具体实施方式
以下基于附图对本发明的优选的实施方式进行具体说明。
(传热管的整体构成)
在图1中,表示整体的符号1,表示该实施方式的典型的传热管的整体构成。该传热管1,作为构成热交换器的水管来使用,在流动于传热管内面的水和流动于传热管外面的制冷剂之间进行热交换。图示的传热管1,例如可以很好地作为自然制冷剂热泵式供热水机的水—制冷剂热交换器用的传热器来使用。
该传热管1的内表面,如图1所示,通过将翅片2a在整个管轴线Ta方向形成为螺旋状从而具有螺旋凹状的内表面槽2b。而在传热管1的外表面,在同一线上相邻形成有具有不同于内表面槽2b的倾斜角且螺旋状连续并呈尖端收缩状的波纹槽3、和呈独立矩形凹状的多个凹陷槽4,其管壁的截面具有弯曲波形状。在传热管1的内表面上,还突出形成有分别与波纹槽3及凹陷槽4相对应的、尖端收缩状的波纹突起5和矩形的凹陷突起6。该凹陷槽4和凹陷突起6构成的槽的螺旋方向位置,每隔一个间距而形成。
这里,将未实施凹陷加工的内表面带槽传热管称作内表面带槽波纹管,对于图示的传热管1,由于传热管内表面的基本形状为内表面带槽波纹管,凹陷与波纹的组合从正面看具有T字形状,因此将图示的传热管1称作内表面带槽T字波纹管1。另外,将波纹槽3及波纹突起5称作波纹。
在将内表面带槽T字波纹管1的波纹槽3和管轴线Ta所成的角度设为波纹螺旋角βc时,则波纹螺旋角βc取得的值在0°<βc<90°的范围内,但是其螺旋角βc优选40°以上且不足90°的高扭转形状。更优选40°≤βc≤82°的范围。而在将内表面槽2b和管轴线Ta所成的内表面槽螺旋角设为θ时,则内表面槽螺旋角θ取得的值为0°<θ<90°,但是其螺旋角θ优选满足βc>θ的条件。这样,能够促进流体的湍流化。
在该内表面带槽T字波纹管1中,如图1所示,将内表面槽2b的翅片高度设为Hf,将内表面带槽T字波纹管1的最大内径(以下称作“波纹最大内径”)设为ID,将波纹槽3的深度(以下称作“波纹深度”)设为Hc,将内表面带槽T字波纹管1的外径(以下称作“波纹外径”)设为OD,将内表面带槽T字波纹管1的末端平滑部的壁厚(以下称为“波纹壁厚”)设为Tw时,则优选为满足下述(a)~(c)的条件。根据该构造,作为内表面带槽T字波纹管1,可得到良好的传热性能(以下也称作“性能”)。
(a)0.022(30.7×(Hc/OD)+1.13)(-0.5)≤(Hf/ID)≤0.035
(b)0.04≤(Hc/OD),及
(c)OD=2Tw+ID
将图示的凹陷的间距设为Pd时,更优选为满足0.5≤(Pd/OD)≤1的关系。通过使该凹陷与波纹邻接,相对于水的流动方向即管轴线方向,凹陷与波纹所成的T字形状周期性出现,所以可反复发生前缘效应从而使传热性能大幅提高。
波纹壁厚Tw和波纹间距Pc虽然没有特别限定,但是优选为满足例如0.4mm≤Tw≤1.7mm、以及3mm≤Pc≤10mm的关系。作为内表面带槽T字波纹管1的材质,虽然没有特别限定,但是,考虑到热传导系数和机械强度而优选使用铜或铜合金、或者铝或铝合金。
图2表示雷诺数Re为2000时的波纹深度Hc和波纹外径OD的比(Hc/OD)与对于平滑管的传热性能比的关系。波纹外径为9.52mm、波纹间距Pc为8mm、条数为一条。从图2可知,若(Hc/OD)不足0.04,则传热性能急剧下降。因而优选满足0.04≤(Hc/OD)的关系。
图3表示雷诺数Re为2000时的波纹深度Hc和波纹外径OD的比(Hc/OD)与压力损失(对于平滑管的管摩擦系数比)的关系。该管摩擦系数是用ΔP=λ×L/de×(ρv2)/2的关系式规定的无量纲数λ,可以看作是抵消了流道面积或流体流速等的影响后的压力损失的指标。这里,ΔP表示内表面带槽T字波纹管1的压力损失、L表示内表面带槽T字波纹管1的长度、de表示与内表面带槽T字波纹管1相称的直径(4×流道面积/濡湿边缘长度)、ρ表示流体的密度、v表示流体的流速。
