用于单相流的传热管的制作方法

专利名称:用于单相流的传热管的制作方法
本发明与一些设备中的热交换器上的传热管有关，这些设备包括空调机、冰箱等;本发明还与这种传热管的生产方法有关。本发明中的传热管特别适用于管内的单相流与在管外流动的流体之间的热传递。
空调机及冰箱的热交换器上都装有传热管，这些成熟的技术已为众所周知。到目前为止，已提出了多种类型的传热管，其中的一些传热管有平滑的内表面，而另一些传热管则有二维或三维的、经过机械加工的内表面。例如，在美国专利No.3768291中出示了一种在内表面上带有二维肋的传热管;而在美国专利No.3830087的说明书上介绍了另一种传热管。这种传热管的主要制作过程如下首先用一个伸入到管内的旋转头在未加工的内壁面上开一道槽，以形成基本肋，然后再加工出第二道槽，从而在管的内表面上形成三维凸块组。
在流体的单相流动的条件下，这些具有二维或三维机加工内表面的传热管会带来下列问题，即由于在管道内表面上的凸块的边缘是尖锐的，而不是圆滑的，流体在绕过尖锐的弯角或边缘时就会生出分离涡流，结果在传热管的入口端与出口端之间会造成较大的压力降，这就需要用较大的动力来驱使流体从传热管流过。另外，流体在垂直于流线的肋表面上趋于滞止，致使流体的运动能量转为冲击压力，在长期的使用过程中，这一压力会引起肋块的磨损。因而肋块的高度和形状均发生逐渐的变化，而不能保持最佳的设计高度和形状，使传热性能有所下降。
另外，用旋转头来制造出肋的工作是比较麻烦的，这需要开一道基本槽，还需要开第二道槽，因而提高了传热管的生产费用。
本发明的目的是要提供一种用于单相流的传热管。这种传热管具有高传热率，而且其传热表面的结构具有高耐久性。本发明还要提供一个用较低费用就可生产这种传热管的方法。
为此目的，本发明提供了一种传热管。这种传热管的内表面上有许多凸块;在每个凸块的底部和任意指定的高度上，凸块有由圆形、椭圆形或其它平滑曲线构成的横截面;这些凸块沿着螺旋线有规则地排列着。
图1是按照本发明的具体内容而构成的传热管的纵剖面图。
图2是本发明中的传热管的一个基本部分的放大视图。
图3A、3B、3C和3D是不同具体结构的平面图。
图4A、4B、4C和4D分别是图3A、3B、3C和3D所示结构的剖面图。
图5和5A是本发明提出的生产方法的示意图。
图6是本发明中的传热管的工作特性示意图。
图7是本发明中的传热管的局部剖视图。
图8是热交换管的一个正视图。
图9至图11及图14至图17均是实验数据的表示图，这些实验是用本发明中的传热管来做的。
图12和图13及图18和图19均是用来表示凸块间距与传热率之间关系的示图。
图20和图21表示了一个应用本发明的热交换管的实例。
图22和图23是图20中所示结构的特性图。
图24是图20中所示结构的一个应用示例图。
下面参照图1和图2说明本发明中的一个具体实例。本发明中的这个传热管实例有内表面1，在这个内表面上沿着螺旋线4排列着许多凸块3，从凸块平面图上可看到凸块可有如图3A所示的圆形32，如图3B所示的椭圆形34、如图3C所示的非对称形36和如图3D所示的长圆形38。虽然凸块的横截面积是由底部到顶部而逐渐减小的，但凸块的横截面形状却几乎是不变的。如图4A、4B、4C和4D上所示凸块的纵剖面也是由平滑曲线构成的。图3A至3D中的图形仅是示例性的，凸块可有任意指定的、与图中示例相似的形状。
下面说明本发明所提供的这种传热管的加工方法。
图5表示一个加工方法的实例，所用的机器上有一个旋转支架50支架中有个用于安放料管的孔，还有三个能抱住料管的、可转动的滚轮52，52及54。其中的两个滚轮52具有平滑的外圆周表面，而滚轮54则是在周面上有齿40的齿轮状轮。当用适当的动力驱动支架50做围绕料管的转动时，齿轮状轮54上的齿40将用力压迫料管壁，并使其塑性变形，从而在料管的内圆周表面上形成向内的凸块3，可以看出凸块3在料管的0-0′轴方向上的间距是由齿轮状轮上的齿的安装角度决定的，轮54上的齿40的轮廓应能使凸块3依照齿40上弯弧的形状形成圆滑的拐角。
