但是翅片管的散熱器類型、以及翅片管參數的設定都影響者散熱效果的好壞，而且目前在能源危機的情況下，急需要節約能源，滿足社會的可持續發展，因此需要開發一種新的翅片管，同時需要將翅片管的結構進行優化，使其達到換熱效率最大化，以節約能源，達到環保節能的目的。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題在於提供一種新的直線型封閉式翅片管散熱器。
[0005]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:一種封閉式結構的翅片管散熱器，包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設置在基管的外部並且第一翅片和第二翅片的延長線相交於基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設置第二連接片，第一連接片和第二連接片為圓弧型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述圓弧形金屬板的圓心所在的中心軸線與基管的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行；相鄰基管的第一翅片互相平行。
[0006]所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:
[0007]Sin (A/2) =a* (L/R) 2+b* (L/R) +c
[0008]H/(R*10)=e*Sin(A/2)2-f*Sin(A/2)+h 其中，A 單位為角度，60。<A〈110。，
[0009]L 的尺寸為 mm, 12mm〈L〈80mm，
[0010]R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
[0011]H 的單位為 mm, 800mm〈R〈1200mm，
[0012]a、b、c、e、f、h 為係數，a 的範圍為 0.04-0.042，b 的範圍為 0.266-0.28，c 的範圍為 0.36-0.37，e 的範圍為 21-23，f 的範圍是 44-45，h 是 23-25。
[0013]參數的最佳結果為:a為 0.0412，b 為 0.02715，c 為 0.03628，e 為 22，f 為 44.37，h 為 23.86。[0014]作為一個優選，相鄰基管中心軸線之間的距離為S=d* (L+R)*sin(A/2)，其中d為1.1-1.2。
[0015]d的優化結果是1.118。
[0016]所述基管和翅片的材料是鋁合金，所述鋁合金的組分的質量百分比如下:3.0%Cu, 1.9% Mg, 1.6% Ag,0.6% Mn,0.25% Zr,0.3% Ce,0.23% Ti,0.38% Si，其餘為 Al。
[0017]所述基管的管內部設置防腐層，基管的外部塗覆耐磨層，防腐層、基管以及耐磨層的熱膨脹係數依次增加。
[0018]所述散熱器還包括控制系統，所述控制系統根據室內溫度控制進入散熱器中水的流速。
[0019]所述控制系統包括:溫度傳感器、流量控制器和中央控制器，流量控制器控制進入散熱器的流速；所述溫度傳感器用於測量室內溫度，當室內溫度達到第一溫度時，中央控制器控制流量控制器達到第一流速，當室內溫度達到高於第一溫度的第二溫度時，中央控制器控制流量控制器達到低於第一流速的第二流速，當室內溫度達到高於第二溫度的第三溫度時，中央控制器控制流量控制器達到低於第二流速的第三流速，當室內溫度達到高於第三溫度的第四溫度時，中央控制器控制流量控制器達到低於第三流速的第四流速；當室內溫度達到高於第四溫度的第五溫度時，中央控制器將流量控制器關閉，阻止水進入散熱器。
[0020]所述防腐層由如下成分組成:
[0021 ] 片狀鋅粉8.3 %，氧化鋁為8 %，硼酸為7.3 %，丙烯酸為0.7 %，潤溼分散劑為
0.4%，增稠劑為0.15%，消泡劑為0.23%，餘量的水。
[0022]所述潤溼分散劑為平平加系列中的SA-20，所述的增稠劑選用羥乙基纖維素；所述的消泡劑選用磷酸三丁酯。
