CN1366170A - 热交换管与其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种金属热交换管,它特别适用于在管子外表面汽化由纯净物质或混合物组成的流体,在管子的外表面上带有整体形成的筋(3),在这些筋(3)之间延伸的初级沟槽(4)的槽底(6)部位布置有空隙。为了改善汽化功率,建议将这些空隙构造成后切削的次级沟槽的形状。管子的机械稳定性不会因此受到负面影响,因为在筋形成之后,通过合适的附加工具将筋侧(5)范围内的大多数材料挤压到槽底(6)处,这样,在那里产生不完全封闭的空腔,这些空腔生成所希望的后切削的次级沟槽(7)。

Description

热交换管与其制造方法
技术领域
本发明涉及到根据权利要求1的前序部分所述的一种金属热交换管，它特别适用于在其管子外表面汽化由纯净物质或混合物组成的流体。
汽化出现在制冷、空调、以及程序和能源技术的许多领域。在这些技术中经常使用管束热交换器，在其中由纯净物质或混合物组成的流体在管子外表面上被汽化，此时在管子内表面上用盐水或水进行冷却。这种器械被称作为淹没式(溢出式)汽化器。
通过对在管子外表面和内表面上的传热的加强使得汽化器的大小大大减少，因此这种设备的制造成本降低了。除此之外还减少了必要的冷却剂的填料量，在今天大多数使用无氯的安全冷却剂的情况下，这构成了全部设备成本的不可忽略的成本份额。在有毒的或可燃的冷却剂情况下，通过减少填充量，可进一步地使危险潜能降低。这种现在通用的高效管要比相同直径的光管的效率高三倍。
背景技术
本发明涉及到结构化的管子，其中在管子外表面上加强热交换系数。因为热阻力的主要部分经常移位到内表面上，所以在内表面上的传热系数也需要加强。提高在管子内表面上的热传导，通常导致管子表面的压差的提高。
用于管束热交换器的热交换管通常具有至少一个结构化的部位以及光滑的端头以及可能情况下光滑的插件。这些光滑的端头或插件构成了结构化部位的边界。为了使这种管子容易装入到管束热交换器中，结构化部位的外径不应该大于光滑的端头或插件的外径。
为了在汽化时提高热传导，要加强体积沸腾的过程。已知在生发点(Keimstellen)处开始形成气泡。这种生发点主要是小的气体或蒸汽的夹杂物。这种生发点已经通过表面打毛而产生。当增加的气泡达到一个特定的值时，它从表面分离出来。在起泡分离的过程中，生发点被随后流动的流体所淹没，这时，在一定情况下，气体或蒸汽的夹杂物被流体所挤压。在这种情况下，生发点是不活泼的。这可以通过生发点的合适的轮廓来避免。在此，生发点的开口要小于放在开口下面的空腔的开口，这是必要的。
现有技术是，在整体轧制的加筋管的基础上制造出这种类型的结构。整体轧制的加筋管可理解为加了筋的管子，其中，筋是由一个光管的管壁材料所形成的。已知在此处有不同的方法，使用它们把在相邻的筋之间存在的通道封闭住，而以孔或间隙的形式保留通道与环境之间的连接。因为孔或间隙的开口小于通道的宽度，所以通道表现为合适形式的空腔，这些空腔可以促进起泡生发点的构造和稳定。特别的，在基本封闭的通道中，这通过筋的弯曲与逆转(US 3.696.861，US 5.054.548)，通过筋的***与镦锻(DE 2.758.526，US4.577.381)，通过筋的开槽与镦锻(US 4.660.630，EP 0.713.072，US 4.216.826)而产生。
