一种新式满液式蒸发换热管的制作方法

本发明涉及一种蒸发器用传热管，尤其涉及一种新式满液式蒸发换热管，适用于中央空调系统冷水机组的蒸发器。

背景技术：

中央空调系统中，满液式蒸发器是冷水机组的重要设备。在满液式蒸发器中，换热管浸泡在制冷剂中，当温度相对高的循环水在管内通过时，与管外的制冷剂进行热交换，低温制冷剂产生沸腾现象。为了强化换热，产生了众多的专门技术制造的高效换热管。现在商业上流行的“t”形结构的高效换热管是一种典型强化换热管。其制造过程与特点如下：首先在换热管外表面加工出沿轴向延伸的螺旋翅片及相应的槽道，然后在翅片顶部沿径向均匀滚花造成缺口，翅片顶部相邻缺口之间形成突出，再利用压光轮进行碾压，使得缺口之间的突起部分向两侧延伸，形成“t”形翅片，两侧的延伸平台覆盖翅片两侧的槽道。由此，“t”形翅片与相应槽道形成长方形/正方形空穴结构。相邻“t”形翅片之间的缝隙成为下面空穴的出气口/进液口。中国专利zl95118177.7中公开的技术就是这种管型与加工方法的代表。实验证明该换热管的总换热系数要比光管高3倍以上。但是这种高效沸腾换热管也存在不足，其换热系数受壁面过热度影响很大，（壁面过热度定义为壁面温度减制冷剂的饱和温度的差值），壁面过热度大，换热系数就大；反之，换热系数则下降。一般情况下，制冷工业的冷水机组中的满液式蒸发器内，壳侧为制冷剂，换热管内流过水。壳侧制冷剂不断吸收换热管内的温度较高的热水的热量，产生相变，从而达到生产冷水的目的。在此过程中，壳侧发生的相变是等温过程。即，制冷剂的温度是等温不变的。但是由于制冷剂的沸腾热交换过程不断吸收热水的能量，使得换热管内的热水沿流动方向是变化的。具体讲，水入口处温度较高，出口处的温度较低，造成壁面过热度沿流体的流动方向是逐渐减小的。因此，换热系数沿热水流动方向逐渐降低，影响了换热管的平均换热系数。另外，美国专利3696861中公开了另外一种蒸发换热管的技术，其主要特征：换热管表面的翅片成弯曲状，向一侧倾斜，覆盖了相邻翅片之间沟槽，由相邻翅片与槽道组成空穴；相邻翅片之间并不接触，形成了连续间隙，且沿管子周向延伸，作为空穴的排汽/进液口。间隙宽度为0.001—0.005英寸（0.0254—0.127mm）：空穴内的生成的汽泡通过间隙逸出，制冷剂通过间隙流入空穴，形成连续过程。但是这种换热管的换热系数低于目前的常规商业用管，目前在市场上很少发现。这种蒸发换热管技术存在几点不足：首先，相邻翅片之间的间隙几何尺寸在制造中不易控制，且沿周向延伸，折算成排气口，与目前常规商业用管相比较，面积偏大。实验证明，空穴的开口尺寸大小直接影响气泡脱离空穴的速度。尤其面对不同热物性的制冷剂，空穴的开口尺寸需要很好控制。其次，这种管型的倾斜翅片与水平槽底构成的三角状空穴中，两个底角相差很大，一个是锐角，另外一个是钝角。具体讲，向空穴内部倾斜的翅片与水平槽底构成锐角，而另一翅片向外倾斜，与底面的夹角就形成钝角，因而在过热度减小的情况下，钝角处被激活的汽化核心数目就会减小，自然换热系数相应会下降。

传热学理论表明，影响沸腾换热的重要因素为加热面上汽化核心的数量，而汽化核心被激活的数量与壁面过热度与加热面的形状有关。理论与实验已经证明，相同过热度条件下，上开口小的空穴或窄缝处容易产生活化汽化核心。这很好解释了“t”形翅片的换热系数在过热度高时，换热系数高，当过热度小时，换热系数低。其原因在于“t”形翅片的翅片根部与空穴底面形成90度的夹角且空穴体积较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种加工简单，成材率高，在实际常用的壁面过热度范围内，换热系数受壁面过热度影响小，保持稳定，适应换热器变工况的条件，高效，沿循环水的流动方向换热系数基本恒定的新式满液式蒸发换热管。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种新式满液式蒸发换热管，其包括光段与蒸发表面段两部分，蒸发表面段包括换热管管体，其特征在于换热管管体外表面设置有沿换热管轴线呈螺旋状分布的倾斜弯曲翅片，翅片表面为曲面形状，且翅片朝同方向倾斜，相邻翅片顶部相互紧密接触，无缝隙，翅片覆盖翅片之间槽道，构成三角状空穴；翅片顶部设有梯形缺口，为空穴的排汽/进液口；换热管管体内表面设有沿周向均匀分布的突出的肋条，相邻肋条之间形成螺旋槽道。