[0023]在基管的軸向上靠近上集管和下集管的部分沒有翅片。
[0024]基管靠近下集管的部分的沒有翅片的部分的長度要大於靠近上翅片的沒有翅片部分的長度。
[0025]與現有技術相比較，本發明太陽能熱水器具有如下的優點:
[0026]I)本發明提供了一種新的翅片管，而且因為翅片管的翅片的延伸線與基管的中心軸線重合，從而使得換熱效果達到最好。
[0027]2)本發明通過多次試驗，設計了不同管徑、不同高度、夾角的翅片進行試驗，從而得到一個最優的翅片優化結果，並且通過試驗進行了驗證，從而證明了結果的準確性。
[0028]3)通過對鋁合金的組分的質量百分比的合理分配，提高翅片管的高耐熱性和高導熱性。
[0029]4)防腐層、基管以及耐磨層的熱膨脹係數依次增加，保證在通熱水的時候，各層的膨脹率相同，保證各層的緊密結合，防止脫落。
[0030]5)通過控制系統，自動控制進入散熱器的水的流速，保持室溫達到一個穩定的數值。
[0031]6)通過在基管的軸向上靠近上集管和下集管的部分沒有翅片，保證了基管下部的空氣能夠順利進行翅片管的空隙中，達到了好的抽吸效果，同時也能保證空氣技術的向上部對流，增加對流換熱的效果。
[0032]7)通過基管靠近下集管的部分的沒有翅片的部分的長度要大於靠近上翅片的沒有翅片部分的長度，可以增加對流效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是本發明散熱器的示意圖；
[0034]圖2是翅片管的橫截面示意圖；
[0035]圖3是散熱器控制系統的示意圖；
[0036]圖4是圖3從左側看的示意圖。
[0037]附圖標記如下:
[0038]I上集管，2基管中沒有翅片的部分，3下集管，4翅片管，5基管，6水第一翅片，7空隙部分，8第一連接片，9第二翅片，10第四翅片，11第三翅片，12第二連接片，13中央控制器，14流量控制器，15溫度傳感器，16溫度傳感器，17散熱器
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0040]本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，「/」表示除法，「 X 表示乘法。
[0041]一種封閉式結構的翅片管散熱器17，包括上集管1、下集管3和連接上集管I和下集管3的翅片管4,所述翅片管4包括圓形基管5和第一翅片6、第二翅片9,第一翅片6和第二翅片9設置在基管5的外部並且第一翅片6和第二翅片9的延長線相交於基管5的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片6和第二翅片9沿著通過基管中心軸線的第一平面B鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿著第二平面C分別與第一翅片6和第二翅片9鏡像對稱，所述第二平面C與第一平面B垂直而且經過基管5的中心軸線；所述第一翅片6和第二翅片9之間設置第一連接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之間設置第二連接片12，第一連接片8和第二連接片12為圓弧型金屬板；所述圓弧形金屬板的中心軸線與基管5的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行。
[0042]優選的是，相鄰基管的第一翅片互相平行，表示相鄰基管的第二翅片也互相平行，同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特徵表明翅片管是按照相同方向排列的。
[0043]需要解釋的是，如圖2所示，基管的中心軸線就是基管5的橫切面上的圓心點的集合形成的一條線，圓弧形金屬板的中心軸線就是橫切面上圓弧形金屬板的圓心點的集合形成的一條線。所述圓弧形金屬板的中心軸線與基管5的中心軸線重合就是指在橫切面上，圓弧形金屬板和基管是同心圓。
[0044]優選的是，所有翅片管的尺寸都相同。
[0045]通過上述的設置，使得翅片與連接片之間形成一個空隙部分7，在對流換熱的時候，空隙部分7就形成了一種煙筒效應，能夠增強換熱。