用于浸没汽化器的、效率最强的、商业上可以买到的加筋管在其管子外表面上具有一个加筋的结构，其密度为每英寸有55至60个筋(US 5.669.441，US 5.697.430，DE197 57 526)。这相当于筋的间距为大约0.45至0.40毫米。通过较高的筋密度或者较小的筋间距来改善这种类型的管子的功率能力，在原则上来说是可能的。因为就此提高了生发点的密度。一个小的筋间距必须要求同样更精细的工具。但比较精细的工具要受到较高的断裂危险和较快的磨损的考验。目前可供使用的工具使得以每英寸最多60个筋的密度安全制造加筋管成为可能。越精细，就越要减小筋间距，这样管子的生产速度就越小，使得生产成本就越高。
众所周知，通过在筋之间构造出沟槽的底，可以在相同的筋密度下，在管子外表面上生产出提高功率的汽化结构。在EP0.222.100有如下建议，借助一个开槽圆盘将压印布置在槽底。这些在槽底的压印可以具有V形的、梯形的或半圆形的横截面，并且产生附加的生发点。通过这种结构，特别是在较小的加热表面负荷的范围内达到的功率的提高，不能再满足市场的需要。那些压印更进一步的减弱了管子的开槽壁，致使管子的机械稳定性降低。
发明内容
在相同的管子热交换和压差以及相同的制造成本的情况下，应该生产出用于在管子外表面上汽化流体的功率提高的热交换管。管子的机械稳定性不应受到负面影响。
在一种所述类型的热交换管中，即在筋之间以螺旋线形式延伸的初级沟槽槽底的部位布置有空隙，按照本发明，用后切削的次级沟槽的形式构造出那些空隙，以此来解决这个任务。
如果(见图1)
——在剖面内有一个不封闭的区域X，
——这个区域X可以用一条线段AB封闭住；
———条线段PQ，其中P、Q属于X的边缘，这样，PQ平行于AB并且PQ的长度大于AB的长度，
则出现一个后切削的沟槽。
一个后切削的次级沟槽，与在EP 0.222.100中所建议的简单的压印相比，为起泡发生点的构造与稳定化提供了明显更有利的条件。后切削的次级沟槽在初级沟槽底的附近，这个位置对于汽化过程特别有利，因为在槽底处，管壁超温最大，因此在那里最高的驱动温差供起泡使用。
权利要求2至15涉及到按照本发明的热交换管的优选形式。
按照本发明，在筋形成后，通过合适的附加工具，将材料从筋侧面部位向槽底挤压，这样，在那里形成了没有完全封闭的空腔，它们形成所希望的后切削的次级沟槽。这些空腔从槽底延伸到筋顶，其中它们最大延伸到筋高度H的45％，典型方式下延伸到筋高度H的20％。在这里，筋高度H的尺寸是从由最大的轧制圆盘形成的沟槽的最低位置到整体形成的加筋管的筋顶。
本发明的主题还有按照权利要求16至22，用于生产根据发明的热交换管的不同的方法。
附图说明
本发明根据以下实施例作进一步的说明。
图1所示的是一个后切削的沟槽的原理图。
图2所示的是一个按照本发明的热交换管的制造简图，这个热交换管带有后切削的次级沟槽，它们在管子外表面上以基本恒定的截面按螺旋线形环绕。
图3所示的是一个按照本发明的热交换管的部分视图，这个热交换管带有后切削的次级沟槽，它们在管子外表面上以基本恒定的截面按螺旋线形环绕。
图4所示的是一个按照本发明的热交换管的制造简图，这个热交换管带有按螺旋线形延伸的后切削的次级沟槽，它们的截面按均匀的间距变化。
图5所示的是一个按照本发明的热交换管的部分视图，这个热交换管带有按螺旋线形延伸的后切削的次级沟槽，它们的截面按均匀的间距变化。
图6所示的是一个按照本发明的热交换管的制造简图，这个热交换管带有后切削的次级沟槽，它们基本上垂直于初级沟槽的方向延伸。
图7所示的是一个按照本发明的热交换管的部分视图，这个热交换管带有后切削的次级沟槽，它们基本上垂直于初级沟槽的方向延伸。
图8所示的是一个按照本发明的后切削的次级沟槽的槽底照片，它以基本恒定的截面按螺旋线形延伸。
图9所示的是一个图表，它清楚地表明了通过在槽底的后切削的次级沟槽而得到的功率优势。
按照图2至7，整体轧制的加筋管1在管子外表面上具有按螺旋线形环绕的筋3，在它们中间形成初级沟槽4。筋侧5的材料被适当地移动，这样在槽底6的部位形成了不完全封闭的空腔7，它们形成按照本发明的后切削的次级沟槽。筋顶8的材料被如此移动，即筋间空间封闭至孔26，以形成通道9。
