专利名称：使用翅片管的换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及把锯齿形的翅片围绕附着在管子的外圆周面上而形成的翅片管，使用这种翅片管的换热器，以及把这种换热器配备在排气流道上的热量回收装置。
背景技术：
作为围绕附着在回收燃烧废气的热量的换热器管子外圆周面上的翅片，以往的例子有前端开槽的L形断面的翅片，和前端开糟的U形断面的翅片等等。此外，在USP 3,652,820号专利文献(同族专利实公昭55-42140号公报)中，还公开了其中的如图12那样的，由每根翅片4都呈螺旋形的翅片管制成的换热器，上述翅片4上开有槽3，并围绕附着在管子1的外圆周上。
此外，本发明人等也发明了如特开平4-126997号公报中所揭示的那样的使用翅片管的换热器，其中的全部翅片相对于垂直管子轴线的直线是倾斜的，翅片的倾斜角θ为2°到20°(关于翅片的倾斜角请参阅图3)，并且包括开槽部分3在内的翅片4的全部高度H(参见图4)与位于翅片4根部的基部(不开槽的部分)2(参见图4)的高度H的比例(H/h，即开槽比)大于1.5，最好是3到15。在上述现有技术中，前端开槽的L形断面的翅片，和前端开糟的U形断面的翅片，翅片相对于管子的安装角度(即上述翅片倾斜角)为零，而且完全没有考虑如本发明人等在上述专利申请的发明中所说的开槽比(H/h)，还有，也没有详细考虑翅片的开槽部分的螺旋角。在本发明人等的上述专利申请的发明中，也没有详细考虑翅片的螺旋角度的大小。
因此，本发明的目的是提供一种具有更高的热传导率的结构的翅片管。本发明的目的还在于提供一种热传导率更高的换热器，以及装备有这种热传导率更高的换热器的热量回收装置。发明内容本发明提供一种把翅片围绕附着在管子的外圆周表面上的翅片管，这种翅片管在垂直于带状翅片的长度方向的规定间隔上，设有向内切入规定长度切口的开槽部分，和没有上述切口的位于翅片根部的基部，该翅片的开槽部分大体上沿着管子的半径方向朝向外侧，上述开槽部分相对于翅片与管子的连接线扭转2度到40度的范围，并且相对于垂直于管子轴线的直线倾斜2度到20度的范围。
此外，本发明还提供配备了若干根上述翅片管的换热器。
更进一步，本发明还提供一种热量回收装置，这种热量回收装置把上述配备了若干根翅片管的换热器布置成使上述翅片管的长度方向朝着与燃烧气体的流道垂直的方向，并且翅片相对于垂直于管子轴线的直线是朝下倾斜的；或者，这种热量回收装置把上述配备了若干根翅片管的换热器布置成使上述相邻翅片管的翅片相对于垂直于轴线的直线的倾斜，沿着燃烧气体的流道的方向是互相相反的，并且翅片管的长度方向是沿着水平方向的。
如以本发明的翅片管的开槽部分相对于垂直于管子轴线的直线的倾斜角度θ为10度做例子，则翅片的开槽部分的扭转角度α与传热系数比的关系如图7所示。如图7所示，扭转角度α在2到40度的范围内，传热系数比逐渐增大。不过，由于开槽部分的倾斜角θ受到把翅片卷绕附着到管子上去的时候的工艺性的限制(倾斜角θ太大，在卷绕附着时会和相邻的翅片发生干涉)，所以必须小于20度，此外，如果小于2度，那么由于设置倾斜角θ而使传热性能提高的效果就没有了，因此，倾斜角θ以在2-20度之间为佳。
另外，上述倾斜角θ全部设置在开槽部分固然有利于提高传热效率，但是如果在开槽部分不仅设置扭转角α，而且还设置倾斜角θ，则更能提高传热效率。
如上所述，当采用本发明的在翅片上带有一定的扭转角α和倾斜角θ的翅片管时，能够提高传热效率，并且能大大减轻翅片管的重量。
