CN111854503A - 冷凝管、冷凝器及空调*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷凝管、冷凝器及空调***，其中冷凝管包括：管体，设置在管体外壁的翅片，翅片采用顶部窄底部宽的非对称结构，且翅片两侧面的切线与管体法线的夹角不同。本发明提供的冷凝管、冷凝器及空调***，其冷凝管翅片两侧采用非对称翅型结构，翅片两侧与轴向法线夹角不一，这种非对称翅片结构，增加了凝结液在翅片顶部凝结后两侧面液相分压压力差，能够实现液膜快速流动到根部，提升换热效率。冷凝管内壁采用非对称螺纹状内肋结构，内肋两侧斜面与管体轴线的夹角不同，相对现有对称式螺纹状内肋结构增加了管体内的扰流强度，进一步破坏、减薄流动边界层，实现降低管内热阻，提升管体内单相换热的换热系数和传热能力。

Description

冷凝管、冷凝器及空调***

技术领域

本发明涉及空调换热器技术领域，更具体地说，是涉及一种冷凝器、冷凝管及空调***。

背景技术

在制冷与空调行业中，卧式水冷式冷凝器因结构紧凑，适用性宽广，得到了快速发展。而高效、节能以及新冷媒的替代仍是目前对卧式水冷式冷凝器的主要研究方向。换热性能决定了卧式水冷式机组的能效，而卧式水冷式换热器大多为壳管式换热器，对其换热性能影响较大的一个因素是壳体中换热管的性能的优劣。在冷凝器中，换热管水平布置且常采用双侧强化，管内通过扩大面积同时增加扰动以强化换热，在管内通过低温流体时，通过管壁带走管外冷媒侧蒸汽热量促使其相变凝结换热。随着近年对制冷设备能效和环保的要求进一步提升，学术界和工业应用领域均致力于对制冷设备的更高能效的追求，以开发更高效的换热管。冷凝凝结过程存在两种方式，其中珠状凝结换热效果远高于膜状凝结，但珠状凝结一般采用喷涂、电离等手段改变换热管表面能来实现，因此该种方式存在可持续性低等问题，且该种现象仅在实验室才能观察到，阻碍了其在工业制冷领域中的应用。膜状凝结基于强化“Gregorig”效应，如通过一体成型增加肋片的方法，强化了传热表面，在工业中得到了广泛的应用，并成为了主要的冷凝传热方式。

但在膜状冷凝条件下，蒸汽冷凝凝结为液体后在换热管表面附着，并沿翅片与翅片间的通道和翅片两侧流动，凝结液覆盖于换热管的外表面构成液膜，成为主要热阻。该传热热阻阻碍冷凝液对蒸汽和管壁接触的直接接触，且液膜越厚，热阻越大，冷凝传热效果越差。因此为进一步提高冷凝传热系数，需要进一步减薄冷凝液膜并促进冷凝液迅速排走。经过近几十年的发展，复杂的冷凝表面已开发出来并得到了广泛应用（通常称为三维翅片）。三维翅片不仅可增加传热面积，而且其利用液态制冷剂表面张力的作用减薄液膜，以促进冷凝液流动。但普通三维翅片采用对称式结构，冷媒凝结液在翅顶凝结时，翅片两侧液相分压压差相对较小，导致凝结液在翅片上不能快速和显著减薄，无法进一步改善和提高换热管的性能。

为降低管内热阻、增强管内换热，常用的方法还有在管内加工螺纹状内肋。通过管内螺纹状内肋，一方面能增强管内流体的扰动，破坏流体传热边界层，另外一方面也可以增加传热面积，从而能够增强管侧换热，降低管内热阻，提高换热管的总体换热能力。但是现有的螺纹状内肋结构采用对称均布结构，这种规律性较强的内肋结构对管内流体的扰动有限。为适应“高效节能”换热器设计的要求，需要对管内换热进一步提升换热效率，为此需要改变管内螺纹状内肋的形状及结构，以进一步增强管 内流体扰动，增加管内流体的紊流度，减薄内表面流体边界层从而实现强化换热。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷凝管、冷凝器及空调***，以增强冷凝器的换热效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种冷凝管，包括管体，设置在管体外壁的翅片，翅片采用顶部窄底部宽的非对称结构，且翅片两侧面的切线与管体法线的夹角不同。