借助在图2/4/6中所述的装置，通过一个轧制过程(参见US-PS1.865.575/3.327.512)完成本发明的加筋管的制造。
这要应用一个由n＝3或4个工具夹10组成的装置，在它上面集成有一个轧制工具11。这些工具夹10以360°/n错置在加筋管的圆周上。这些工具夹10可在半径方向上沿横向进给。它们本身布置在一个固定的辊头中(没有表示出)。
这个在此装置中沿箭头方向运转的光管2，通过布置在圆周上的被驱动的轧制工具11转动，其中，轧制工具11的轴线在倾斜于管子轴线的方向上延伸。轧制工具11以本身已知的方式由多个相邻布置的轧制圆盘12所组成，它们的直径沿箭头方向增大。中心布置的轧制圆盘11将光管2的管壁造成螺旋线形分布的筋3，其中，在加工区域中，管壁由轧制芯棒27所支撑。轧制芯棒27可以是异形的。沿着管轴方向测量的两个相邻筋中心之间的距离被称作筋间距T。那些轧制圆盘在它们的外部的圆周上被如此成形：这些所形成的筋3基本上具有梯形截面。只不过在筋侧5与槽底6之间的过渡区域13内，筋偏离了理想的梯形。这个过渡区域13通常被称作筋脚。为了在筋的形成过程中使一个材料流动能不受阻碍，这个在此形成的半径是必要的。
在这些基本上是梯形的筋3通过轧制工具11形成之后，在初级沟槽4的底部6的部位，产生根据本发明的后切削的次级沟槽7。在此可以发现三种不同的实施形式的应用：
实施形式1：
在轧制工具11的最后的圆盘之后，有一个圆柱形的圆盘14正在作用中，其直径小于最大的轧制圆盘的直径(图2)。这个圆柱形圆盘14的厚度D也略大于由轧制圆盘12形成的初级沟槽4的宽度B，其中，初级沟槽4的宽度B在这个位置被测量，即在该位置筋侧5过渡到筋脚13的半径部位。典型地，圆柱形圆盘的厚度D为筋间距T的50％至80％。圆柱形圆盘14将筋侧5的材料向槽底6挤压。被挤压的材料通过工具几何形状的适当选择以这种方式移动，即在槽底6之上形成材料的突出部分15，并且直接槽底6处形成不完全封闭的空腔7(图3)。这个空腔7在周向以接近不变的截面延伸。这个空腔7是一个根据本发明的后切削的次级沟槽。
可以证明有利的是，为了有利于筋侧5的材料挤压，圆盘14在其表面上，沿着周向设置有完全的或部分的凹面外形轮廓。
因为圆柱形圆盘14的直径小于轧制工具11的最大的轧制圆盘的直径，所以圆柱形圆盘14不能对初级沟槽6的最深位置进行加工。这样，管壁18在后切削的次级沟槽7形成之后不会被削弱。
实施形式2：
这种实施形式是实施形式1的一种扩展：在第二种实施形式中，在圆柱形圆盘14之后有一个齿轮形状的开槽圆盘16正在作用中，其直径大于圆柱形圆盘14的直径，最多要如同轧制工具11的最大的轧制圆盘的直径大小(图4)。由圆柱形圆盘14形成的，在周向以不变的截面延伸的空腔，被开槽圆盘16通过在周向上的均匀布置的压印17所细分。这样，形成了在圆周方向的后切削的次级沟槽7，其截面在均匀的间距上变化(图5)。开槽圆盘16可以是直齿的或是斜齿的。
因为齿轮形开槽圆盘16的直径不大于轧制工具11的最大的轧制圆盘的直径，所以初级沟槽6的最深处的位置不会被齿轮形的开槽圆盘16更进一步地加深。根据实施形式2，管壁18没有因为后切削的次级沟槽的形成而被削弱。
实施形式3：
