CN110195994B - 一种高效复合双侧强化传热管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效复合双侧强化传热管，该强化传热管的两侧均经过强化。它的特点在于管内为内螺纹强化结构，管外相变侧的强化结构根据传热温差的变化而改变。该发明主要针对相变传热过程中，沸腾和凝结传热系数随热流密度的变化而变化的特点。管外加工不同的强化传热结构恰好适用于不同的热流密度区间。同时，本发明针对常见的热流密度范围，给出了不同的凝结和沸腾强化换热结构。该类型的传热管可适用于大温差的离心以及螺杆机中央空调，能够在更宽广的蒸发与冷凝温度范围内可靠地运行。也可适用于余热利用的热泵系统以及有机朗肯循环，如江水、海水源、污水源热泵，热电厂废热回收等。也可适用于夜间冰蓄冷的系统，可减小用电高峰时的电量，节省运行费用。
Description
技术领域
本发明属于强化传热管道技术领域，具体涉及一种高效复合双侧强化传热管。
背景技术
在制冷、空调、热泵、余热利用及冰蓄冷行业，蒸发器和冷凝器是机组系统中的关键换热部件。例如，在离心式水冷中央空调机组中，制冷工质在蒸发器内和水换热吸收水中的热量变成蒸气，离心压缩机从蒸发器中吸入蒸气并压缩，将低温低压的蒸气变成高温高压的蒸气，经压缩后的高温、高压蒸汽流入冷凝器后向冷却介质水散热变成高温高压的液体，再经节流阀降压，进入蒸发器进行下一次循环。冷水机组蒸发器可采用满液式或降膜式，冷凝器采用水冷冷凝器。换热器影响着整个制冷机组的运行效率，因此开发高性能的蒸发器和冷凝器是提高制冷、空调和热泵系统综合性能的有效途径。
卧式管壳式蒸发器和冷凝器中主要的换热元件为传热管，因此换热器的性能主要受制于换热管的综合性能。开发高效的换热管对于提高制冷空调热泵系统的效率有重要作用。
现有的强化传热管均采用机械加工扩展表面的方法。强化凝结传热，采用不同形式的低肋管，尽量减薄液膜的厚度以及及时排走液膜是强化凝结换热的主要手段。强化沸腾换热，则采用机械的方法在传热管表面加工成多孔结构促进汽化核心的生成。
目前，所有用于强化制冷剂高效换热的强化传热管，在同一根管子上均采用相同的强化换热结构，在热流密度差异大的使用条件下，整根传热管的换热系数较低，此技术已经发展近40年，换热系数很难再提高，即使只提高5％的难度也非常大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高效复合双侧强化传热管，提高了传热管的管外换热效率。
为达到上述目的，本发明一种高效复合双侧强化传热管，1、一种高效复合双侧强化传热管，其特征在于，传热管内为内螺纹结构，传热管分为n个强化段，n大于1，各强化段的强化结构根据相变换热过程中的热流密度设置，当传热管用于强化满液式沸腾和降膜式蒸发换热过程时：
当强化段为多孔管时，热流密度越大，强化段的对外开孔狭缝越大；
当强化段为肋管时，热流密度越大，相同肋高下，强化段的肋密度越小。
进一步的，强化段数量为2-5。
进一步的，对于用于强化满液式沸腾和降膜式蒸发换热过程的传热管，当热流密度为0-30kW/m2时，传热管的管外强化段采用对外开孔狭缝宽或孔径为0.01mm-0.1mm的多孔管；当热流密度为30kW/m2-60kW/m2时，传热管的管外强化段采用对外开孔狭缝宽或孔径为0.1-0.2mm的多孔管；当热流密度为60W/m2-80kW/m2时，传热管的管外强化段采用对外开孔狭缝宽或孔径大于0.2mm的多孔管。
进一步的，对于用于强化膜状凝结换热过程的传热管，各强化段的强化结构根据相变换热过程中的热流密度设置，当热流密度在0-40kW/m2时，传热管的管外强化段采用低肋管或三维强化传热管；低肋管的肋密度大于45fpi，肋高H为0.7mm～1.2mm；三维强化传热管的肋密度为38fpi-48fpi，肋高为0.5mm-0.9mm；当热流密度为40kW/m2-80kW/m2时，传热管的管外强化段采用肋密度大于45fpi且肋高度H为0.7mm～1.2mm的低肋管，不采用三维强化管。