为了进一步实现本发明的目的，所述的三角状空穴的底面由空穴底面平面部分和空穴底面斜面部分两部分组成，空穴中与向内倾斜的翅片根部接触的底面为水平面，为空穴底面平面部分；与向外倾斜的翅片根部相接触的底面为斜面，为空穴底面斜面部分；空穴底面平面部分与向内倾斜翅片间的夹角成锐角β1，空穴底面斜面部分与向外倾斜翅片间的夹角成锐角β2。

为了进一步实现本发明的目的，所述的空穴底面平面部分与空穴底面斜面部分的夹角为20°-60°，空穴3的底面的1/2—2/3是空穴底面平面部分，其余为空穴底面斜面部分。

为了进一步实现本发明的目的，所述的β1=45°，β2=50°。

为了进一步实现本发明的目的，所述的梯形缺口均匀分布，相邻的翅片间的梯形缺口交错分布。

为了进一步实现本发明的目的，所述的梯形缺口表面的法线与水平方向夹角70-90°。

为了进一步实现本发明的目的，所述的梯形缺口的深度为0.2---0.5mm，上开口宽度为0.3—0.8mm；底边宽度为0.1—0.5mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的翅片的长度为0.8—1.1mm，翅片厚度为0.08—0.25mm,相邻翅片根部间距为0.3—0.8mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的空穴的高度为0.3-0.5mm，底部宽度为0.3-0.5mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的螺旋槽道，槽深0.15--0.4mm，槽道20—70条。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：池沸腾过程可分为汽化核心生成，气泡成长，以及脱体阶段。若想提高沸腾换热系数，就必须针对池沸腾的不同阶段采取合理的强化措施。

（一）按照气泡的薄膜理论，气泡不断长大的机理是由于气泡与壁面间存在薄液膜层，在壁面的加热作用下，液膜不断产生蒸汽进入气泡内，因而直至气泡生长到脱体尺寸后离开壁面为止。由于成长中汽泡的界面接近球面形状，本发明换热管的翅片是弯曲状，与传统的“t”形垂直翅片相比较，能够与汽泡更好接触，提供更多的蒸汽进入汽泡，加速汽泡的生长，提高沸腾换热系数。

（二）影响沸腾换热效果的另外一个因素是汽泡从换热管表面的脱离频率，频率越高，沸腾换热效果越好。气泡脱离换热管表面空穴的频率与空穴上开口的大小及形状有关。经过可视化试验，通过对比，发现空穴上开口为梯形时，可以提高气泡脱体频率，提高沸腾换热系数。（三）在换热管表面的空穴内促进形成更多的活化的汽化核心点，进而产生更多的汽泡，也是提高沸腾换热效果的有效途径。传热学经典理论与实验表明：通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，

而不是整个加热面上，这些产生汽泡的点被称为汽化核心。生成汽化核心以及成长为汽泡需要能量，由于与平面相比较，角区形成汽泡需要的活化能最少，也即所需要的壁面过热度最低。因此，空穴内的汽泡发生在空穴的边角区域，而且发现在小的壁面过热度条件下，只有小角度的边角区才能生成气泡，能生成气泡。经典的沸腾理论证明了可视化实验的结果：产生汽泡的临界壁面过热度与边角区的角度成函数关系，即在壁面过热度较小时候，小角度的边角区内才能成为活化

的汽化核心点，产生气泡。实验显示，锐角三角形与矩形沟槽相比较，三角形沟槽内产生气泡所需要的壁面过热度比矩形沟槽要低15%以上。由于本发明的三角状空穴由两侧倾斜的翅片与空穴底面组成，其中一个翅片向内倾斜，而另外一根向外倾斜。向内倾斜的翅片与空穴的水平底面构成锐角，并沿周向延伸，从而造成锐角边角区；向外倾斜的翅片与水平底面构成钝角，不利于产生活化的汽化核心，为此，将与向外倾斜翅片根部相交的底面加工为斜面，其倾斜角度与水平夹