在轧制工具11的最后的圆盘之后有一个齿轮形的开槽圆盘19正在作用中，其中开槽圆盘19的直径最多要如同最大的轧制圆盘的直径的大小(图6)。开槽圆盘19的厚度D’略大于由轧制圆盘12形成的初级沟槽4的宽度B，其中，初级沟槽4的宽度B在这个位置被测量，即在该位置筋侧5过滤到筋脚13的半径部位。典型地，这个开槽圆盘的厚度D’为筋间距T的50％至80％。这个开槽圆盘19可以是直齿的或斜齿的。开槽圆盘19挤压筋侧5部位的材料以及在筋脚13处半径部位的材料，并且在此处留下相互之间有间距的压印20。被挤压的材料最好移位到位于单个压印20之间的未被加工的范围内，这样在槽底6处形成被压制的突起21，它们沿垂直于筋3间的初级沟槽4的方向延伸。紧接着的、直径不变的接缝圆盘22使这些突起21的上面的部位在管子圆周方向变形，这样在突起21变形的上面部位23与槽底6之间形成两个相邻突起21间的小空腔7(图7)。这些小空腔形成根据本发明的后切削的次级沟槽。所选的接缝圆盘22的直径必须小于初级开槽圆盘19的直径。
因为齿轮形开槽圆盘19的直径不大于轧制工具11的最大的轧制圆盘的直径，所以初级沟槽6的最深位置不会被齿轮形开槽圆盘19更进一步的加深。因此根据结构形式3，管壁18在形成后切削的次级沟槽时不会被削弱。
在槽底6处产生了后切削的次级沟槽7后，筋顶8被一个齿轮形的开槽圆盘24所开槽。这在图2/4/6中示出。随后通过一个或多个镦锻圆辊25获得被开槽的筋顶的镦锻。筋3包括一个基本T形的截面，筋3之间的沟槽9被封闭到孔26之上。(见图3/5/7)
筋高H为完成的加筋管1上从槽底6的最低处直至完全形成的加筋管的筋顶。
在初级沟槽4的底6处的按照本发明的后切削的次级沟槽7从槽底6延伸到筋顶，其中它们最大延伸到筋高H的45％，典型的，延伸到筋高H的20％。
图8显示了一个根据本发明的后切削的次级沟槽7在槽底6处的照片。此截面垂直于管子的周向。在这里示出的是按照实施形式1的一个例子。结构的明显的不对称受到在工具和预先材料测量处的不可避免的公差的限制。突起15是由筋侧5向槽底6移动位置的材料所形成的。
图9显示的是在管子外表面上，冷却剂R-134a汽化时两种结构的管的功率特性的比较，在此处两种管子的其中一种在槽底处构造有后切削的次级沟槽。图示的是对于加热表面载荷的外面的热交换系数。饱和温度为14.5℃。可以看出，通过在槽底处的后切削的次级沟槽可以获得一个功率优势，在小加热表面载荷时超过30％，在大加热表面载荷时达大约20％。
在槽底处带有后切削的次级沟槽的结构，在EP0.522.985中也有所建议。在这里，在管子的内表面上也存在这种结构。为了保证这种管子的机械稳定性，特别是在管子扩大时，必须将次级沟槽加工得尽可能的平。这通过在EP 0.522.985中描述的次级沟槽的锐角的几何形状来达到。制冷剂在管子内表面处汽化时比在管子外表面处时有一个较高的压力。在内部压力载荷下，由于次级沟槽的锐角边的应力集中，在管壁上形成一个较高的力学载荷。这必须通过一个较厚的管壁得以补偿。这种在管壁内的安全性的附加导致一个高的材料投入和因此而来的高的费用。
在这里所建议的在加筋管的外表面上初级沟槽6的范围内形成的后切削的次级沟槽7没有削弱管壁18，因为，为了形成次级沟槽7，仅仅应用了筋侧5的范围内的材料和在槽底6上方的半径范围13内的材料。

Claims (22)

1.金属热交换管，尤其用于在管子外表面上汽化由纯净物或混合物中组成的流体，在管子外表面上带有整体成形的筋(3)，其脚(13)基本上径向地直立于管壁上，其中，在筋(3)之间延伸的初级沟槽(4)的槽底(6)部位中，布置有空隙，其特征在于：这些空隙设计成后切削的次级沟槽的形式。
2.根据权利要求1所述的金属热交换管，其特征在于：筋(3)和初级沟槽(4)按螺旋线形式延伸。
3.根据权利要求1所述的金属热交换管，其特征在于：筋(3)和初级沟槽(4)按环形延伸。
4.根据权利要求1所述的金属热交换管，其特征在于：筋(3)和初级沟槽(4)沿轴向延伸。
5.根据权利要求2，3或4所述的金属热交换管，其特征在于：后切削的次级沟槽(7)以基本不变的横截面沿初级沟槽(4)的方向延伸。