优选地，翅片顶部开设多个缺口。

优选地，翅片表面切线与管体法线夹角大的一侧设有向外的尖锐凸起。

优选地，翅片顶部缺口沿圆周分布的数量范围为20-160个。

优选地，尖锐凸起沿圆周分布的数量范围为20-160个。

优选地，缺口采用倒置三角形、梯形或矩形结构。

优选地，翅片与法线方向形成的夹角小于90°。

优选地，翅片沿管体外壁螺旋分布，螺旋夹角范围为86-89.9度。

优选地，翅片的高度范围为0.1-3.0mm，翅片沿轴向分布的数量为每英寸6-72个。

进一步地，管体内壁设有螺纹状的内肋，内肋两侧斜面与管体轴线的夹角不同。

优选地，内肋沿圆周分布的数量范围为5-85个。

优选地，内肋的高度范围为0.1-0.65mm。

本发明还提供一种壳管式冷凝器，包括壳体和设置在壳体内的冷凝管，冷凝管采用上述的冷凝管。

本发明还提供一种空调***，空调***的冷凝器包括上述的冷凝管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的冷凝管、冷凝器及空调***，其冷凝管翅片两侧采用顶部窄底部宽的非对称翅型结构，翅片两侧面的切线与管体法线的夹角不同，这种非对称翅片结构，增加了冷媒凝结液在翅片顶部凝结后两侧面液相分压压差，能够实现冷媒液膜快速流动到翅根部而实现减薄，进而提升管外相变换热的效率；

2.在翅片表面切线与管体法线夹角较大的一侧设有向外的尖锐凸起，能够刺破液膜，加速液膜流向根部，从而进一步减薄液膜厚度，实现管外换热系数的提升；

3.管体内壁采用非对称螺纹状内肋结构，内肋两侧斜面与管体轴线的夹角不同，该种结构相对比现有对称式螺纹状内肋结构，能够增加管体内部的扰流强度，进一步破坏流动边界层，减薄边界层厚度，实现降低管内热阻，提升管体内部单相换热的换热系数和冷凝管的传热能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的冷凝管的第一实施例的局部立体示意图；

图2为图1所示冷凝管的局部轴向剖视图；

图3为图1所示冷凝管的侧视图；

图4为图1所示冷凝管的俯视图；

图5为本发明第二实施例的局部立体示意图；

图6为图5所述冷凝管的轴向剖视图；

图7为图5所述冷凝管的侧视图；

图8为图5所述冷凝管的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至4，现对本发明提供的冷凝管的第一实施例进行详细说明。

本发明提供的冷凝管包括管体2，在管体2外壁设置有翅片3，其中翅片3优选为沿管体2外壁螺旋分布，螺旋夹角范围具体为86-89.9度。冷凝管优选采用挤压加工无屑成型技术，使翅片3与所述管体2一体成形。具体成型可采用单头螺纹加工，也可以采用多头螺纹的加工方式，根据设定轴向每米翅片3数量和加工方式设置加工角度。上述角度覆盖单头加工和多头加工。作为本发明的另一种实施方式，多个翅片3沿管体2轴向间隔分布，相邻翅片3与管体2外壁之间形成半封闭沟槽空间。

翅片3采用顶部窄底部宽的非对称结构，具体地，其三维翅型为从尖锐翅顶至两侧翅根呈逐渐扩张的一对侧面；作为翅片3结构呈非对称的另一方面，翅片3两侧面的切线与管体2法线的夹角不同，当翅片3的一个侧面设置为斜面时，该侧面的切线与管体2法线的夹角，是指该侧面与管体2法线的夹角。具体地，翅片3表面切线与管体2法线方向形成夹角θ，角度小于90°。这种非对称翅片3结构，增加了冷媒凝结液在翅片3顶部凝结后两侧面液相分压压差，能够实现冷媒液膜快速流动到翅根部而实现减薄，进而提升管外相变换热的效率。

优选地，翅片3距管体2外壁表面的高度H1的范围为0.1-3.0mm，翅片3沿轴向分布的数量为每英寸6-72个。从换热面积对于冷凝效果的影响来讲，翅片3数量越多，则翅片3越高换热面积就越大，这对于换热来说是个有利因素，但是对于圆形管材来讲，凝结在翅片3管上的冷媒分为上下两部分：翅片3上部将气态冷媒凝结成液态冷媒，凝结后的液态冷媒顺着两翅片3之间的沟槽在重力作用下向下排走，随着凝结量的增加，如果翅片3密度过大，则会出现液泛现象，导致翅片3裸露出来的面积减少，从而使得换热衰减，因此在翅片3数量相同的时候，翅片3高一点换热效果更好。

进一步地，冷凝管还包括设置在管体2内壁的螺纹状的内肋1，内肋1两侧斜面与管体2轴线的夹角不同。如图2所示，优选地，内肋1为梯形，梯形内肋1的两斜边与轴向分别呈夹角β1和β2，且两夹角β1和β2不相等。管体2内壁采用非对称螺纹状内肋1结构，内肋1两侧斜面与管体2轴线的夹角不同，该种结构相对比现有对称式螺纹状内肋1结构，能够增加管体2内部的扰流强度，进一步破坏流动边界层，减薄边界层厚度，实现降低管内热阻，提升管体2内部单相换热的换热系数和冷凝管的传热能力。作为本发明的另一种实施方式，如图2所示，内肋1有两种及两种以上齿顶角分布，其分布方式具体为在管体2轴向上每隔一定长度内，每个内肋1的两侧面延伸后相交的齿顶角不是一成不变，而是有所不同的，如图5所展示的在管体2轴向上每隔一定长度内，两个内肋1具有不同的齿顶角α1和α2。