料管外表面上与凸块3对应的凹坑的间距等于齿轮状轮54上的齿40的周向间距，因为轮54能在一定的压力下压进料管，所以可以用控制这一压力的方法来调整凸块3的径向高度。如果轮54在垂直于管轴的方向上转动，则凸块3便按独立的环形排列。然而，如图1所示，如果在轮54转动的同时，使料管1沿轴向推进，则凸块3将会沿螺旋线排列。尽管沿轴向推进料管、同时保持支架50不动的方法是更为实际的，但使支架50以螺旋方式推进的方法也有同样的效果。在相邻两排凸块之间的表面是平滑的。一些加工了的表面能促进管外流体的沸腾和凝结，但因难以对料管外表面上形成的凹坑做精细的加工，所以只有相邻两排凹坑之间的平滑区域才是能用于促进传热的有效面积。为了在管的外表面上准确地进行所需要的机械加工，应使位于相邻两排凹坑之间的管子外表面与管轴平行。可以看出位于平行于管轴的平滑面之下的管内表面部分自然会与管轴平行。
图5A示意性地表示了在上述加工方法中用到的齿轮状滚轮。可以看出能用改变β角的方法来改变凸块的周向间距Z。β角是滚轮54上的两个相邻齿40的对应边缘在轮心处形成的夹角。所选取的齿高h应大于管子外表面上的凹坑高度。在一实例中，齿轮状滚轮54的外径D为33mm到35mm，齿高h为0.45mm到0.8mm，角β为10°到20°，齿宽W为1mm。使用上述齿轮状滚轮可得到具有下列参数的传热管，管内凸块高e为0.45mm到0.6mm，周向间距Z为2.5mm到5mm。
外径D的变化自然需要角β也有所改变。如果让齿轮状滚轮54相对于管轴倾斜5°-20°，凸块的轴向间距就可在5mm-14mm的范围内变化。
在如图5所示的示例中仅有一个齿轮状滚轮，结果所形成的凸块3将沿一条螺旋线排列。但本发明不排除使用多个齿轮状滚轮54的可能，在这种情况下，能使凸块3沿多条螺旋线同时做出。使用多个齿轮状滚轮，能有效地减少做出多排凸块所需要的步骤，但是这种选择要靠凸块的周向间距和凸块排的轴向间距决定。
无论如何，按照本发明所描述的加工方法，总可得具有多排凸块3的传热管。每个凸块都有基本上是圆滑连接的横截面形状和由拱形突起组成的纵断面，这个纵断面要包括凸块排的轴线。
在一个实例中，凸块有椭圆形的横截面，其长轴在2mm-5mm之间、短轴在1.5mm-3mm之间。
凸块的排可用下列形式构成可使具有圆形底部的锥形凸块独立地突出于管子内表面的基面;也可使同一排中的两相邻凸块之间的部分也突出于管子内表面的基面。
图6示意性地描述了在管中不发生相变的单相流的流线。可看出在管道轴心部位中的流线60基本上是沿管轴方向直线前进的。而靠近管道内表面处的流线61却被凸块所偏转，结果当这些流线从相邻凸块之间的部位流出时，形成了垂直涡流，涡流的轴线与管轴方向平行。
如图7所示，从纵断面上看去，本发明中的传热管内表面上的凸块有光滑平缓的曲率，这不会引起流线方向的突然变化。所以，由流体附着管壁而引起的剪应力的作用小，有助于削弱由剪应力引起的管壁振颤。还应该指出因为凸块的横截面也有光滑平缓的形状，流线的突然偏转和由脱离所引起的涡流均被抑制，可使由液流作用引起的振颤减至最小。
为了核定传热管的抗腐蚀性，在表1所示的条件下做了强化腐蚀的试验，其结果如表2所示。
表1 腐蚀试验条件流速 2米/秒水温 40℃PH 5.0Cl 600ppm试验周期 30天表2 腐蚀试验结果凸块形状 腐蚀率(mm/年)二维(连续的凸块) 0.56三维(角形凸块) 0.77三维(圆形凸块) 0.54从表2可以看出与三维角形凸块相比，圆形凸块能延缓腐蚀，而且它的腐蚀率能与具有良好抗腐蚀性的、带有二维凸块的传热管的相同，这样如表2所示的、带有圆形三维凸块的传热管的腐蚀率在实际上是可以接受的。