更进一步，如果采用翅片的开槽比(H/h)大于1.5，最好是3-15的翅片管，则传热性能会非常好。
此外，如果把高度H与固定在管子1上的翅片4之间的间隔S(参见图9)的比例(H/S)取在3.0-8.0的范围内，则传热性能就最高，借助于采用在这一范围内的H/S比，具有极大的减轻翅片管(传热管)重量的效果。
此外，本发明的上述翅片管，既可以采用全部翅片从它与管子的连接部分开始就与垂直于轴线的直线倾斜的结构，也可以采用只有翅片的开槽部分与垂直于轴线的直线倾斜的结构。
采用本发明的翅片管的换热器不仅可用于燃烧气体的热量回收装置，也可以用于空调器、滤清器、轴流风机、冷冻机等的换热器上。附图概述图1是本发明一个实施例的翅片管的立体图；图2是说明图1中翅片的开槽部分的扭转角的图；图3是通过图1中翅片管轴线的平面的断面图；图4是从上方看图1中的翅片管的翅片最初围绕在管子的外圆周上的那一部分时，一部分切口形状的平面图；图5是本发明另一个实施例的通过翅片管轴线的平面的断面图；图6是表示本发明的一个实施例的翅片管的开槽部分的倾斜角θ、扭转角α与传热效率关系的图；图7是表示本发明的一个实施例的翅片管的开槽部分的扭转角α与传热系数比的关系图；图8是表示本发明的一个实施例的翅片管的翅片的开槽比与传热系数比的关系图；图9是表示本发明的一个实施例中以翅片管的开槽部分的倾斜角作为参数，安装在翅片管上的翅片的间隔S和翅片高度H的比例，与传热管的重量减轻率之间的关系图；图10是表示本发明的一个实施例中把采用翅片管的换热器布置在燃烧气流的管道内，使翅片管的长度方向朝着垂直方向，使翅片向下倾斜的例子，图10(a)是备翅片管的平面布置图，图10(b)是沿图10(a)的A-A线的垂直断面的剖视图；图11是说明把采用翅片管的换热器布置在燃烧气流的管道内，翅片管翅片的倾斜角朝向上方时的不合理的情况；图12是表示现有技术中的翅片管的图。本发明的最佳实施方式下面，参照
本发明的一个实施例。但是，本发明并不仅限定于下面的实施例。
对于和现有技术中的例子具有相同功能的部件，采用同样的标号。
图1是本实施例的使用翅片管的换热器的立体图，在翅片管的管子1的外圆周上缠绕着螺旋状的、由基部2和开槽部分3组成的翅片4。图2是为说明图1中翅片4的开槽部分3的扭转角α的图，表示把开槽部分3相对于管子2和基部的连接线A扭转一个角度α的状态。此外，图3是图1中通过包含管子1的轴线所在平面的翅片管的平面图，其翅片4从根部(即基部2的根部)开始就倾斜一个角度θ(角度θ是包含开槽部分3在内的整个螺旋状缠绕在管子1的外圆上的翅片4的平面，与垂直于管子1的轴线的直线B所成的角度)。图4是从上方看图1中的换热器的翅片4最初围绕在管子1的外圆周面上的那一部分切口形状的平面图。
此外，图5表示作为本发明的另一个实施例的、包含通过管子1的轴线在内的翅片管的断面图。在该实施例中，使翅片4的基部2沿垂直于管子1的轴线的直线B，而使翅片4的开槽部分3与之倾斜一个角度θ(角度θ是螺旋状缠绕在管子1的外圆周上的翅片4的开槽部分3的平面，与垂直于管子1的轴线的直线B所成的角度)。
在图6、图7中表示了上述那种使翅片4的开槽部分3相对于管子1的轴线倾斜了上述角度θ、并且扭转了角度α的翅片管的传热效率的测量结果。在图6中，标记●表示扭转角α和整个翅片的倾斜角θ都是零的情况下，传热系数比与雷诺数(Re)之间的关系；标记△表示开槽部分3的倾斜角θ为零，开槽部分3的扭转角α为30度时，只有基部2的倾斜角θ(螺旋状缠绕在管子1的外圆周上的翅片4的基部2的平面与垂直于管子1的轴线的直线所成的角度)为0-10度之间的各种数值时的关系；标记○表示开槽部分3的扭转角α为30度，并且把基部2和开槽部分3设置在同一平面上，使整个翅片4的倾斜角为10度时，传热系数比与雷诺数(Re)之间的关系。
其中，所谓传热系数比，是与特定的关于热传导的柯尔伯恩(Colburn)J因数的标准值相比的比值。在本实施例中，在图6中，以Re＝20×103时的标记●(扭转角α和整个翅片4的倾斜角θ都是零的情况)的J因子的值为标准值。
此外，雷诺数(Re)的值可由下式求出Re＝DG/μ式中，D管子的外径，G废气的质量流速，μ废气的粘滞系数。
此外，图6中的数据是采用如下参数的翅片管而获得的管子外径为31.8mm，翅片的节距为3.63mm，翅片的高度为12.7mm，翅片的厚度为1.2mm，翅片的高峰数为7.0个/英寸，开槽比(H/h)为2.5。
如图6所示，与开槽部分3的扭转角α和倾斜角θ都是零的情况相比，当开槽部分3的扭转角α为30度，并且倾斜角θ为0度时，传热系数比大，而当开槽部分3的扭转角α为30度，并且倾斜角θ为10度时的传热系数比进一步增大。这里，必须注意的是，标记为△的数据在只使基部2的平面相对于垂直于管子1的轴线的直线在0到10度倾斜角的范围内变化时，传热系数比是不变的。这说明即使在基部2上设置上述倾斜角，上述基部2的倾斜角度对提高传热效率没有影响。此外，标记为△的数据是开槽部分3的倾斜角θ为零时的数据，而标记为○的数据的主要不同之处是在开槽部分3上设置了倾斜角θ。根据标记为○的数据可知，由于在开槽部分3上设置了倾斜角θ，要比标记为△的情况更有助于提高传热效率。因此，从图6所示的测定结果可知，在翅片4的开槽部分3上不仅设置扭转角α，而且还设置倾斜角θ，具有提高传热效率的效果。
此外，在图7中表示了开槽部分3的扭转角α与传热系数比的关系。图7中的数据是采用如下参数的翅片管而获得的管子外径为31.8mm，翅片的节距为3.63mm，翅片的高度为12.7mm，翅片的厚度为1.0mm，开槽部分的倾斜角θ＝10度，开槽比(H/h)为2.5。
如图7所示，对于使整个翅片4倾斜成倾斜角θ的情况(图3中的标记为○的数据)，和只使开槽部分3倾斜成倾斜角θ的情况(图5中的标记为●的数据)，它们的传热系数比的数值大致相同。从这个事实可知，扭转角α在2度到40度的范围内具有增大热传导率的效果，而使基部2相对于垂直于管子1轴线的直线倾斜，不具有提高热传导率的效果。
从以上图6和图7所示的数据可以得出结论，使翅片4的基部相对于垂直于管子1的轴线的直线倾斜，没有提高传热效率的效果，而在开槽部分3上设置倾斜角θ和设置扭转角α，特别是把扭转角α设定在从2度到40度的范围内，能提高翅片管的传热性能。
翅片4是以其基部2与管子的外圆周表面相接触，在翅片4与管子1之间通以高频电流，使翅片4与管子1的接触部分熔化焊接在一起的，为了在把翅片4一边焊接一边卷绕在管子1上的时候，避免相邻翅片4之间的干涉，开槽部分4的上述倾斜角θ必须小于20度。此外，由于倾斜角θ小于2度时便失去了设置倾斜角θ以提高传热性能的效果，所以最好把倾斜角θ定在2度到20度之间。
其次，在图8中显示了翅片4的开槽比对传热系数比的影响的检测结果。图8中的数据是采用如下参数的翅片管而获得的管子外径为50.8mm，翅片的节距为3.63mm，翅片的高度为19.05mm，翅片的厚度为1.2mm，扭转角α＝30°，开槽部分的倾斜角θ＝10°。
从图8可知，采用开槽比(H/h)大于1.5，最好是3到15的翅片管，其传热性能最好。此外，如取上述H/h比大于1.5，最好3到15时，在翅片4卷绕到管子1上去的时候所产生的翅片4根部摺皱的宽度小，而且把采用这种翅片管的换热器布置在废气管道中时的压力损失也能够减少，这些特点和本发明人先前申请的专利(特开平4-12697号申请)是一样的。
此外，在图3所示的翅片管中，如以开槽部分3的倾斜角θ作为参数，则其装在管子1上的翅片4的高度H与翅片之间的间隔S的比(H/S)，和传热管(管子1)的重量减轻率之间的关系如图9所示。图9中的数据是在下列情况下所测得的结果开槽部分2的扭转角α＝30°，翅片4的高度H＝19.05mm、12.7mm，倾斜角θ＝4°、8°、15°。由于传热性能最好是和换热器重量的减少联系在一起的，所以传热管的重量减轻率是传热性能的一种指标。
从图9可知，翅片4的高度H与翅片间隔S的比例(H/S)在3.0-8.0的范围内，具有传热性能好，提高传热管的重量减轻率的效果。
其次，图10是把采用上述翅片管的换热器布置在形成燃烧气流5的流道的管道6内，使管子1的长度方向朝着垂直方向布置的一个例子，图10(a)是各翅片管的平面布置图，图10(b)是沿图10(a)的A-A线的垂直断面的剖视图。在图10所示的实施例的情况下，其特征是翅片4相对于管子1轴线的倾斜角度布置成在垂直的方向是向下的。其原因是，如果象图11那样把上述翅片4的倾斜角度布置成在垂直方向是向上的，那么在这种翅片管用水冲洗时，就不能把清洗用的水排泄掉，而是积存在翅片4与管子1的连接部分，而这是造成换热器腐蚀的不利因素。
此外，虽然图中没有表示出来，但如果采用把翅片管的长度方向朝着燃烧气管道6的水平方向的换热器时，那么无论翅片4的上述倾斜角度朝着什么方向，都能够容易地把冲洗时的清洗用水从翅片管部分排出去，这时，如果把相邻翅片管1的翅片4倾斜角度的方向排列成各不相同，就能够利用翅片4倾斜角度方向的不同使得气流5紊乱，从而提高换热效率。
由于本发明的翅片管的构造复杂，具有在用来进行热交换的许多翅片4之间形成的狭窄的空间，所以在采用这种翅片管进行热量回收时，其最好用在这样的燃烧气管道内，该管道与燃烧清洁燃料例如LNG之类的燃烧装置相连，该装置所排放气体中几乎不含煤灰或者硫的氧化物。
不过，即使是燃烧含煤灰多的燃烧气体，或者含硫的氧化物多的燃烧气体，只要定期用水冲洗翅片管，也可以在这种燃烧气体的管道中配备具有本发明的翅片管的换热器。这种燃烧气体虽然可以用氨来进行脱氮处理，但这时硫的氧化物会和泄漏的氨起反应，产生酸性的硫酸氨，而酸性硫酸氨会附着在翅片管上。此外，煤灰也容易附着在翅片管上。另外，硫的氧化物还会凝结在温度较低的低温侧翅片管上成为硫酸。但是，用上面所说的定期用水冲洗翅片管的方法，就能够有效地除去翅片管上的附着物。因此，使用本发明翅片管的换热器，可以布置在发电用锅炉之类的具有燃烧室的锅炉的燃烧气体的管道(流道)中，或者各种燃料的废热回收锅炉的燃烧废气的管道内，用来作为热量回收装置。
此外，虽然在锅炉中分段成排布置了许多段翅片管作为过热管，但仍要把过热管内的一部分从燃烧气体管道中抽出来，为了控制过热蒸汽的温度而要在抽出管的外表面上喷水雾，在进行这种降温时，如果过热蒸汽的温度下降过多，降到饱和温度以下时，蒸汽就会凝结，这是必须避免的。因此，把安全系数考虑在内，水雾必须喷在抽出管外表面上进行降温，以使过热蒸汽处在完全饱和温度以上的过热温度范围内。为此，有必要把管从蒸汽温度最高的和比较高的这几段过热管中引出来，作为冷却部引到燃烧气体管道外部的降温器的位置上。因此，如果把本发明的传热性能很高的翅片管用作过热管，即使是作为温度比较低的那几段过热管，它内部的过热蒸汽也会在完全饱和温度以上，所以从温度比较低的区域的过热管部分也可以把降温用的抽出管引到燃烧气体管道的外部来。这样一来，降温用的喷雾水的温度和抽出管内的温度的差就小了，热应力就减小了，从而能够防止抽出管的损坏。工业应用性使用本发明的翅片管的换热器，不仅可用在燃烧气体的热量回收装置中，也可以用作空调机、滤清器、轴流风机、冷冻机等等的换热器。
权利要求
1.一种把翅片围绕附着在管子的外圆周表面上的翅片管，上述翅片管在垂直于带状翅片的长度方向的规定间隔上，设有向内切入规定长度切口的翅片的开槽部分以及没有上述切口的位于翅片根部的翅片的基部，该翅片的开槽部分大体上沿着管子的半径方向朝向外侧，其特征在于，上述开槽部分相对于翅片的基部与管子的连接线扭转2度到40度的范围，并且相对于垂直于管子轴线的直线倾斜2度到20度的范围。
2.如权利要求1所述的翅片管，其特征在于，包含开槽部分在内的翅片的整体高度(H)和位于翅片根部的基部的高度(h)的比例(H/h)大于1.5。
3.如权利要求1所述的翅片管，其特征在于，翅片的高度(H)与相邻两翅片之间的间隔(S)的比(H/S)为3.0-8.0。
4.如权利要求1所述的翅片管，其特征在于，整个翅片相对于从它和管子连接部分起的垂直于管子轴线的直线是倾斜的。
5.如权利要求1所述的翅片管，其特征在于，只有翅片的开槽部分相对于垂直于管子轴线的直线是倾斜的。
6.一种换热器，它具有把翅片围绕附着在管子的外圆周表面上的翅片管，上述翅片管在垂直于带状翅片的长度方向的规定间隔上，设有向内切入规定长度切口的翅片的开槽部分，和没有上述切口的位于翅片根部的基部，该翅片的开槽部分大体上沿着管子的半径方向朝向外侧，其特征在于，在换热器中配备有成排的多根翅片管，上述翅片开槽部分相对于翅片的基部与管子的连接线扭转2度到40度的范围，并且相对于垂直于管子轴线的直线倾斜2度到20度的范围。
7.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，它采用包含开槽部分在内的翅片的整体高度(H)和翅片根部的基部的高度(h)的比例(H/h)大于1.5的翅片管。
8.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，它采用翅片的高度(H)与相邻两翅片之间的间隔(S)的比(H/S)为3.0-8.0的翅片管。
9.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，它采用整个翅片相对于从它和管子连接部分起的垂直于管子轴线的直线是倾斜的翅片管。
10.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，它采用只有翅片的开槽部分相对于垂直于管子轴线的直线是倾斜的翅片管。
11.一种热量回收装置，它配备有换热器，其特征在于，上述换热器具有把翅片围绕附着在管子的外圆周表面上的翅片管，上述翅片管在垂直于带状翅片的长度方向的规定间隔上，设有向内切入规定长度切口的翅片的开槽部分，和没有上述切口的翅片根部的翅片的基部，该翅片的开槽部分大体上沿着管子的半径方向朝向外侧，其特征在于，在换热器中配备有成排的多根翅片管，上述翅片的开槽部分相对于翅片的基部与管子的连接线扭转2度到40度的范围，并且相对于垂直于管子轴线的直线倾斜2度到20度的范围，并且，配备有若干根上述翅片管的换热器布置成使上述翅片管的长度方向朝着与燃烧气体的流道垂直的方向，并且翅片相对于垂直于管子轴线的直线是朝下倾斜的。
12.如权利要求11所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有包含开槽部分在内的翅片的整体高度(H)和翅片根部的基部的高度(H)的比例(H/H)大于1.5的翅片管的换热器。
13.如权利要求11所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有翅片的高度(H)与相邻两翅片之间的间隔(S)的比(H/S)为3.0-8.0的翅片管的换热器。
14.如权利要求11所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有整个翅片相对于从它和管子连接部分起的垂直于管子轴线的直线是倾斜的翅片管的换热器。
15.如权利要求11所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有只有翅片的开槽部分相对于垂直于管子轴线的直线是倾斜的翅片管的换热器。
16.一种热量回收装置，它配备有换热器，其特征在于，上述换热器具有把翅片围绕附着在管子的外圆周表面上的翅片管，上述翅片管在垂直于带状翅片的长度方向的规定间隔上，设有向内切入规定长度切口的开槽部分，和没有上述切口的翅片根部的翅片的基部，该翅片的翅片的开槽部分大体上沿着管子的半径方向朝向外侧，其特征在于，在换热器中配备有成排的多根翅片管，上述翅片管开槽部分相对于翅片的基部与管子的连接线扭转2度到40度的范围，并且相对于垂直于管子轴线的直线倾斜2度到20度的范围，并且，配备有若干根上述翅片管的换热器布置成使上述相邻翅片管的翅片相对于垂直于轴线的直线的倾斜沿着燃烧气体的流道的方向是互相相反的，并且翅片管的长度是沿着水平方向的。
17.如权利要求16所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有包含开槽部分在内的翅片整体高度(H)和翅片根部的基部的高度(h)的比例(H/h)大于1.5的翅片管的换热器。
18.如权利要求16所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有翅片的高度(H)与相邻两翅片之间的间隔(S)的比(H/S)为3.0-8.0的翅片管的换热器。
19.如权利要求16所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有整个翅片相对于从它和管子连接部分起的垂直于管子轴线的直线是倾斜的翅片管的换热器。
20.如权利要求16所述的热量回收装置，其特征在于，它采用装有只有翅片的开槽部分相对于垂直于管子轴线的直线是倾斜的翅片管的换热器。
全文摘要
本发明提供一种把翅片围绕附着在管子的外圆周表面上的翅片管，上述翅片管在垂直于带状翅片的长度方向的规定间隔上，设有向内切入规定长度切口的开槽部分，和没有上述切口的位于翅片根部的基部，该翅片的开槽部分大体上沿着管子的半径方向朝向外侧，其特征在于，上述开槽部分相对于翅片与管子的连接线扭转2度到40度的范围，并且相对于垂直于管子轴线的直线倾斜2度到20度的范围。本发明还提供布置了若干根翅片管的换热器，以及把上述换热器布置在燃烧气体流道中的热量回收装置。
文档编号F28F1/36GK1112372SQ9419050
公开日1995年11月22日 申请日期1994年7月20日 优先权日1993年7月21日
发明者重中利则, 三村哲雄, 町田幸隆, 高鹰生男, 丸本隆弘 申请人:巴伯库克日立株式会社