进一步的，当热流密度在80kW/m2-200kW/m2时，传热管的强化段采用二维肋管。
进一步的，当热流密度大于200kW/m2时，传热管的外表面为平滑表面。
进一步的，传热管不同强化段的管内结构相同。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：目前，强化制冷剂沸腾和凝结换热均已进入瓶颈，自上世纪八十年代提出机械加工的强化传热结构之后，制冷剂相变换热强化技术还尚未有更大突破。本发明除针对强化相变换热具体结构的改进，同时也针对具体强化换热区间的优化。现有的强化换热结构即使换热得到10％的强化，在整个换热温差较大的区域表现也并非最优。因为相变换热过程和换热温差、热流密度紧密相关，换热温差大的地方换热好，但在换热温差小的地方不一定换热好。无论沸腾或者凝结换热，相同管型在不同换热区间表现出的特点也并不相同。换热效率随温差的变化而发生连续变化。如凝结换热过程，随着温差的减小，换热系数会呈增大趋势，而沸腾换热过程相反，在核态沸腾换热区间，换热系数随温差的增加而增加。然而，管壳式换热器中的关键换热元件换热管的换热系数均随换热的不断进行温差也在不断变化。现有技术中均没有考虑换热管随温差的变化而对换热结构的二次优化。针对同一根换热管无论温差大小，换热器长度不同均使用相同的换热结构，这种情况会造成换热器平均换热效率的下降。如能结合具体强化换热结构在换热温差不同的区域使用不同的换热结构，如沸腾传热管，在温差较大的区域使用适用于大温差(大于5℃)的换热管型；在小温差范围，即换热器换热进行的末端使用适用于小温差(小于2℃)的换热管型。同时对于相同温差范围管型的优化只针对很小的温差范围进行优化，此时优化的约束条件少，能最大限度提高管型在不同温差等级范围内的换热效率。本发明根据设计工况中热流密度的变化情况选择换热管型，不同热流范围采用不同的最优换热管结构，使换热器的换热效率达到最优。本发明的结构即以热流密度大小区间选择不同的强化沸腾和凝结换热的结构，从大到小，根据热流密度加工不同的强化翅片。将传热管的管外换热系数至少提高15％-35％。
进一步的，高效复合双侧强化管管外的强化段数目为2-5段，在提高管外传热系数的条件下，减小加工难度。
进一步的，当热流密度大于200kW/m2时，所述传热管的外表面为光滑表面，在此区间各管道的管外换热系数差别很小，所以选用结构简单的光滑表面，制造成本低。
进一步的，传热管不同强化段的管内结构相同，方便生产制造。
附图说明
图1为满液式蒸发器换热温差最大和最小端示意图；
图2为管壳式水冷冷凝器换热温差最大和最小端示意图；
图3为单一强化传热管；
图4为高效复合双侧强化传热管；
图5为第一传热管示意图；
图6为第二传热管示意图；
图7为第三传热管示意图；
图8为第四传热管示意图；
图9为不同强化结构不同热流密度下沸腾传热系数比较图；
图10为两段复合强化结构不同热流密度下沸腾传热系数示意图；
图11为不同强化结构不同热流密度下凝结传热系数比较；
图12为两段复合强化结构不同热流密度下凝结传热系数示例；
图13为典型沸腾换热管示意图；
图14为典型二维凝结或沸腾换热低肋管示意图；
图15为典型三维凝结换热低肋管示意图。
附图中：1、第一传热管，2、第二传热管，3、第三传热管，4、第四传热管，5、孔穴，6、第一翅片，7、第二翅片，8、凸起，9、凹槽，10、肋片，11、内螺纹，12、光滑段，13、强化段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
因在相变传热过程中，传热系数受热流密度的影响较大。如采用相同的换热管型，则进出口的换热系数也有很大不同。采用不同的强化传热管型恰好适用于不同的热流密度区间。对于常见的满液式蒸发器和管壳式水冷冷凝器，如附图1和图2所示，传热管进口温差最大，经过多个流程，随着换热的进行，换热温差逐步减小。换热器中存在着最大温差端和最小温差端，换热温差很不均匀，使用相同的管型其传热系数在不同的换热区间和工况下表现并非最优。