下面对本发明中带有圆形凸块的传热管的性能作一说明，为了验证本发明的结果，做了改变凸块的高度、凸块的周向间距和轴向间距的实验。上述参数均对传热管的性能有影响。用于实验的传热管的内径d的范围为14.7mm至15.8mm。
图9示出了轴向间距P为7mm，周向间距Z为4mm，凸块高度e分别为0.45mm(标为△)、0.5mm(标为△)、0.6mm(标为口)几种条件下，传热率和压力降的值，图9中的横轴表示雷诺数，摩擦系数f表示沿管道的阻力系数，众所周知，雷诺数Re由下式给出Re＝u·d/ν式中，u表示管中流体的平均流速(m/S)，d表示管的内径(mm)，ν表示流体的运动粘性系数(m2/S)。
纵坐标轴表示无量纲传热率Nu/Pr0.4，它可由下式计算Nu/Pr0.4＝αd/λ/Pr0.4式中，α表示传热系数(W/m2K)，λ表示流体的导热系数(W/mK)，Pr表示流体的普郎特数。
使用一个对比管做了对比试验，对比管有未经任何机加工的平滑内表面，对比管的传热率十分接近由式Nu＝0.023Re0.8Pr0.4(见曲线A)所给出的值，这个式子被称为“Diltus-Boelter”公式。对比管的摩擦系数十分接近由式1f=2.0log(Ref)-0.8]]>(见曲线B)所给出的值，这个式子被称为Prandl′s方程”。为了使图面清楚，由对比管测得的传热率和阻力系数均未在图9上示出。对比管的内径为15.8mm，可以看出本发明中凸块高度为0.5mm和0.6mm的传热管试样所示的性能要比具有平滑表面的对比管的高一倍。
从图9还可看出当凸块高度e增加时，摩擦系数的增加率大于传热系数的增加率。所以，当凸块高度e高过一预定的极限值时，由压力降引起损失的作用要超过传热率增加所起的作用。确切地说，在如图9所示的情况下，当凸块高度超过0.5mm时，因为随着传热率的少量增加会有摩擦系数的大幅度增加，增加传热率的效益大为消弱。从这一事实可知对图9所示的传热管，取凸块高度为0.5mm时为佳。
为了证实本发明的上述优越之处，可以查阅一份有关传热率和摩擦系数的评价方法的权威性参考文献。
这类文献中的一个例子是“热交换器设计中粗糙表面的应用”。该文由R.L.Webb和E.R.G.Eckert所写，发表在1972年出版的第15卷《国际传热和传质杂志》中的第1647-1658页上。在这篇文献中，给出了一个与传热率和摩擦阻力有关的准则，它可被表示如下((St/St0))/((f/f0)13)式中下标O表示该值是从具有平滑内表面的管上获得的。
通过计算上式的各比值，能做出有关评价，在管有平滑内表面的情况下，各比值均等于1。在传热性能有所改进时，上式给出的值也有所增加，图9中所示的实验数据是在水流速度为2.5m/S，雷诺数Re为3×104的条件下获得的，雷诺数是按使用了本发明传热管的冰箱中的水温计算的。图10示出了与凸块高度有关的准则式的对应值。
从图10可看出当凸块高度约为0.5mm时，能有最好的性能，而当凸块高度超过0.5mm或低于0.5mm时，性能逐渐下降，最佳的凸块高度与靠近管壁的流体的边界层有关，尽管一些因素(如管径)的变化能使最佳高度值有些小差异，但仍可近似地认为这一高度是常数，在图10中，纵坐标的值是由准则式计算的，记号D指向的值为1.43，这一数值是对一个带有二维肋(e＝0.3mm，P＝4mm)的已知传热管进行计算而得到的，这种传热管在美国专利NO.3，768.291中有所介绍。这样，当凸块高度的值在0.45mm和0.6mm之间时，本发明中的有三维凸块的传热管的性能就会超过D＝1.43时的水平，而这一水平正是上述已知二维凸块传热管所具有的。
为了考虑凸块的周向间距对传热性能的影响，下面对由模型试验得出的结果做些说明。