[0046]第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間，該空間形成一定的空隙，能夠形成煙筒效應，加強對流，強化傳熱。
[0047]所述第一翅片6和第二翅片9之間的夾角為A，第一翅片6和第二翅片9的長度為L，基管的外半徑為R，當然，因為鏡像對稱，第三翅片11和第四翅片10的長度也自然是L。但是在實踐中發現，換熱過程中.如果翅片夾角過小，則會阻礙換熱，因為翅片夾角過小的話，導致第一翅片、第二翅片的距離太近，則溫度邊界層在封閉區域內隨著基管高度的方向上開始重合，氣體溫度接近管壁溫度而逐漸接近熱飽和，流動阻力增大，最終反而惡化換熱，外翅片的優勢發揮不出來，同樣的原因，隨著夾角的不斷地增大，使得連接片距離基管的距離原來越近，同樣使得溫度邊界層在封閉區域內隨著基管高度的方向上開始重合，氣體溫度接近管壁溫度而逐漸接近熱飽和，流動阻力增大，最終反而惡化換熱，因此夾角具有一個最佳值。
[0048]對於翅片長度，如果太長，則因為基管的熱量無法及時到達翅片的端部或者即使達到效果也不明顯，如果太短，則擴展換熱面積太小，無法達到一個好的換熱效果，因此翅片的高度也有一個最佳值。[0049]對於兩個翅片管之間的距離，首先如果距離太近或者完全靠近，則兩個翅片管的連接片之間距離的空間(參見圖1)太小，則空氣無法通過翅片之間的間隙進入翅片管之間形成的空隙，此時的換熱只能依靠從散熱器底部進入空氣，無法達到很好的對流換熱效果，同樣的原因，如果距離太遠，則翅片管的第一第二第三第四翅片無法形成有效煙筒效果的空隙，從而導致換熱效果變差，因此對於兩個翅片管之間的距離也需要一個合適的數值。
[0050]如圖4所示，對於翅片沿著基管5軸向上的高度H，也需要具有一個合適的數值，如果翅片高度太高，則在翅片的上部，因為邊界層在封閉區域內隨著基管高度的方向上開始重合，導致換熱的惡化，同理，高度太低，則換熱沒有充分發揮，從而影響換熱效果。
[0051]因此，本發明是通過多個不同尺寸的散熱器的試驗數據總結出的最佳的散熱器的翅片管的尺寸關係。因為翅片管還有夾角A、翅片長度L、翅片高度H這三個變量，因此，引入兩個無量綱量sin (A/2)、L/R、H/R，這裡R是基管的半徑，從換熱效果中的散熱量最大出發，計算了近200種形式。所述的尺寸關係如下:
[0052]所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:
[0053]Sin (A/2) =a X (L/R) 2+b X (L/R) +c
[0054]H/(RXlO) =e X Sin (A/2) 2-fX Sin (A/2)+h 其中，A 單位為角度，60。<A〈110。，
[0055]L 的尺寸為 mm，12mm〈L〈80mm，
[0056]R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
[0057]H 的單位為 mm, 800mm〈R〈1200mm，
[0058]a、b、c、e、f、h 為係數，a 的範圍為 0.04-0.042，b 的範圍為 0.266-0.28，c 的範圍為 0.36-0.37，e 的範圍為 21-23，f 的範圍是 44-45，h 是 23-25。
[0059]通過計算結果後再進行試驗，通過計算邊界以及中間值的數值，所得的結果基本上與公式相吻合，誤差基本上在4%以內，最大的相對誤差不超過6%，平均誤差是2%。；
[0060]係數優化的最佳結果是:a為0.0412，b為0.02715，c為0.03628，e為22，f?為44.37，h 為 23.86。
[0061]優選的是，相鄰基管中心軸線之間的距離為S=dX (L+R) Xsin(A/2)，其中d為
1.1-1.2。
[0062]如圖2所示，相鄰基管中心軸線之間的距離就是橫切面上兩個基管圓心之間的距離。
[0063]d的優化結果是1.118。[0064]基管和翅片的材料是鋁合金，所述鋁合金的組分的質量百分比如下:3.0% Cu,
1.9% Mg, 1.6% Ag,0.6% Mn,0.25% Zr,0.3% Ce,0.23% Ti,0.38% Si，其餘為 Al。