用于强化满液式蒸发换热的机械加工管型为凹穴沟槽管，凹穴沟槽管底部有相互连通相互作用的孔穴，该强化结构以增加汽化核心数目为主要目的。凹穴沟槽管的参数和具体设计的热流密度紧密相关。强化凝结换热主要以减薄液膜厚度为目的，常使用的强化结构如锯齿和针肋管等。但不同的结构在不同的热流密度下也有差异，热流密度大，液膜厚度大，使用相对较高的翅片以及肋密度较大的二维强化管可很好地强化凝结传热。在中等热负荷下，使用三维强化管可更好地强化凝结传热。可见，对于沸腾换热和凝结换热，热流密度都为换热过程的主要影响因素。不同的热流密度下，不同的管型的传热系数差异又较大。
正如前所述，同一个换热器中，如果进出口均使用相同的管型，则其换热性能并非能达到最优。对于常见的离心式冷水机组，一般制冷系统的制冷量在300-3000冷吨，中央空调冷水机组常规设计的进出水温差为5℃，某些实际工程采用8℃温差，很多大温差空调系统的温差变化更大。如3000冷吨离心机组使用的传热管可长达8m，两个流程其传热管水侧的流程总长度接近16m。系统运行过程中的工况变化差异较大。比如离心机组中冷冻水的最高以及最低出水温度之差常可达45℃，蒸发器内温度在-17-52℃变化，具体如表1所示。
表1蒸发器典型工况范围
| 蒸发工况 | 温度范围 |
| 饱和温度 | -15-20℃ |
| 冷冻水出口水温 | -15-25℃ |
| 冷冻水入口水温 | -15-35℃ |
冷却水最高进出口温度之差也接近70℃，对于常用的制冷工质R134a，冷凝温度-80-50℃摄氏度变化，具体如表2所示。
表2冷凝器典型工况范围
| 冷凝工况 | 温度范围 |
| 饱和温度 | -5-60℃ |
| 冷却水出口水温 | -10-50℃ |
| 冷却水回水水温 | -10-45℃ |
如该类型换热器用于余热回收，余热进口温度50-500摄氏度，系统的温度变化区间更大，如还是使用相同的强化传热管结构，则其效率不能达到最优。
用于满液式、降膜式的管壳式蒸发器和水冷冷凝器中一般均使用双侧强化传热管，该类型的传热管内部常加工螺旋状的肋片和外部的翅片以强化管内的单向强制对流和管外的相变换热。不同的多孔结构强化沸腾换热和孔穴的开口直径有很大关系，开孔为0.01-0.1mm但内部连通的传热管适合于在较小热流密度下减小起始沸腾点的壁面过热度；开孔为0.1-0.2mm的传热管在高热流密度下换热系数较高，因其可在较高的热流密度下很快排出产生的气泡而且孔穴结构蒸发所需液体可以快速补充。对于凝结传热管，热流密度大则凝结液膜厚度较大。表面三维强化结构如果肋片高度较小，在高热流密度下不利于凝液的排走，传热效果较差。在低热流密度下，肋片高度较大，肋密度较大的强化结构有利于减小在小热流密度下凝结换热管外液膜的厚度。不同的凝结液膜厚下，其强化换热的结构必然有一个较优的范围。本发明的结构即以热流密度大小区间选择不同的强化沸腾和凝结换热的结构，从大到小，根据热流密度加工不同的强化翅片。
如图3所示，鉴于目前广泛使用的单一强化传热管在换热管较长进出口温差差异较大的换热器中效率不高。本发明提出了如图4所示的高效复合双侧强化传热管，该传热管的特征在于传热管强化段的构成包括n段，n大于1。根据传热管的长度大小可选择n＝2，n＝3，n＝4……，对于不同的需求可选择不同的强化段数目。其中左右两侧光滑段12的长度分别为A和C。强化段13包括n段，n段长度可相同也可不同，长度分别为B1，B2，…，Bn。在加工过程中，不同强化段采用不同的成型刀具在胚管上滚刀挤压形成不同结构的肋片。对于提高满液式或降膜式沸腾换热，从加热水入口向加热水出口方向，最开始的结构有利于在热流密度较高时强化沸腾换热，随着换热温差的减小，选择在小热流密度下能更好强化沸腾换热的结构。为了减小加工难度，高效复合双侧强化管管外的强化段数目为2-10段。
从实验数据可分析该发明相对于单一强化管型的优势，如图5至图8为不同结构的强化传热管，其中图5和图6为强化沸腾传热而设计的机械加工表面多孔管,图5为第一传热管纵截面示意图，第一传热管1内壁为内螺纹，外壁为多孔结构(如图13所示)，第一传热管1的外壁开设有若干孔穴5，且所有孔穴相互连通。图6为第二传热管2的纵截面示意图；第二传热管2内壁为内螺纹，外壁为多孔结构，第二传热管2的外壁开设有若干孔穴，且所有孔穴相互连通。形成孔穴的第一翅片6上部设置有第二翅片7，第一翅片6上部设置有第二翅片7之间形成另一层孔穴。