从图3可知,若波纹深度Hc和波纹外径OD的比(Hc/OD)不足0.04,则管摩擦系数比,即压力损失也与图2所示的传热性能比同样地急剧下降,不能促进湍流。另外还可知,若(Hc/OD)达到0.04以上,则管摩擦系数比持续增加。进而从图3可知,若(Hc/OD)超过0.1(0.1<(Hc/OD)),则管摩擦系数比(压力损失)超过传热性能,例如,在(Hc/OD)=1.1时,相对于传热性能比4.3,管摩擦系数比为4.5。因此,优选满足0.04≤(Hc/OD)≤0.1,能够得到压力损失低且性能高的内表面带槽T字波纹管1。
(内表面带槽T字波纹管的制造方法)
作为内表面带槽T字波纹管1的内表面槽2b的制造方法,可采用一般的内表面带槽管的滚轧成形加工。作为其中的一个例子,例如,通过一边将未图示的凹凸形成用的圆板状圆盘在相对于管轴线Ta倾斜的状态下对原管的内表面连续挤压,一边使其在旋转的同时在原管的内表面内公转,并按照规定的速度将原管抽出,从而能够形成螺旋状的内表面槽2b。当然,通过改变圆板状圆盘的形状、旋转速度、传热管的抽出速度等,能够形成为各种加工图案。
作为内表面带槽T字波纹管1的波纹(波纹槽3及波纹突起5)和凹陷(凹陷槽4及凹陷突起6)的制造方法,可采用一般的波纹管的滚轧成形加工。作为其中的一个例子,例如,通过一边将具有与波纹及凹陷相对应的凹凸形成部的未图示的圆板状圆盘在相对于管轴线Ta倾斜的状态下对原管的内表面原管的外表面,一边使其在旋转的同时在原管的外表面公转,并按照规定的速度将原管抽出,从而能够形成螺旋状的波纹和凹陷。通过改变圆板状圆盘的形状、旋转速度、传热管的抽出速度等,能够形成为各种加工图案。
根据上述制作方法,通过在传热管内表面具备螺旋状内表面槽2b,在传热管外表面邻接形成螺旋状连续的波纹槽3和独立的多个凹陷槽4,从而能够有效得到在传热管内表面具有波纹突起5和凹陷突起6邻接形成为T字状的突起的内表面带槽T字波纹管1。
(热交换器的构成)
如上构成的内表面带槽T字波纹管1,是作为构成热交换器的水管(内管)来使用的。未图示的热交换器构成为在内表面带槽T字波纹管1的外面侧具备外管,从而使制冷剂在内表面带槽T字型波纹管1和外管之间的环状路径中流动。
下面,参照表1~3和图2~9,作为本发明的更加具体的实施方式举出实施例1及比较例1~7进行详细说明。另外,在该实施例中,举出了一个上述实施方式中的典型例子,当然,本发明并不局限于这些实施例及比较例。
参照图2~9,表示了螺旋状内表面带槽管(比较例1~4)、平滑管(比较例5)、波纹管(比较例6)、内表面带槽波纹管(比较例7)、内表面带槽T字波纹管(实施例1)的传热性能测定结果。将这些传热管的规格整理表示在下述表1中。
表1
比较例7是对比较例4实施了波纹加工的传热管,实施例1是对比较例1实施了波纹加工的传热管。无论哪个传热管,其材质都采用铜或者铜合金,并将其波纹外径(OD)做成9.52mm。这里,所谓传热性能,为了抵消流体的物性影响,定义为努塞尔数Nu除以普朗特数Pr的0.4次方而得到的(Nu/Pr0.4)。压力损失也用无量纲数Darcy的管摩擦系数f表示。
在图4(a)中,整理表示了比较例1~4(螺旋状内表面带槽管)及比较例5(平滑管)的传热性能测定结果。在图4(b)中,对图4(a)的雷诺数Re=5000以下进行了放大表示。比较例3、4与比较例1、2不同,在过渡区域(雷诺数Re=2300~4000)传热性能上升,但在层流区域(雷诺数Re=2300以下)与比较例5的传热性能相同。