[0065]鋁合金的製造方法為:採用真空冶金熔煉，氬氣保護澆注成圓坯，經過600°C均勻化處理，在400°C，採用熱擠壓成棒材，然後再經過580°C固溶淬火後，在200°C進行人工時效處理。導熱係數為大於250W/ (m*k)。
[0066]基管和翅片可以一體製造，也可以分體製造，基管和翅片也可以是不同的材料，例如基管是前面提到的鋁合金，翅片則可以採用其他合金，其中其他合金組成如下:
[0067]質量百分比如下Ni30%；Cr20%；A16%；C0.03%；B0.016% ；Co2% ；Ti3% ；Nb0.1%；La0.2% ；Ce0.2% ；Fe 餘量。
[0068]合金的製造方法為:通過在真空感應爐中按照電熱合金的成分熔煉澆注成錠，然後在1200°C -900°C將合金錠熱鍛成棒材，在1200°C _90(TC熱軋成盤材，再在室溫冷拔成不同規格的絲材。
[0069]經測試，上述合金具有很高的導熱係數。
[0070]所述基管5的管內部設置防腐層，基管的外部塗覆耐磨層，防腐層、基管以及耐磨層的熱膨脹係數依次增加。之所以如此設置是因為在供熱的過程中，翅片管的內部的防腐層先受熱，先膨脹，然後依次向外是第二層、第三層受熱膨脹，因此從內向外三層膨脹次數依次增加可以保證膨脹率基本保持一致，保證各層連接的緊密性和穩定性。
[0071]如圖3所示，所述散熱器還包括控制系統，所述控制系統根據室內溫度控制進入散熱器中水的流速。
[0072]所述控制系統包括:溫度傳感器(圖3中沒有示出)、流量控制器14和中央控制器13，流量控制器14控制進入散熱器的水的流速；所述溫度傳感器用於測量室內溫度，當室內溫度低於第一溫度時，流量控制器全部打開，當室內溫度達到第一溫度時，中央控制器控制流量控制器達到第一流速，第一流速要低於全部打開的流速，當室內溫度達到高於第一溫度的第二溫度時，中央控制器控制流速達到低於第一流速控制器的第二流速，當室內溫度達到高於第二溫度的第三溫度時，中央控制器控制流量控制器達到低於第二流速的第三流速，當室內溫度達到高於第三溫度的第四溫度時，中央控制器控制流量控制器達到低於第三流速的第四流速；當室內溫度達到高於第四溫度的第五溫度時，中央控制器將流量控制器關閉，阻止水進入散熱器。
[0073]第五溫度就是出於很高的溫度，例如25度以上，第一溫度就是較低溫度，例如15度以下。通過上述的設置，可以根據溫度控制散熱器的更熱量，達到節約能源的效果，尤其是下一步要發展根據熱量計費，因此必然會受到歡迎。
[0074]此外，可以設置溫度傳感器15、16用來測量進入和出去散熱器的水的溫度。
[0075]所述控制系統可以是一個單片機，可以設置控制面板，控制面板設置在散熱器的上部或者下部，也可以設置在進入散熱器的管道上。
[0076]所述防腐層是由塗覆防腐塗料生成，防腐塗料由如下成分組成:片狀鋅粉8.3%，氧化鋁為8 %，硼酸為7.3%，丙烯酸為0.7%，潤溼分散劑為0.4%，增稠劑為0.15%，消泡劑為0.23%，餘量的水。
[0077]—種製備上述水性防腐塗料的方法，該方法按照以下步驟實施，
[0078]a、按塗料總質量百分比，分別稱取一定量的水、0.4%的潤溼分散劑和0.23%的消泡劑，然後混合到一起，充分攪拌使之溶解製成塗料混合液Al，再向混合液Al中加入佔塗料總質量的8.3%的片狀金屬粉，攪拌均勻製成塗料混合液A2 ；
[0079]b、按塗料總質量百分比，稱取7.3%硼酸，組成混合液，加入到20%?40%的水中充分溶解製成無機酸混合液BI，再向
[0080]混合液BI中加入8%的氧化物粉，攪拌至無沉澱製成無機酸混合液B2 ；
[0081]C、按塗料總質量百分比，稱取0.7%的丙稀酸，加入到5%?15%的水中，充分攪拌均勻製成還原劑混合液C ；
[0082]d、按塗料總質量百分比，稱取0.15%的增稠劑羥乙基纖維素，加入到2.5%?15%的水中，攪拌至溶解呈半透明狀且無凝膠出現即停止攪拌製成增稠劑混合液D ;
[0083]e、將配製的無機酸混合液B2加入到塗料混合液A2中，然後加入還原劑混合液C配製量的1/5?1/2，邊攪拌邊加入增稠劑混合液D，再加入餘量的水，繼續攪拌30?90分鐘，直到塗料混合液均勻一致無團聚顆粒為止，最後再加入剩餘的還原劑混合液C，再攪拌10?40分鐘，即得。