图7为强化膜状凝结设计的第三传热管3，其外壁设置有若干凸起8，相邻凸起之间形成凹槽9，上述凸起8包括顶部为平面的凸起，顶部为类球形的凸起，和顶部为尖锐针状的凸起；图8为第四传热管4，第四传热管4是一根标准的二维低肋管，传热管4外壁设置有若干肋片10。
图9至图12中，横坐标为热流密度，纵坐标为换热系数。
图9为R134a制冷剂在第一传热管和第二传热管表面沸腾时传热系数随热流密度的变化关系。从图中可见，当在热流密度小于30kW/m2时，第一传热管的管外相变换热系数大于第二传热管的管外相变换热系数；当热流密度大于30kW/m2时，第二传热管的管外相变换热系数大于第一传热管的管外相变换热系数；将第一和第二传热管相结合，得到复合传热管，在热流密度小于30kW/m2时的区域，复合传热管为第一传热管的管型，在热流密度大于30kW/m2时复合传热管为第二传热管的管型，复合传热管的传热系数随热流密度的变化关系如图10所示。在较高热流密度下，传热系数较大，在较低热流密度下相对于其它管型传热系数依然较大。发挥了两种强化传热结构的各自优势。复合传热管的管外换热系数比第一传热管1的管外换热系数可高达38％，比第二传热管2的管外换热系数高20％。
同理，如图11为R134a制冷剂在第一传热管1、第三传热管3和第四传热管4表面凝结时传热系数随热流密度的变化关系。从图中可见，凝结换热时传热系数随热流密度的增加而减小，这是因为热流密度增大，传热管表面的液膜厚度也增大的原因。第一传热管1在低热流密度下传热系数较大，而在高热流密度下传热系数较小，其减小的幅度比第三传热管和第四传热管都要大。45kW/m2为其转折点，大于该热流密度时第四传热管的传热系数比第一传热管大。因此，将两种管型相结合，将其集成于同一根传热管，在不同热流密度下，则其传热系数如图12所示，在低热流密度下采用管型1，高热流密度下采用管型4，传热系数可得到优化，增加其换热过程不同热流密度下的平均传热系数，达到最优换热效果。冷凝管中，复合管的管外换热系数比第四传热管的管外换热系数高15％-20％。
一种高效复合双侧强化传热管，该强化传热管的内外两侧均经过强化，管内采用内螺纹强化强制对流换热，管外强化结构根据传热温差的变化而改变，采用不同的强化传热段。具体为：管内为内螺纹强化结构，管外根据相变换热过程热流密度的变化分为n段，各段之间强化结构不同；n大于1。根据传热管的长度大小可选择n＝2，n＝3，n＝4……。对于不同的要求可选择不同的强化段数目。强化段包括n段，各强化段的长度可相同也可不同，分别为B1，B2，…Bn。
具体的，对于用于强化满液式沸腾和降膜式蒸发换热过程的传热管，在热流密度较小(0-30kW/m2)的区域，采用对外开孔狭缝宽或孔径大小为0.01-0.1mm(直径di，如图13所示)，且底部连通的凹穴沟槽管；在热流密度较大(30-60kW/m2)的区域，采用对外开孔狭缝宽或孔径大小为0.1mm-0.2mm的凹槽孔穴管；在热流密度大于60kW/m2的区域，采用对外开孔狭缝宽或孔径大于0.2mm的凹槽孔穴管。
对于用于强化膜状凝结换热过程的传热管，在热流密度较小(0-40kW/m2)的区域，采用肋密度大于45fpi(每英寸管长加工45个肋片)，肋高H为0.7mm～1.2mm的二维强化肋片，如图14所示；或使用肋密度38-48fpi的三维强化传热结构，如图15所示，肋高H在0.5-0.9mm区间；在热流密度较大(40-80kW/m2以上)的区域，采用肋密度45fpi以上，肋高为0.6mm～1.2mm的低肋管，不采用三维强化管。
在热流密度在80-200kW/m2的区域，不论是强化池沸腾还是凝结换热，管内使用内螺纹，管外不采用三维强化传热结构，均采用二维低肋强化换热管。二维低肋强化换热管在该区间的管外换热系数大。
在热流密度大于200kW/m2区域，强化池沸腾和凝结换热，管外均不采用任何强化传热结构。在此区间各管道的管外换热系数差别很小。
本发明传热管的安装须明确换热温差最大和最小端(如图1和图2所示)。对于换热温差最大的区域布置适用于高热流密度的强化传热管型，对于用于强化满液式沸腾和降膜式蒸发换热过程的传热管选用对外开孔狭缝宽或孔径大小为0.1mm-0.2mm的凹槽孔穴管或对外开孔狭缝宽或孔径大于0.2mm的凹槽孔穴管；对于用于强化膜状凝结换热过程的传热管，采用肋密度45fpi以上，肋高为0.6mm～1.2mm的低肋管。
随着换热的进行，传热温差减小，在胚管表面加工适用于小热流密度下的传热管型，对于用于强化满液式沸腾和降膜式蒸发换热过程的传热管选用对外开孔狭缝宽或孔径大小为0.01-0.1mm，且底部连通的凹穴沟槽管；对于用于化膜状凝结换热过程的传热管，采用肋密度较高，大于45fpi，高度为0.7mm～1.2mm的二维强化肋片，或使用肋密度38-48fpi的三维强化传热结构。如果在传热温差变化大于5℃的工况，可选择较多段不同的强化结构。如果传热温差变化小于5℃，考虑到加工难度，可选择在传热管表面至少加工两段不同的强化传热结构，以适用于换热过程温差的变化。
该结构的传热管可适用于大温差使用的离心机中央空调，能够在宽广的蒸发温度与冷凝温度范围内可靠地运行。大温差中央空调系统可减小水流量，降低水系统管路的直径，选择更小型号的水泵，更好地节约水资源，使系统的运行费用大幅降低。也可适用于余热利用的热泵系统以及有机朗肯循环，这种类型的系统进出口温度可高达近80度，如江水、海水源、污水源热泵，热电厂废热回收等，进口热流密度最大，出口热流密度小。也可适用于夜间冰蓄冷的系统，可减小用电高峰时的电量，节省运行费用。
本发明应用于水和制冷工质换热的换热器，主要包括满液式蒸发器、降膜式蒸发器和水冷冷凝器。
以上内容描述了本发明的基本思路、主要特征和原理。从事本领域工作的人员应了解，本发明在不脱离其基本思想的情况下实施过程会有不同变化或改进，但都应落入本发明的保护范围之内。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高效复合双侧强化传热管，其特征在于，所述传热管管内为内螺纹结构，传热管管外根据相变换热过程中的热流密度分为n个强化段，n大于1，当传热管用于强化满液式沸腾和降膜式蒸发换热过程时，
强化段为多孔管，热流密度越大，强化段的对外开孔狭缝越大；
当热流密度为0-30kW/m2时，传热管的管外强化段采用对外开孔狭缝宽或孔径为0.01mm-0.1mm的多孔管；当热流密度为30kW/m2-60kW/m2时，传热管的管外强化段采用对外开孔狭缝宽或孔径为0.1-0.2mm的多孔管；当热流密度为60W/m2-80kW/m2时，传热管的管外强化段采用对外开孔狭缝宽或孔径大于0.2mm的多孔管。
2.根据权利要求1所述的一种高效复合双侧强化传热管，其特征在于，强化段数量为2-5。
3.一种高效复合双侧强化传热管，其特征在于，所述传热管管内为内螺纹结构，传热管管外根据相变换热过程中的热流密度分为n个强化段，n大于1，强化段为肋管，热流密度越大，相同肋高下，强化段的肋密度越小；各强化段的强化结构根据相变换热过程中的热流密度设置，当热流密度在0-40kW/m2时，传热管的管外强化段采用低肋管或三维强化传热管；所述低肋管的肋密度大于45fpi，肋高H为0.7mm～1.2mm；所述三维强化传热管的肋密度为38fpi-48fpi，肋高为0.5mm-0.9mm；当热流密度为40kW/m2-80kW/m2时，传热管的管外强化段采用肋密度大于45fpi且肋高度H为0.7mm～1.2mm的低肋管，不采用三维强化管。
4.根据权利要求3所述的一种高效复合双侧强化传热管，其特征在于，当热流密度在80kW/m2-200 kW/m2时，传热管的强化段采用二维肋管。
5.根据权利要求3所述的一种高效复合双侧强化传热管，其特征在于，所述传热管不同强化段的管内结构相同。
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