CN209639589U - 一种具有内部纵翅结构的换热管 - Google Patents

Abstract

一种具有内部纵翅结构的换热管，可解决传统光管型换热器在结构优化时换热管数量减少带来的整体结构强度降低问题。包括换热管主体，所述换热管主体管内沿内壁周向布置横贯换热管的内部纵翅；所述换热管主体外部沿换热管轴向布置外部环翅，管内流体经所述内部纵翅时，通过所述换热管主体的管壁和所述外部环翅与外部流体进行换热。本实用新型用于机载电子设备冷却换热器，可保证内部冷却工质与外部冷空气高效换热。通过引入内部纵翅和外部环翅增加内外流体与管壁的接触面换热面积，提升了单个换热管的换热量，可在结构强度不降低的条件下减少换热管的使用数量，减轻换热器重量，简化整体结构，提升气密可靠性。

Description

一种具有内部纵翅结构的换热管

技术领域

本实用新型涉及管路结构技术领域，具体涉及一种具有内部纵翅结构的换热管。

背景技术

在工程应用中，换热器是一种用来将热量从热流体传递到冷流体且满足一定工艺要求的的设备，一般可分为间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。在间壁式换热器中，冷、热流体由壁面间隔开来而分别位于壁面两侧，其常见的套管式、管壳式和交叉流式换热器多采用换热管分隔冷热流体。对于光管型换热管，其内部无异型扰流结构，管程流阻小，且外部壁面对换热流体流向无选择性，可广泛应用顺流、逆流和交叉流型间壁换热器。但光管型换热管存在换热面积小的不足，在换热温差和换热量相同的条件下，对换热管的数量需求更高。在航空、航天等非地面应用场合，当换热器的体积、重量、结构强度和可靠性是主要限制因素时，光管型换热管的应用会受较大限制。

换热管的一种有效换热强化方式为增大流体与壁面的接触面积，可通过增加翅片的方式实现，在光管的基础表面上引入扩展表面形成翅片以增大换热面从而提升换热效率。应用于交叉流换热器的换热管可采用外部环翅的结构方案，环翅通常由环套和焊接金属薄片的方式加工而成，可有效的增加换热管外表面积从而提升交叉流换热效率，但该型换热管的轴向结构强度和直翅(纵翅)型换热管相比较低。在航空机载条件下，用于舱内电子设备冷却的换热器受舱段体积和工作环境限制，流经其换热管内部的冷却工质和外部冷空气的流动方式一般为交叉流，且换热管两端连接换热器壳体需同时兼顾轴向支撑作用，并满足机载条件下的力学环境要求。故采用外部环翅换热管并以最少用量满足换热要求，以实现换热器结构简化、重量优化、气密可靠性优化等目标时，会造成换热器整体结构强度存在隐患。

机载应用场合对换热器重量、结构强度、气密可靠性和换热能力要求较高。故提升单个换热管的换热能力并提升其轴向及径向结构强度，在既定工况下(换热温差、换热量、换热系数等参数及飞行任务剖面特定)可大大减少换热管数量及焊缝数量，有效的提升气密可靠性并起到减重效果。

实用新型内容

本实用新型提出的一种具有内部纵翅结构的换热管，可解决传统光管型换热器在结构优化时换热管数量减少带来的整体结构强度降低问题。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种具有内部纵翅结构的换热管，包括换热管主体，所述换热管主体管内沿内壁周向布置横贯换热管的内部纵翅；

所述换热管主体外部沿换热管轴向布置外部环翅，管内流体经所述内部纵翅时，通过所述换热管主体的管壁和所述外部环翅与外部流体进行换热。

以下具体说明：

本实用新型包括在一长度及直径特定的圆形铝棒/管材料中，采用矩形截面直肋的内部纵翅方案。翅片在圆管内部周向等距排列，高低交错布置，以线切割的方法在圆棒/管内部加工形成。翅片横贯整个圆棒/管，可增加内部流体与壁面的接触面积，提升换热效率，同时提升换热管的轴向结构强度。由于翅片高度方向具有热阻，其表面温度存在一定梯度，故以翅片效率衡量翅片实际换热量与理想换热量之比，其翅片效率可表示为：

对于本实用新型所涉及的内部纵翅结构，其单个翅片效率经核算可达80％以上。

外部环翅采用车削的方法加工形成，确保翅片与换热管之间的连接强度且加工成本较低，同时可消除环套焊接等其他加工方式带来的风险。由于换热管内部纵翅可支撑换热管结构，可确保外部环翅在车削加工过程中换热管不会发生形变，技术方案实施性较高。翅片在换热管外沿轴向等距排列，翅片的间距和高度分别与车削时刀具的宽度和进刀深度相关，翅片厚度不超过翅片间距。当外部冷空气外掠换热管时，会流经翅片间的空隙，并通过翅片表面及外管壁与内部流体进行换热，其翅片效率为：