图11示出了由测量得到的传热率和摩擦系数，测量时选用了三个不同的凸块周向距离Z(Z＝2.5mm时，记为△;Z＝4mm时，记为0;Z＝5mm时，记为口)，而凸块轴向间距离和高度分别保持为7mm和0.45mm。从图11可以看出当周向间距Z为4mm时，传热率比周向间距Z为2.5mm时的要高。还可看出当周向间距Z为2.5mm时，摩擦系数比周向间距为4mm时的要大，这些事实说明当周向间距Z为4mm时，传热性能比周向间距为2.5mm时的高。
如图12所示，当周向间距Z为2.5mm时，相邻的凸块5基本相连，结果在相邻凸块之间不再存在间隙C，所以，在这种情况下，从相邻凸块之间而来的流线产生的垂直涡流6(见图13)的尺寸不大(在图12中示为7)。从而，较小的周向间距Z使得三维凸块的特性接近二维凸块的特性，以至传热性能也与带二维凸块的传热管的相近。在图11中，在从带有三维凸块的传热管上所测得的值之中，混有一组从带有二维凸块(P＝7mm，e＝0.5mm)的传热管上测得的值，这组值用记号◇来标记，并用间断线将它们连接起来，由图11还可看出以下趋势较小的周向间距Z使得压力降增加，结果它接近二维凸台所具有的值。
当周向间距Z为4.5mm时，其旋转轴平行于流动方向的垂直涡流6从相邻凸块之间射出，使传热加强，在使用二维凸块的情况下，流线在越过二维凸块时发生脱离，并在凸块的下游区域重新附着到管面上，流线的重新附着可以使传热加强。相比之下，在使用三维凸块的情况下，由于垂直涡流引起传热的加强，结果与使用二维凸块的情况相比流动能量得到了更有效地利用。在此例中，相邻凸块之间的间隙C是1mm，而且每个凸块的长度b是3mm，在间隙C增大到一定量的时候，就不再产生能有效地促进传热的垂直涡流，促进传热的作用也不再那样高，参见图11可知，当周向间距Z为5mm时(记为口)，传热率的增加要比Z为4mm时的小，这说明间隙C的增加使传热率下降。
在这种情况下，还用准则式(St/Sto)/(f/f0)12]]>对试验数据来做出评价，其结果表示在图14上。从图14可看出当周向间距Z为4mm时，传热性能最高。D所指定的值是从二维肋(e＝0.5mm，P＝4mm)处获得的。这个值说明三维凸块具有较高的促进传热的作用。确切地说，当周向间距Z的值在3.5mm到5mm的范围内时，三维凸块比二维凸台有更好的作用，所以取这一范围作为合适的周向间距范围。这里表示二维凸块的作用的值是对带有二维肋的传热管的实验数据做计算而得出的。
为了考察轴向间距的影响，选取三个不同的轴向间距值来做实验，三个间距值分别为5mm，7mm，10mm;实验时保持肋高e和周向间距Z分别为0.5mm和4mm。实验结果表示在图15上，更准确地说，图15上表示了在轴向间距分别为5mm(标为
)、7mm(标为△)和10mm(标为口)时的传热率和摩擦系数。可看出传热率和摩擦系数均随轴向间距的增加而增加。在上述情况下仍用准则式(St/Sto)/(f/f0)12]]>来评价实验值，其结果表示在图16上。从这图上可看出当轴向间距为5mm或7mm时，由上式得到的比值基本相等;而在轴向间距为10mm时，由上式得到的比值大为减小。这可归结于以下原因(参见图17a和17b)，由于三维凸块3产生的涡流使得传热加强，结果当下一个凸块位于涡流扩散并消失的长度之内时(如图17a所示)，传热管能保持高传热性。当凸块是二维的时候，凸块到涡流消失点的长度约为凸块高度的10倍，即当凸块高度为0.5mm时，长度L为0.5mm×10＝5mm。从而表示在图17a上的长度L应为5mm左右。这样，当轴向间距在5mm和7mm之间时，可获得高性能。然而，当轴向距离为10mm时，间距P大于长度L(如图17b所示)，在这种情况下，涡流不能达到下一个凸块而在中途消失了。结果造成了大面积的无涡流区，使促进传热的作用减小，在图16上，D指向一个值，这个值是利用带有二维肋的传热管的实验数据通过公式(St/Sto)/(f/f0)12]]>算出的。轴向间距可优先在5mm到9mm之间的范围内选择，因为在这一范围内，传热性能高于D值所表示的量，而且传热管的制造也容易些。