优选地，内肋1沿圆周方向的分布数量为5-85个，内肋1的高度范围H2为0.1-0.65mm。圆周方向内肋1分布数量的增加，第一可增加换热面积，第二是增强管内流体的扰动强度。同理，内肋1高度的增加也是产生类似的效果，都会强化管内换热。

优选地，内肋1与管体2一体成形。本发明的冷凝管采用专用辊轧机进行加工，采用加压加工、无屑成型技术，管内采用非对称螺纹模具衬芯、管外采用组合式模具进行一次挤压加工而成，组合式模具采用双面不对称设计。该种加工工艺能保证冷凝管翅片3与内肋1自成一体，在保证高效换热的同时，也保证了翅片3和内肋1的强度。

请参阅图5至8，现对本发明提供的冷凝管的第二实施例进行详细说明。

作为本发明提供的第二实施例，其与第一实施例的区别之一在于：翅片3顶部开有多个缺口5。具体地，翅片3顶部缺口5数量沿圆周分布数量范围为20-160个，缺口5形状优选为类倒置三角形、梯形或矩形。影响膜状凝结的主要热阻是液膜的厚度，如不在翅顶部位开缺口5，则冷媒液膜会完全覆盖翅片3两侧，从而影响凝结换热系数。本发明在翅片3顶部开缺口5后，利用开缺口5后形成的转角、凸起等可以刺破液膜，让翅顶部裸漏出来，提高了膜状凝结换热系数，因而得以保证冷凝管进行持续高效的换热。在现有技术和加工能力允许的情况下，缺口5数量越多相对会越好。而缺口5形状设置成倒置三角形、梯形或矩形时，这类形状的缺口5能在翅顶部形成相对尖锐的顶端，有利于破坏液膜。

第二实施例与第一实施例的另一区别在于：翅片3表面切线与管体2法线夹角大的一侧设有向外的尖锐凸起4。更优地，尖锐凸起4为在所述侧面挤压一体成形。具体地，尖锐凸起4数量沿圆周分布数量范围为20-160个，对应于上述的缺口5数量分布。翅片3采用顶部窄底部宽的非对称结构，同时在翅片3表面切线与管体2法线夹角较大的一侧设有向外的尖锐凸起4，能够刺破液膜，加速液膜流向根部，从而进一步减薄液膜厚度，实现管外换热系数的提升。

本发明还提供一种壳管式冷凝器，包括壳体和设置在壳体内的冷凝管，冷凝管采用上述的冷凝管结构。具体地，在冷凝器中，冷凝管水平布置且采用双侧强化，冷凝管外壁采用上述的翅片3结构，进行管外相变换热；冷凝管内壁采用上述的内肋1结构，进行管内单相换热；在管内通过低温流体，如冷却水时，通过管壁带走管外冷媒侧蒸汽热量促使管外冷媒发送相变凝结从而实现换热。通过上述的翅片3和内肋1结构，本发明提供的壳管式冷凝器，其壳体中的冷凝管在扩大了整体换热面积的同时增加了扰动，实现强化换热。

本发明还提供一种空调***，空调***的冷凝器中采用上述冷凝管结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种冷凝管，包括管体，设置在管体外壁的翅片，其特征在于，所述翅片采用顶部窄底部宽的非对称结构，且翅片两侧面的切线与管体法线的夹角不同。

2.如权利要求1所述的冷凝管，其特征在于，所述翅片顶部开设多个缺口。

3.如权利要求1所述的冷凝管，其特征在于，所述翅片表面切线与管体法线夹角大的一侧设有向外的尖锐凸起。

4.如权利要求2所述的冷凝管，其特征在于，所述翅片顶部缺口沿圆周分布的数量范围为20-160个。

5.如权利要求3所述的冷凝管，其特征在于，所述尖锐凸起沿圆周分布的数量范围为20-160个。

6.如权利要求2所述的冷凝管，其特征在于，所述缺口采用倒置三角形、梯形或矩形结构。

7.如权利要求1所述的冷凝管，其特征在于，所述翅片与法线方向形成的夹角小于90°。

8.如权利要求1所述的冷凝管，其特征在于，所述翅片沿管体外壁螺旋分布，螺旋夹角范围为86-89.9度。

9.如权利要求1所述的冷凝管，其特征在于，所述翅片的高度范围为0.1-3.0mm，所述翅片沿轴向分布的数量为每英寸6-72个。

10.如权利要求1-9任一项所述的冷凝管，其特征在于，所述管体内壁设有螺纹状的内肋，所述内肋两侧斜面与管体轴线的夹角不同。

11.如权利要求10所述的冷凝管，其特征在于，所述内肋沿圆周分布的数量范围为5-85个。

12.如权利要求10所述的冷凝管，其特征在于，所述内肋的高度范围为0.1-0.65mm。

13.一种壳管式冷凝器，包括壳体和设置在壳体内的冷凝管，其特征在于，所述冷凝管采用权利要求1-12任一项所述的冷凝管。

14.一种空调***，其特征在于，所述空调***的冷凝器包括权利要求1-11任一项所述的冷凝管。

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