在图5中,整理表示了比较例1(螺旋状内表面带槽管)、比较例4(螺旋状内表面带槽管)以及比较例7(内表面带槽波纹管)的压力损失测定结果。比较例4在层流区域急剧下降,与比较例1相反。根据图4以及图5,可以认为:在过渡区域传热性能提高的翅片高的内表面带槽管在层流区域具有整流化作用。
在图6(a)中,整理表示了平滑管(比较例5)、内表面平滑波纹管(比较例6)、内表面带槽波纹管(比较例7)以及内表面带槽T字波纹管(实施例1)的传热性能测定结果。在图6(b)中,对图6(a)的雷诺数Re=4000以下(过渡区域~层流区域)进行了放大表示。在图7中,整理表示了比较例5、比较例6、比较例7以及实施例1的压力损失测定结果。
如图6所示,对图4所示的比较例4(螺旋状内表面带槽管)进行了波纹加工而得到的比较例7的内表面带槽波纹管,其传热性能在层流区域反而比比较例6的内表面平滑波纹管降低。同样地,就压力损失而言,比较例7的内表面带槽波纹管也比比较例6的内表面平滑波纹管降低。可以认为比较例7的内表面槽所产生的整流化作用使波纹管的传热性能降低。
另一方面,实施例1的内表面带槽T字波纹管,在层流区域不降低波纹管的传热性能,具有与比较例1的螺旋状内表面带槽管同等的传热性能,在过渡区域~湍流区域为波纹管以上的传热性能。在该过渡区域~湍流区域,即使与比较例7的内表面带槽波纹管相比较,实施例1的内表面带槽T字波纹管也维持了传热性能的优越性。与比较例6的内表面平滑波纹管相比较,如上述表1所示,实施例1的内表面带槽T字波纹管的重量上升最小,为13%时,雷诺数Re为7000时,实施例1的内表面带槽T字波纹管的传热性能上升30%以上。
下述的表2表示内表面槽的翅片高度Hf除以管的最大内径ID而得到的值(Hf/ID)。根据图4以及表2,内表面带槽波纹管在层流区域被整流,要想不降低内表面平滑波纹管的性能,比较例2的螺旋状内表面带槽管的(Hf/ID)需在0.038以下。
表2
No. |
Hf/ID |
比较例1 |
0.027 |
比较例2 |
0.038 |
比较例3 |
0.045 |
比较例4 |
0.082 |
然而,实施例1的波纹加工前的比较例1的螺旋状内表面带槽管由于在过渡区域不比平滑管提高传热性能,所以,在层流区域,翅片不高到对流动进行整流的程度。但是,即使在湍流区域(雷诺数Re为4000以上),若不是较高的雷诺数则传热性能也不上升。这是因为内表面槽的翅片高度Hf低而被隐藏在湍流边界层。
湍流边界层由以层流方式流动于极靠近管壁附近的粘性底层或层流底层、以及层流和湍流的中间的层构成。为了比较内表面槽的翅片高度和粘性底层等的厚度,将从管壁向管中心方向的距离y的无量纲数y+定义为以下的数学式1。
数学式1
这里,ρ、μ表示在管内流动的流体的密度(kg/m3)及粘度(pas)、u*表示摩擦速度,由以下公式2决定。
数学式2
这里,τw表示管壁的摩擦应力(Pa)。
粘性底层一般为0≤y+≤5的范围。
作为湍流区域和过渡区域的边界的雷诺数Re为4000时,将计算出相当于比较例1~4的内表面槽翅片高度的y+的结果表示在下述表3中。还有,在表3中还一并记载了表2所示的(Hf/ID)。
表3
No. |
Y+ |
Hf/ID |
比较例1 |
7.8 |
0.027 |
比较例2 |
10.6 |
0.038 |
比较例3 |
12.7 |
0.045 |
比较例4 |
22.9 |
0.092 |
从图4可知,根据上述表2,在比较例2中雷诺数Re为4000以上提高了传热性能,此时y+为粘性底层的2倍以上。