基于实验数据，已讨论了凸块的合适尺寸，并已证实为了获得传热性能的较好的改进效果，凸块的高度、周向间距和轴向间距应分别在0.45mm至0.6mm、3.5mm至5mm和5mm至9mm之间选择。
从各行圆形凸块之间流过的流线的类型随着凸块排列的不同而有变化，例如，图18示出的是凸块3交错排列的情况，在这种情况下，该线90在从相邻凸块之间流过之后，与下游的凸块相撞，可加强对传热的促进作用。然而，如图19所示，当凸块3规则地排列成格状结构时，凸块3的下游流线100中的涡流在其能量被扩散之前，便会与下游的凸块相碰撞，致使促进传热的作用受到抑制。另外，从相邻凸块之间的空隙通过的流线是直线，并且它与管轴平行，这并不有助于促进传热，由于这个原因，最好将凸块排成交错形式。
对于传统的带有连续折皱内表面的传热管，即带有二维肋的传热管，如图11所示，虽然它的传热效果很好，但是压力降却相当高，最好使压力降小些，因为有大压降就需要用较大的泵功率来使液体循环，对于本发明中的传热管，在给定的热负荷的情况下，传热率的增加允许传热面积有所减小，结果压力降的相应降低能够补偿由摩擦系数的增加带来的性能下降。
由于管径对靠近管壁处的湍流生成的影响不大，所以可用内径约为10到25.4mm的管子来制造本发明中带有三维凸块的传热管。
显然，本发明中的传热管也可有一个促进传热的、合适的外表面结构，按下列方法可得到一种具有促进传热的外表面的具体结构。
首先，用滚轮在料管外表面上滚动的方法来在料管的内表面上做出凸块，料管外表面上的凹坑是为做出内表面上的凸块而形成的，所以难以出于增进传热的目的来对这些凹坑做出精细的加工，因此有必要在管子外表面的一些部位上做出促进传热的结构，这些外表面部位是平行于管轴的，并且没有凹坑。本方法的下一步工作是如图20所示，在管子外表面上的没有凹坑的平滑区域207处，构造出多孔传热表面208，这种多孔传热面能有效地促进沸腾传热。在图20中，标号230指的是在做出内表面上的凸块时产生的凹坑。
在做出料管内表面上的凸块之前，可先对料管的外表面做能促进传热的精细加工，然而，在这种情况下，在加工内表面上的凸块时，为促进传热而做出的外表面上的结构会被作用于外表面上的滚轮所毁坏，因此，在上述情况下，要在做出了内表面上的凸块之后，再对外表面进行精细的加工。
一个对外表面做精细加工的例子是按下列步骤进行的，第一步是，用滚花刀滚出0.1到0.2mm深的浅槽，浅槽与管轴成45°角。然后用基本与管轴垂直的刀具在滚过的表面上开槽，以做出肋212，最好能使肋212的高约为1mm，而肋距约为0.4mm到0.6mm。这样，在料管的平滑外表面上形成数排锯齿状的肋，接下去，可用滚压等方法使肋躺倒或折叠，结果相邻的肋互相靠得更紧。借此能得到如图20中所示的多孔结构208，这个结构中有小空腔209，小空腔有位于相邻肋之间的、通向外面的开口。这样加工出来的管子的外表面如图21所示。
在使用这种传热管的过程中，水在管内循环流动，同时氟里昂气体在管外流动。氟里昂是一种具有低沸点的有机介质。在壳一管式换热器中极有可能使用这种传热管，这种换热器中有许多排列在一个筒状容器中的传热管，这种传热管还可用作涡轮冷冻机的蒸发器。在这种情况下，管子里的水的温度通常比管外氟里昂的温度高约5-10℃，由于凸块的存在，管内的水流是有旋涡的，这种涡流产生于靠近内管壁的区域。这种管中的管内表面与水之间的热交换与管内表面平滑的管子相比是更加有效的。