6.根据权利要求2，3或4所述的金属热交换管，其特征在于：沿初级沟槽(4)的方向延伸的后切削的次级沟槽(7)的横截面按均匀的间距变化。
7.根据权利要求2，3或4所述的金属热交换管，其特征在于：后切削的次级沟槽(7)基本上沿垂直于初级沟槽(4)的方向延伸。
8.根据1至7中的一个或多个权利要求所述的金属热交换管，其特征在于：后切削的次级沟槽(7)最多延伸到筋高度H的45％。
9.根据权利要求8所述的金属热交换管，其特征在于：后切削的次级沟槽(7)最多延伸到筋高度H的20％。
10.根据1至9中的一个或多个权利要求所述的金属热交换管，其特征在于：筋(3)具有一个均匀的高度H。
11.根据1至9中的一个或多个权利要求所述的金属热交换管，其特征在于：筋顶(8)被开槽。
12.根据权利要求10或11所述的金属热交换管，其特征在于：筋(3)显示出一个基本上T形的横截面。
13.根据1至12中的一个或多个权利要求所述的金属热交换管，其特征在于：它具有光滑的端部和/或光滑的中间区域。
14.根据1至13中的一个或多个权利要求所述的金属热交换管，其特征在于：它由无缝管构成。
15.根据1至13中的一个或多个权利要求所述的金属热交换管，其特征在于：它由长焊缝管构成。
16.用于制造一个根据权利要求2所述的金属热交换管的方法，按照以下操作步骤进行：
a)在一个光管(2)的外表面轧制出按螺旋线形延伸的筋(3)，筋的材料借助轧制过程使材料从管壁向外挤压而获得，这样形成的加筋管(1)被轧制压力在旋转中偏移，和/或按照所形成的筋(3)被推向前，其中带有上升高度的筋(3)由仍未成形的光管(2)修整而成，
b)光管(2)被一个放入其中的辊芯所支撑，
c)在筋(3)形成之后，材料从筋侧(5)和/或筋脚过渡区(13)在形成后切削的次级沟槽(7)条件下被径向压力向槽底(6)移动。
17.根据权利要求16所述的用于制造一个根据权利要求5的热交换管的方法，其特征在于：在操作步骤c)中，径向压力借助于一个圆柱形圆盘(14)而产生，此圆盘的直径小于最大的轧制圆盘(12)的直径，其厚度D至少为筋间距T的50％，最多为筋间距T的80％。
18.根据权利要求17的用于制造一个权利要求6所述的热交换管的方法，其特征在于：在操作步骤c)之后跟随有操作步骤d)，在槽底(6)中，通过由一个齿轮式样的开槽圆盘(16)产生的更进一步的径向压力，在周向形成均匀间隔的压印(17)，此齿轮式样的开槽圆盘的直径大于圆柱形圆盘(14)的直径，最大如同最大的轧制圆盘(12)的直径大小。
19.根据权利要求16的用于制造一个权利要求7所述的热交换管的方法，其特征在于：在操作步骤c’)中的径向压力借助于一个齿轮式样的开槽圆盘(19)而产生，其直径小于最大的轧制圆盘(12)的直径，因此形成相互有一定间距的压印(20)；在接下来的操作步骤d’)中通过由一个圆柱形的接缝圆盘(22)产生后切削的次级沟槽(7)。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于：分别使用一个直齿或斜齿的开槽圆盘(16，19)。
21.根据权利要求17至20之一所述的用于制造权利要求11所述热交换管的方法，其特征在于：在一个更进一步的操作步骤e)中，通过由一个齿轮形的开槽圆盘(24)产生的径向压力将筋顶(8)开槽。
22.根据权利要求17至21之一所述的方法，其特征在于：在操作步骤f)中，通过更进一步的径向压力，筋顶(8)借助至少一个镦锻圆管(25)镦锻成一个基本上是T形的横截面。
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