[0084]該種塗料通過噴塗、刷塗、浸塗施塗於翅片管表面，80±10°C烘乾10?60分鐘，280±40°C固化燒結30?60分鐘，形成良好耐蝕塗層。
[0085]所述潤溼分散劑為平平加系列中的SA-20，所述的增稠劑選用羥乙基纖維素；所述的消泡劑選用磷酸三丁酯。
[0086]如圖1所示，在基管5的軸向上靠近上集管和下集管的部分沒有翅片。這樣可以保證下部的空氣能夠進入翅片之間形成的空隙中，同時從空氣上部出來，加強對流效果。
[0087]如圖4所示，基管5靠近下集管的部分的沒有翅片的部分的長度要大於靠近上翅片的沒有翅片部分的長度。主要因為是下部空氣面密度大，可以保證更多的空氣的進入，上部空氣密度小，空氣更容易上升，因此可以保持空氣進入和出去翅片管量基本保持一致。
[0088]優選的，下部沒有翅片的部分的長度佔基管5的長度的5%，上部沒有翅片的部分的長度佔基管5的長度的3%。
[0089]基管5的內壁可以設置翅片，例如可以設置直翅片或者螺旋翅片，所述翅片的高度可以隨著流體流動的方向上逐漸增大，最高的翅片高度是最低的1.05-1.1倍。主要原因是隨著流體流動的方向，流體的溫度逐漸下降，使其換熱效果逐漸降低，通過增加內部翅片的高度設置不同，可以增強流體流動方向上的換熱，從而使得換熱效果沿著流體流動方向整體上保持一致。
[0090]雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種封閉式結構的翅片管散熱器，包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設置在基管的外部並且第一翅片和第二翅片的延長線相交於基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設置第二連接片，第一連接片和第二連接片為圓弧型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述圓弧形金屬板的圓心所在的中心軸線與基管的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行。
2.根據權利要求1所述的翅片管散熱器，基管是鋁合金，所述鋁合金的組分的質量百分比如下:3.0% Cu, 1.9% Mg, 1.6% Ag,0.6% Mn,0.25% Zr,0.3% Ce, 0.23% Ti,0.38%Si，其餘為Al ； 翅片則採用其他合金，其中其他合金組成如下:質量百分比如下Ni30% ；Cr20 % ； A16% ；C0.03% ；B0.016% ；Co2% ；Ti3% ；Nb0.1% ；La0.2% ；Ce0.2% ；Fe 餘量。
3.根據權利要求2所述的翅片管散熱器，所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:
Sin(A/2)=aX (L/R)2+bX (L/R)+c
H/ (RX 10) =e X Sin (A/2) 2-f X Sin (A/2) +h ； 其中，A單位為角度，60° <A<110°， L的尺寸為mm, 12臟<L〈8Ctam， R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm， H 的單位為 mm, 800mm〈H〈1200mm， a、b、c、e、f、h為係數，a的範圍為0.04-0.042，b的範圍為0.266-0.28，c的範圍為0.36-0.37，e 的範圍為 21-23，f 的範圍是 44-45，h 是 23-25。
4.根據權利要求3所述的翅片管散熱器，其中a為0.0412，b為0.02715，c為0.03628，e 為 22，f 為 44.37，h 為 23.86。
【文檔編號】F28F1/14GK103542734SQ201310506940
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】邱燕, 柏超, 冷學禮 申請人:山東大學