对于本实用新型所涉及的外部环翅结构，其单个翅片效率经核算可达80％以上。

当冷却工质流经换热管内部时，与其内部纵翅表面及换热管内部壁面发生热量交换，在流体与壁面的温差作用下持续向外输出热流，带走冷却工质多余热量。同时外部冷空气外掠换热管，与内部冷却工质呈90°角形成交叉流，带走管壁多余热量，维持壁温稳定，可确保冷却工质热量持续散发，达到冷热流体换热的目的。

由上述技术方案可知，本实用新型为进一步提升单个换热管的换热能力、进一步减少换热管用量，以实现换热器减重、结构简化并提升气密可靠性，提供一种具有内部纵翅结构的高效换热管以实现管内冷却工质和管外冷空气在给定换热温差和特定换热量下的换热要求，并可在支承管数量大幅减少的条件下满足换热器结构强度要求，实现换热器拓扑优化。

本实用新型用于机载电子设备冷却换热器，可保证内部冷却工质与外部冷空气高效换热。换热管外部具有环翅结构，可提升冷空气外掠圆管时的接触面积。换热管内部具有纵翅结构，可提升冷却工质流经换热管内部时与管壁的接触面积，同时内部纵翅可增加换热管的轴向结构强度。通过引入内部纵翅和外部环翅增加内外流体与管壁的接触面换热面积，提升了单个换热管的换热量，可在结构强度不降低的条件下减少换热管的使用数量，减轻换热器重量，简化整体结构，提升气密可靠性。

本实用新型的有益效果：

在冷热流体持续换热的同时，由于内部纵翅和外部横翅大大增加了换热面积，提升了相同工况下单个换热管的换热能力，且内部纵翅为与内部流体同向的直翅结构，对管内沿程阻力影响极小。同时，单个换热管的结构强度也通过纵翅和环翅的引入得到提升，在工程应用中，可在不牺牲换热器结构强度和内部流阻的条件下减少换热管的使用数量和焊缝数量，从而实现***重量降低的同时提升了气密可靠性并简化了结构布局。

附图说明

图1是本实用新型的主视结构示意图；

图2是本实用新型的内部结构示意图；

图3是本实用新型换热管焊接方式示意图；

图4是本实用新型换热管流体形式及换热方式示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本实施例所述的具有内部纵翅结构的换热管包括换热管主体1、外部环翅2、预留焊接面3及内部纵翅4，其中

换热管主体1由防锈铝管/棒加工而成，用于连接换热器前后端壳体结构，同时隔绝内部流体冷却工质和外部冷空气并使其在温差作用下进行换热，起密封和支撑作用；

外部环翅2为环绕圆管外壁面的整圈环片结构，沿换热管轴向等距排列，通过车削方式加工而成，加工方式简单且易于控制，环翅与管壁连接机械特性较好，用于增大外部管壁与冷空气接触换热面积，且环翅与管壁一体化结构可有效提升换热管的径向强度；

所述预留焊接面3设置在换热管主体1两端台阶外端面处，焊接面位于换热管两端台阶外圆端面处，可与孔板平面通过钎焊焊接。通过真空钎焊等方式与壳体部件进行焊接，起密封和连接作用；

内部纵翅4为贯穿换热管的矩形截面翅片，16个翅片沿管内壁周向等角度排列，相邻翅片间夹角为22.5°，高低交错，由线切割方式加工而成，用于增大内部管壁和冷却流体的接触换热面积，且纵翅与管壁的一体化结构可有效提升换热管轴向结构强度。

如图3所示，本实用新型实施例的焊接方式为将换热管主体1通过预留焊接面3焊接在换热器的进出口处，换热管上部为入口腔，下部为回流腔，冷却工质先由入口腔进入换热管内部并通过管壁及翅片与换热管外部的冷空气进性换热，后经回流腔导流后经另一侧换热管流出，同时继续与外部冷空气换热。换热器入口腔和回流腔壳体结构完全由换热管连接支承，无需额外结构件，结构简单可靠。

流体流动方式如图4所示，冷空气以外掠横管的形式流经外部环翅2之间的间隙并与之进行换热带走多余热量。高温冷却工质流经换热管内部并与内部纵翅4充分换热，以降低温度并持续循环为设备降温。

结合图1，换热管主体1内径为d_i，外径为d_o，长度为l，外部环翅2厚度为δ₁，沿换热管轴向以特定间距排列，翅片高度为H₁。

结合图2，纵翅4的厚度为δ₂，在换热管内部沿内壁周向以特定角度排列，翅片高度为H₂和H₃。换热管外部换热面总面积为A_o，其包含肋片突出部分面积A_o1和肋间平壁部分面积A_o2；内部换热总面积为A_i，包含肋片突出部分面积A_i1和肋间平壁部分面积A_i2。当冷却工质温度t_fi，内部壁面温度t_wi，外部壁面温度t_wo，外部冷空气温度为t_fo时，在稳态条件下通过传热过程各环节的热流量Φ相同，引入带有单侧肋片的热流分析方法，故：

Φ＝h_iA_i1(t_fi-t_wi)+h_iη_fiA_i2(t_fi-t_wi)＝h_iη_iA_i(t_fi-t_wi)

Φ＝h_oA_o1(t_wo-t_fo)+h_oη_foA_o2(t_wo-t_fo)＝h_oη_oA_o(t_wo-t_fo)

式中：

为换热管内侧及外侧肋面总效率，其大小取决于翅片效率和翅片面积，一般可达80％以上；t_w/2为换热管管壁一半处温度值。联立上述热流量四式并消去t_wi、t_w/2和t_wo，可得在特定换热流体温度下通过本换热管的换热量为：

和同样换热流体状体下无翅片圆管换热量

相比，由于其有效换热面积提升比率远大于翅片效率，综合考虑肋片总面积、换热管壁厚、流体与管壁间的对流换热系数、换热管热导率等因素的影响并结合上式进行计算，其有效换热量可提升4倍以上，且同样换热量所需换热管的总重量可降低1/4。通过有限元方法对本实用新型实施例具有内部纵翅的换热管结构强度进行核算，其轴向强度和径向强度和同样管壁厚度的光管相比提升了约3倍。

故本实用新型实施例带有内部纵翅的高效换热管可大大减少换热器中换热管的使用数量，可有效降低换热器的体积和重量并简化整体结构。同时其内部贯穿换热管的纵翅结构可有效提升换热管结构强度，增强其严酷力学环境下的适用性。

同时，本实用新型实施例的一种具有内部纵翅结构的换热管的制作工艺，工艺步骤如下：

S100、备管料或棒料并装夹毛坯，端面见光；

S200、车外圆，车台阶外圆，成型焊接端面；

S300、车环形槽，保证轴向槽间距尺寸，注意切削产生的铝屑挤压变形(棒料增加钻内孔步骤，两端加工)；

S400、车护具装夹零件，车反端台阶外圆，成型焊接端面；

S500、割双半圆形护具装夹零件，螺钉紧固装卡，避免装夹接触面过小或零件松动导致切割电流不稳形成电蚀损伤零件，依纵翅厚度线割内孔，线割速度不高于40mm²/min，翅片无折弯、扭曲或断裂。保留基准，反复装夹并批量加工。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种具有内部纵翅结构的换热管，包括换热管主体(1)，其特征在于：所述换热管主体(1)管内沿内壁周向布置横贯换热管的内部纵翅(4)；

所述换热管主体(1)外部沿换热管轴向布置外部环翅(2)，管内流体经所述内部纵翅(4)时，通过所述换热管主体(1)的管壁和所述外部环翅(2)与外部流体进行换热。

2.根据权利要求1所述的具有内部纵翅结构的换热管，其特征在于：所述换热管主体(1)的外部还设置预留焊接面(3)，所述预留焊接面(3)设置在换热管主体(1)两端台阶外端面处。

3.根据权利要求2所述的具有内部纵翅结构的换热管，其特征在于：所述内部纵翅(4)的翅片在换热管主体(1)内部周向等距排列，高低交错布置。

4.根据权利要求2所述的具有内部纵翅结构的换热管，其特征在于：所述内部纵翅(4)的翅片，沿换热管主体(1)内壁周向等角度排列，相邻翅片间夹角为22.5°。

5.根据权利要求4所述的具有内部纵翅结构的换热管，其特征在于：所述内部纵翅(4)的翅片为16个。

6.根据权利要求2所述的具有内部纵翅结构的换热管，其特征在于：所述外部环翅(2)的翅片在换热管主体(1)外沿轴向等距排列。

7.根据权利要求2所述的具有内部纵翅结构的换热管，其特征在于：所述外部环翅(2)的翅片间距大于或等于翅片厚度。

8.根据权利要求2所述的具有内部纵翅结构的换热管，其特征在于：所述换热管主体(1)为圆形铝棒或管材料。