图8表示在湍流区域的雷诺数Re与平滑管的粘性底层的厚度(y+=5时的y)除以管的最大内径ID而得到的值δ*的关系。根据图8,比较例1在雷诺数Re为6000~7000的粘性底层的厚度达到0.012。根据上述表2,比较例1的(Hf/ID)为0.027,与比较例2相同,在粘性底层的厚度为0.011的2倍以上时提高性能。
根据上述公式1可知,粘性底层的厚度(y+=5时的y)与摩擦速度u*成反比。摩擦速度u*与管壁的摩擦应力τw成比例。另外,摩擦应力τw与管的长度(区间)L的压力损失ΔP(=P1-P2)的关系如以下数学式3。
数学式3
作为Darcy-Weisbach的公式(数学式4),
数学式4
这里,v表示流体的平均流速(m/s)。
把上述公式(4)代入上述公式(3)则成为以下的公式(5)。如果流体温度、流速相同,则摩擦应力τw与管摩擦系数成比例。
数学式5
图9表示将平滑管的管摩擦系数f的值设为1,它的倍数k与粘性底层的厚度(y+=5时的y)除以内表面槽2b的最大内径ID而得到的值δ*的关系。
热泵供热水机的雷诺数Re的范围为1500~7000左右,由于在湍流区域达到4000~7000,所以对于雷诺数Re为4000及7000的情况若惯例化,则
(雷诺数Re=4000的情况)
δ*=0.018k-0.5
∴2δ*=0.036k-0.5
(雷诺数Re=7000的情况)
δ*=0.011k-0.5
∴2δ*=0.022k-0.5
这里,波纹管的压力损失与平滑管比(图3)以0.04<(Hc/OD)呈直线增加,所以压力损失比k与(Hc/OD)的关系式成为以下数学式6。
数学式6
由于Hf/ID为粘性底层δ*的2倍以上时性能提高,所以在内表面带槽波纹管中,可提高性能的(Hf/ID)的下限值为以下数学式7。
数学式7
优选为以下数学式8。
数学式8
综上所述,以下数学式9的场合,如比较例1的内表面带槽管那样,即使在热泵式供热水机的雷诺数Re的范围不能提高性能,也能够通过将其做成内表面带槽波纹管,利用波纹的搅拌效应使粘性底层变薄,从而可在热泵式供热水机的雷诺数Re的范围内提高性能。
数学式9
其他实施例
下面,参照表4和图10,作为本发明的更加具体的实施方式,举出实施例2~4及比较例8进行详细说明。
通过与内表面带槽T字波纹管1的波纹槽3邻接而进一步增加凹陷加工,由于前缘效应而使性能提高。将试验中使用的传热管的规格整理表示在下述表4中。无论哪个传热管,其材质都采用铜或者铜合金,并将其波纹外径(OD)做成10.5mm。使相对于这些传热管雷诺数不同的水流动,测量算出传热性能和压力损失。这里,所谓传热性能,为了抵消流体的物性影响,定义为努塞尔数Nu除以普朗特数Pr的0.4次方而得到的(Nu/Pr0.4)。另外,用在热泵式供热水机中实际使用的水流量所对应的雷诺数Re进行比较。
图10表示相对于比较例8将实施例2~4的传热性能与压力损失,在层流区域(雷诺数Re小的区域)进行比较。由图10可知,若在试验的0.5≤(Pd/OD)≤1的范围时,相对于比较例8,实施例2~4均超过传热性能。另外,就实施例3而言,其性能增加率最大程度超过损失增加率,可以说是最优化的设计。
表4
根据以上说明可知,内表面带槽T字波纹传热管1,在雷诺数Re=5000时,能提高作为自然制冷剂热泵式供热水机的要素中最大瓶颈的水-制冷剂热交换器的水管的传热性能,并能提高供热水机***整体的效率。另外,由于压力损失低,可实现泵输入功率的降低。当然,例如内表面槽2b、波纹槽3、凹陷槽4、波纹突起5、以及凹陷突起6的各自的外观形状,并不局限于图示的例子。