角约为20度—60度，从而形成锐角。这种设计使得空穴底面部分为水平面，部分为斜面，确保了三角形空穴的两底角都为小锐角，因而产生更多的汽化核心。采用的这种槽道底面设计，在过热度小的情况下依然能够产生大量的汽化核心，生成大量气泡。达到在换热管内的热流体温度沿流程不断降低，过热度不断减小的情况下，但是换热系数依然保持不变的效果。另外一方面，三角形空穴比正方形/矩形空穴体积小，这有利于过热度小（小热流密度）的工况下的沸腾。

附图说明：

图1为本发明的剖面示意图；

图2为本发明蒸发表面段的局部结构示意图；

图3为本发明蒸发换热管外表面局部放大图；

图4为本发明与常规蒸发换热管的沸腾换热实验数据对比图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：

实施例：一种新式满液式蒸发换热管（参见图1-图3），其包括光段1与蒸发表面段两部分。光段1用来与换热器的端板固定用，其外径为19mm。蒸发表面段为换热表面，蒸发表面段包括换热管管体8，换热管管体8外表面设置有沿换热管轴线呈螺旋状分布的倾斜弯曲翅片2，翅片2表面为曲面形状，且翅片朝同方向倾斜，相邻翅片2顶部相互紧密接触，无缝隙，翅片2的长度为0.8—1.1mm，翅片2厚度为0.08—0.25mm,相邻翅片2根部间距为0.3—0.8mm。翅片2覆盖翅片之间槽道，构成三角状空穴3，空穴3的高度为0.3-0.5mm，底部宽度为0.3-0.5mm；三角状空穴3的底面由空穴底面平面部分7和空穴底面斜面部分6两部分组成，空穴3中与向内倾斜的翅片根部接触的底面为水平面，为空穴底面平面部分7；与向外倾斜的翅片根部相接触的底面为斜面，为空穴底面斜面部分6；空穴底面平面部分7与空穴底面斜面部分6的夹角为20°-60°，空穴3的底面的1/2—2/3是空穴底面平面部分7，其余为空穴底面斜面部分6，空穴底面平面部分7与向内倾斜翅片间的夹角成锐角β1，空穴底面斜面部分6与向外倾斜翅片间的夹角成锐角β2，β1=45°，β2=50°。

翅片2顶部均匀分布梯形缺口5，相邻的翅片2间的梯形缺口5交错分布，梯形缺口5表面的法线与水平方向夹角70-90°，其作用为空穴的排汽/进液口，空穴产生的汽泡通过该排气口逸出，同时也是外面制冷剂对空穴进行补液的进液口；梯形缺口5的深度为0.2---0.5mm，上开口宽度为0.3—0.8mm；底边宽度为0.1—0.5mm。图标5显示了空穴顶部的梯形排汽/进液口。

换热管管体8内表面设有沿周向均匀分布的突出的肋条，相邻肋条之间形成螺旋槽道4，槽深0.15--0.4mm（优选0.3mm），槽道20—70条（优选15条）。

本发明加工方法如下：首先在光滑管表面加工出螺旋翅片及相应的翅间的槽道，通过滚花工艺，使得翅片顶部出现梯形缺口，此时缺口表面的法线方向与换热管轴向平行，然后通过碾压使翅片弯曲并倾斜，直至其顶部与相邻翅片上部接触，这时梯形缺口也随之发生扭转，因而其表面法线方向垂直于水平面，成为上述三角形空腔的排气/进液口。通过加工，使得空穴底面一部分为水平面，另外一部分为斜面。水平部分占底面的1/2---2/3,其余部分为斜面，斜面与水平面的夹角为20—60度。具体讲，与向内倾斜的翅片根部接触的底面部分为水平面；与向外倾斜的翅片根部相接触的底面部分为斜面，保证空腔的底角都是小锐角，并且空穴的三角形体积比“t”形翅片的正方形/矩形空穴体积小。

参照图4，显示了本发明新型换热管与常规换热管的对比实验结果。实验中使用的制冷剂为r134a，蒸发压力为0.26mpa，相应饱和温度5.6℃。本发明换热管与常规换热管单位长度上的空穴数目相同，约1950个/米。在实验中，通过改变热水的温度来改变壁面过热度。在实验的过热度范围内（过热度从1.1℃增加到4.3℃），新型蒸发换热管比常规换热管的平均换热系数提高了31%，尤其在低过热度条件时，新型换热管的换热系数比常规换热管提高了50%。在试验范围内，本新型换热管的最大换热系数与最低换热系数相比，相差17%；而同样条件下，常规换热管的最大换热系数与最低换热系数相比，则相差61%。显然，新型换热管换热系数随过热度的变化远小于常规换热管,相对而言，在换热器内沿管内流体的流动方向保持了平稳的换热系数。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分都属于现有技术。以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。