另一方面，在管外流动的氟里昂沸腾并产生气泡，这些气泡一旦产生便被小空腔所收集，结果在气泡与空腔表面之间形成了一层氟里昂膜。这层氟里昂薄膜易于蒸发，因而能利用被称作潛热传输的现象来促进传热。
图22表示了传热管上的凸块间距P的影响，该传热管如图21所示，在此假定凸块的高度为0.3mm。由图可知，在一定的范围内，间距P能提供高传热效率，即当间距P大时，在管的外表面上留存的平滑面积也大，因而可在较宽的区域内加工出能促进传热的多孔结构，这就使得在管子外表面与管外流动介质之间的传热也能相应加强。
另一方法，增加内表面上的间距P便增加了在管的内表面附近的、涡流70不起作用的区域，这些涡流是由凸块3引起的，因此，传热率急剧下降。在这种情况下，由管内的强迫对流所传送的热量的减少量超过传出管外的热量的增加量，结果在间距P超过一定的值之后，管的总传热效果急剧下降。另一方面，当间距P下降到某一定值以下时，能利用涡流来促进传热的管内表面不再增加，结果实际上也得不到由管内的强迫对流引起的传热效率率增加。另外，较小的凸块间距P使管外表面上对传热有促进作用的多孔结构的面积也小很多，至使在管外表面上的沸腾传热下降。结果，当间距P降到某一值以下时，总的传热率降低。
由于这些原因，所以只有在凸块间距P的值在一给定的范围内时，传热管才有较高的整体传热率。对于如图22所示的结构，最佳值的范围是5mm-15mm。
本发明的传热管可用于壳一管式热交换器。如图24所示，这种热交换器可按下述步骤来制造扩张管的两端215;加工出凸块;将管子插到端板216上相应的孔中;使管的端部扩张，以便将管固定在端板上。如果管子的两端不留直段，则不能用传统的拉拨的方法做出凸块。所以，在应用传统的方法时，首先在管的内表面上做出凸块，然后将管两端的凸块切削掉，使管的两端有平滑的表面，最后扩张管端。这样，本发明的传热管还有利于减少总装壳一管式热交换器的步骤。
权利要求
1.用于单相流动的传热管，在这种传热管的内表面上沿一条或多条螺旋线，排列着一排或多排凸块，每一排都是由许多互不相连的，独立的凸块组成，管的内表面上，处于相邻凸块排之间的那些部分是平行于管轴的表面，这种传热管的特点是每一个凸块在其高度上的任何一处，包括它的底部都有一个由圆形或椭圆形或类似形状的平滑曲线构成的横截面，凸块的横截面积由其底部到其顶部逐渐减少。
2.如权利要求
1中所提出的，用于单相流动的传热管，其中提到的凸块的高度为0.45～0.6mm，周向间距在3.5～5mm的范围内。
3.加工带有一排或多排凸块的，用于单相流动的传热管的方法，这些凸块是在管的内表面上沿一条或多条螺旋线，经塑性加工而形成的，每排上都包含许多互不相连的、独立的凸块，相邻的凸块排之间的管内表面是平行于管轴的，所提出的加工方法包括用一种滚轮装置辘压料管的外表面，这种滚轮的外圆周面上有互不相连的、独立的凸块，以便在料管的内表面上形成相应的沿径向向内的凸块。
4.如权利要求
3中提出的，对用于单相流动的传热管的加工方法，其中提到的滚轮装置至少包括一个用于固定上面所提到的料管的滚轮，并至少包括一个齿轮状轮，要使这些用于固定料管的滚轮和齿轮状轮在料管的外表面上、绕料管轴进行滚压，从而在料管的内表面上形成一排或多排凸块。
专利摘要
一种用于单相流的传热管，在其内表面上沿着一条或多条螺旋线排列着数排不连续的凸块。每个凸块在其任意指定的高度上(包括底部)都具有圆形、椭圆形或类似的由平滑曲线组成的横截面。凸块的横截面积由其底部向顶部逐渐缩小。
文档编号B21D53/06GK85104710SQ85104710
公开日1986年12月24日 申请日期1985年6月19日
发明者桑原平吉, 高桥研二, 柳田武彦, 恒 中山, 杉本滋郎, 清 大泉 申请人:株式会社日立制作所, 日立电线株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan