專利名稱：高壓致冷劑的高性能熱傳遞表面的制作方法
在某些制冷應(yīng)用中，比如冷凝器或蒸發(fā)器中，被冷卻的液體經(jīng)過一管子，而液體致冷劑與此管子的外表面相接觸。致冷劑從液態(tài)變成蒸汽狀態(tài)，于是從管內(nèi)的待冷卻液體吸收熱量。如何選擇管子的外部結(jié)構(gòu)在決定管子的沸騰特性和總的傳熱率方面有非常大的影響。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)核化沸騰點(diǎn)的產(chǎn)生可加強(qiáng)對(duì)沸騰液體的熱傳遞。已經(jīng)有理論認(rèn)為在熱交換器表面提供蒸汽截留空腔可產(chǎn)生核化沸騰點(diǎn)。
在核化沸騰時(shí)，熱交換器表面使鄰近截留蒸汽泡的液體過熱。當(dāng)此液體在液汽交界面處汽化時(shí)熱量傳給汽泡，汽泡變大直到彈力和沖力克服了表面張力，而汽泡從表面破裂。當(dāng)汽泡離開表面時(shí)，新的液體浸濕了現(xiàn)已空出的區(qū)域，而剩下的蒸汽又增加了液體源以使蒸汽形成下一個(gè)汽泡。液體的汽化、鄰近于熱傳遞表面的已加熱液體的連續(xù)剝離以及由于汽泡對(duì)液池的攪動(dòng)而產(chǎn)生的傳統(tǒng)效果使熱交換器表面的熱傳遞率提高了。蒸汽截留空腔內(nèi)發(fā)生的熱傳遞的機(jī)理最準(zhǔn)確地描述成薄層蒸發(fā)。我們知道在形成蒸汽泡的區(qū)域表面熱傳遞率較高。結(jié)果，總的熱傳遞率趨向于隨著熱交換器表面每單位面積上蒸汽截留點(diǎn)的密集度而增加。比如授予Webb的美國(guó)專利No.3，696，861的題為“具有高的沸騰熱傳遞系數(shù)的熱傳遞表面”的專利。在Webb的專利中，熱交換器上的鰭片沿單一方向卷向鄰近的一個(gè)鰭片以在相鄰鰭片間形成狹窄的縫隙。在Webb專利中，理論表明了這些狹窄縫隙產(chǎn)生了表面下的蒸汽截留點(diǎn)或截留空腔，還表明這些狹窄縫隙起著將截留點(diǎn)或截留空腔與沸騰液體相連通的凹腔開口的作用。
在沸騰熱傳遞理論中我們也知道相鄰鰭片間具有連續(xù)縫隙的管子會(huì)降低性能，即來自周圍環(huán)境的過多流量的液體致冷劑會(huì)吸入及涌入蒸汽截留點(diǎn)或使截留點(diǎn)失效。
已經(jīng)論及了涌入問題，而且建議了采用具有通過表面開口或細(xì)孔與環(huán)境連通的表面下通道的加強(qiáng)管，其中開口或細(xì)孔與封閉部分相交替。作為例子，這種管子示于Mathur等人的題為“高性能熱傳遞管”的美國(guó)專利No.4，438，807中。Mathur專利提供了交替的開口和封閉部分，其中只在內(nèi)肋上面或管內(nèi)形成的凹部上面的那些位置才有空腔的開口。
題為“制造加強(qiáng)的熱傳遞表面的裝置”的美國(guó)專利No.4，765，058中揭示了一種鰭片管，它具有多個(gè)由于彎過鄰近鰭片而構(gòu)成的表面下通道，這些通道通過大量的均勻間隔且大致固定尺寸的表面細(xì)孔與外部空間相連通。
此No.4，765，058專利指出了表面下通道的尺寸以及管子表面上細(xì)孔的尺寸、數(shù)目、形狀對(duì)R-11的應(yīng)用特別關(guān)鍵。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)此專利所制造的管件為采用如R-11之類的低壓致冷劑提供了一種性能非常高的蒸發(fā)器管。然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)此專利的細(xì)孔密度對(duì)于比如R-22的較高壓力的致冷劑沒有帶來所希望的高性能熱傳遞特性。
R-11是大家知道的氯氟碳(CFC'S)致冷劑族中的一員。最近，越來越多的科學(xué)輿論認(rèn)為，CFC'S的輻射會(huì)促使消除用來保護(hù)地球表面免受紫外輻射有害作用的平流臭氧層。國(guó)際條約及聯(lián)邦和各州的法規(guī)中都在考慮將來對(duì)CFC'S的使用、制造、進(jìn)口及處理制定法規(guī)。R-22是大家知道的氫氯氟碳(HCFC'S)化合物族中的一員。人們相信，由于存在氫成分，HCFC'S在較低大氣層中基本分解了，結(jié)果其消除臭氧的能力大大低于R-11和其他CFC致凍劑。因此將來希望更廣泛地使用R-22。
當(dāng)結(jié)合如R-22之類的高壓致冷劑使用時(shí)提供最佳熱傳導(dǎo)的高性能沸騰管包括一導(dǎo)熱的基座部件以將熱量從其一側(cè)的熱源傳至另一側(cè)的沸騰液體。多個(gè)隔開的鰭片從與沸騰液體接觸的一側(cè)延伸。每個(gè)鰭片都有一個(gè)與基座部件及一尖端部件相連的底座部分。尖端部分向下一個(gè)鄰近的鰭片彎曲以在相鄰鰭片間形成一個(gè)表面下通道。此表面下通道具有交替的封閉部分，在那里有一部分長(zhǎng)度的尖端部分另外再?gòu)澢恍┮允惯@部分長(zhǎng)度的尖端部分與相鄰的鰭片接觸，還有開口部分，在那里彎曲的尖端部分與相鄰的鰭片隔開。每個(gè)開口部分的橫截面積從0.000220平方英寸至0.000440平方英寸，這樣開口部分形成了某一尺寸的交替的凹部開口以提高高壓致冷劑的最佳沸騰。開口部分的總開口面積為另一側(cè)的整個(gè)表面積的14%至28%。


圖1是鰭片管的前視圖，顯示了多個(gè)鰭片形式，提供了本發(fā)明的核心沸騰表面;
圖2是包括一蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)示意圖，蒸發(fā)器中可采用本發(fā)明的核心沸騰表面;
圖3是美國(guó)專利No.4，765，058的已有技術(shù)傳熱管的立體圖;
圖3a是圖3的一部分管子表面的放大圖;
圖4是本發(fā)明的采用高壓致冷劑的高性能蒸發(fā)器管子的立體圖;
圖4a是圖4管子的部分傳熱表面的放大圖;
圖5是圖4管子傳熱表面放大約50倍的局部示意圖;
圖6是采用高壓致冷劑的本發(fā)明高性能蒸發(fā)器管子與已有技術(shù)的加強(qiáng)管的沸騰性能相比較的曲線圖。
本發(fā)明的熱交換表面及管件與先前的Zohler的美國(guó)專利No.4，765，058所揭示的那種相比有了特別的改進(jìn)。先前的Zohler專利的管件可首先采用鰭片成形盤在未成形管的外表面形成外鰭片盤旋來進(jìn)行制造。其結(jié)果是相鄰的盤旋鰭片的尖端部分彎曲相鄰的鰭片。這樣產(chǎn)生了繞管件外側(cè)延伸的大致封閉的細(xì)長(zhǎng)空間，下面將其稱作表面下通道。如果鰭片是分離的圓形鰭片，則每個(gè)空間包含一個(gè)單獨(dú)的環(huán)形表面下通道。如果另一方面，鰭片成螺旋狀，則表面下通道繞管件的外部螺旋地延伸。
如在先前Zohler專利中所揭示的那樣，表面下通道有交替封閉的部分，在那里一部分尖端部分另外的再?gòu)澮恍┮耘c相鄰的鰭片接觸，另外，表面下通道還有開口部分，在那里彎過的尖端部分與相鄰的鰭片隔開。開口部分構(gòu)成了交替的凹入開口，這些開口使淹沒管子的那部分流體的沸騰得到促進(jìn)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)Zohler的058號(hào)專利制造的具有大量非常小的、均勻間隔的且尺寸固定的表面細(xì)孔的管件當(dāng)采用比如R-11的低壓致冷劑時(shí)帶來了顯著改善的傳熱性能。然而，用同樣的管件，當(dāng)采用如R-22之類的較高壓的致冷劑時(shí)，不能產(chǎn)生所預(yù)期的性能改進(jìn)。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單個(gè)細(xì)孔本身的橫截面面積在采用如R-22的較高壓致冷劑時(shí)對(duì)傳熱能力獲得顯著提高是關(guān)鍵性的因素。
現(xiàn)請(qǐng)參照附圖，圖1顯示了本發(fā)明的傳熱表面應(yīng)用于未預(yù)先成形的管子的方式。此圖顯示了制作傳熱表面的順序步驟，此傳熱表面可根據(jù)Zohler的058號(hào)專利進(jìn)行制造。多個(gè)間隔的鰭片12從基座部件或管子10延伸，并可以圖示形狀的連續(xù)螺旋的方式相連。鰭片12可用單獨(dú)材料制成后連結(jié)到管子10的外表面，或者可從管子10機(jī)加工而成一體。圖1的右邊，鰭片12彎轉(zhuǎn)成每個(gè)鰭片12的尖端部分14與下一個(gè)相鄰鰭片隔開而不與之接觸。圖1中的最后三排鰭片顯示了經(jīng)過適當(dāng)加工而產(chǎn)生了分別用數(shù)字標(biāo)號(hào)16和18表示的交替封閉和開口部分的鰭片。
在繼續(xù)進(jìn)行對(duì)較佳實(shí)施例的描述之前應(yīng)當(dāng)指出，這里所有的附圖不是以實(shí)際的比例描繪管件、表面和開口等等。本發(fā)明的許多特征是“微觀”的。這里所用的“微觀”一詞指物體很細(xì)小而不用顯微鏡則很難辨認(rèn)。在本發(fā)明的一種典型管件中，用肉眼看，管子表面繞有螺旋線且表面粗糙。而不求助顯微鏡則不容易辨認(rèn)單個(gè)的封閉或開口部分。由于對(duì)本發(fā)明來說，開口部分的實(shí)際橫截面面積是關(guān)鍵的，因此將表面及開口顯示成這些開口的尺寸與已有技術(shù)相比可清楚地得到辨別。這些“微觀”特征的實(shí)際尺寸對(duì)所說的本發(fā)明也是關(guān)鍵的，因此這里結(jié)合附圖詳細(xì)地給出了這些特征的尺寸。
作為比較，圖3顯示了根據(jù)058號(hào)專利的傳熱管。圖3A顯示了放大了的圖3管子的表面。
圖4顯示了采用較高壓致冷劑的本發(fā)明的傳熱管。圖4A顯示了放大了的圖4的管子表面。在圖4和圖4A的管子中，(與圖3及圖3A相比)每隔一個(gè)的封閉部分16被消除了，結(jié)果使在同樣尺寸的管子繞周向的開口18數(shù)目為一半。單個(gè)開口的尺寸比已有技術(shù)管件的要大得多，這在后面可以看出。
再看圖5，將描述采用R-11時(shí)具有高性能傳熱表面的058號(hào)專利的傳熱管的尺寸。此后還將給出采用較高壓的致冷劑的高性能傳熱管的相應(yīng)尺寸。提到的尺寸將首先進(jìn)行定義和/或描述然后在表中給出。
外徑OD是具有傳熱表面的管件的公稱直徑。
每英寸外鰭片此數(shù)字表示每一英寸長(zhǎng)的管件所形成的如圖1中數(shù)字12所指的鰭片數(shù)目。
槽寬現(xiàn)參看圖5，“槽”指熱傳遞表面的封閉部分，而槽寬由周向測(cè)量的尺寸“W”所表示。
槽數(shù)/鰭片/圈數(shù)這表示每圈管子上的槽數(shù)，此數(shù)目必然也等于繞管子每圈的每個(gè)鰭片的開口區(qū)或“細(xì)孔”數(shù)目。
細(xì)孔尺寸圖5中的尺寸“1”和“d”表示單個(gè)細(xì)孔開口的公稱線性尺寸。
細(xì)孔大小每個(gè)單獨(dú)的細(xì)孔形狀在尺寸上與半個(gè)橢圓相似。采用熟知的橢圓幾何關(guān)系，單個(gè)細(xì)孔的橫截面積最好由下列等式近似地得出細(xì)孔面積＝1/2π(“1”/2)(d)根據(jù)美國(guó)專利No.4，765，058的R-11管子。
公稱直徑.720英寸外鰭片/英寸42.5槽寬W＝.011英寸槽數(shù)/鰭片/圈67細(xì)孔尺寸d＝.0045英寸1＝.0298英寸從上可知，對(duì)于R-11管子，細(xì)孔的公稱橫截面積可計(jì)算出1/2π(“1”/2)(d)＝.000105平方英寸。
較高壓致冷劑的高性能管子公稱直徑.720英寸外鰭片/英寸42.5槽寬W＝.011英寸槽數(shù)/鰭片/圈34細(xì)孔尺寸d＝.0063英寸1＝.062497英寸利用上述數(shù)據(jù)，高壓致冷劑高性能管子的細(xì)孔的公稱橫截面積是0.000309平方英寸。
由上可注意到高壓的高性能管子的單個(gè)細(xì)孔開口的橫截面積差不多是采用低壓R-11致冷劑時(shí)具有高性能的管子的橫截面積的三倍。
為了更全面地表示本發(fā)明高壓致冷劑管子與已有技術(shù)的區(qū)別，對(duì)上述例子中所描述的管子的細(xì)孔總面積進(jìn)行了比較。對(duì)于公稱直徑(d)為.720英寸的整體管子，對(duì)每英寸長(zhǎng)的管子其圓柱形參考面積可計(jì)算得出A＝πd＝2.262平方英寸。以此作為參考，每個(gè)管子的開口面積的百分比可計(jì)算如下開口面積百分比＝ (開口面積/英寸)/(2.262平方英寸/英寸)R-11管子開口面積百分比＝ ((67開口/鰭片)(.000105平方英寸)(42.5鰭片/英寸))/(2.262平方英寸/英寸)＝13.2%R-22管子開口面積百分比＝ ((34開口/鰭片)(.000309平方英寸)(42.5鰭片/英寸))/(2.262平方英寸/英寸)＝19.7%將根據(jù)美國(guó)專利No.4，765，058的R-11管子的開口面積百分比為根據(jù)本發(fā)明的R-22管子開口面積百分比相比較，顯示出R-22管子的總開口面積大了將近50%。
本發(fā)明能顯著提高性能的這類較高壓致冷劑包括R-12、R-13、R-22、R-134a、R-152a、R-500、R-502及R-503等，但不限于這些。
一個(gè)有助于確定與本發(fā)明有關(guān)的“較高壓致冷劑”一詞的方便的關(guān)系式就是克勞-克萊皮倫等式(dP)/(dT) ＝ (λ)/(T△V)其中，P＝壓力T＝相變發(fā)生的溫度
λ＝相變潛熱△V＝伴隨相變的體積變化此等式是將相變潛熱與其他所定義的參數(shù)相聯(lián)系的基本等式。dP/dT一項(xiàng)可以簡(jiǎn)單地定義成蒸汽壓力曲線的斜率，且能利用發(fā)表的致冷劑圖表中的數(shù)據(jù)對(duì)不同致冷劑方便的進(jìn)行計(jì)算。比如，可以從ASHRAE(美國(guó)加熱、制冷及空調(diào)工程協(xié)會(huì))的一些出版物中獲得這些數(shù)據(jù)。
表1中列出了一些被認(rèn)為是低壓致冷劑在40°F時(shí)的dP/dT一項(xiàng)的數(shù)值。類似地，表2中給出了一些較高壓致冷劑的dP/dT值。
表1 低壓致冷劑的dP/dT值致冷劑 dP/dTR-11 .163磅/平方英寸/°FR-113 .071磅/平方英寸/°FR-114 .33磅/平方英寸/°F表2 較高壓致冷劑的dP/dT值R-12 .88磅/平方英寸/°FR-13 4.52磅/平方英寸/°FR-22 1.47磅/平方英寸/°FR-134a .979磅/平方英寸/°FR-152a .89磅/平方英寸/°FR-500 1.10磅/平方英寸/°FR-502 1.62磅/平方英寸/°FR-503 6.27磅/平方英寸/°F上表中很明顯較高壓致冷劑的蒸汽壓力曲線的斜率要大得多。對(duì)于本發(fā)明的目的來說，所指的較高壓致冷劑一詞包括其蒸汽壓力曲線的斜率dp/dt大于約.60磅/平方英寸/°F的致冷劑。
我們還相信本發(fā)明的管子使采用較高壓致冷劑的性能大大提高，在管子中單個(gè)細(xì)孔的橫截面積在.000220平方英寸至.000440平方英寸的范圍內(nèi)，而其總開口面積為有效傳熱表面的總表面積的14%至28%。
而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用R-22時(shí)的單個(gè)細(xì)孔的橫截面積應(yīng)在.000267平方英寸至.000353平方英寸的范圍內(nèi)，而開口部分的總面積為有效傳熱表面的總面積的16.7%至22.5%。
現(xiàn)請(qǐng)參看圖6，它圖示了在實(shí)施本發(fā)明管子的“R-22”管與實(shí)施美國(guó)專利No.4，765，058管子的“R-11”管之間進(jìn)行比較的單位長(zhǎng)度傳熱系數(shù)和單位長(zhǎng)度熱流量。為實(shí)現(xiàn)此比較，兩種管子都用R-22進(jìn)行測(cè)試，且可從比較中得知，根據(jù)本發(fā)明的高性能蒸發(fā)器管“R-22”比采用R-22致冷劑的“R-11”管的單位傳熱系數(shù)增加了約20%的至40%。
圖2示意地顯示了一種標(biāo)準(zhǔn)壓縮制冷系統(tǒng)，它具可采用本發(fā)明傳熱表面的管殼式蒸發(fā)器20。蒸發(fā)器20與包括一壓縮機(jī)22、冷凝器24及膨脹裝置26相連的制冷回路相連。往復(fù)式或離心式壓縮機(jī)都可使用，為說明起見，圖中顯示了一個(gè)離心壓縮機(jī)22。蒸發(fā)器20由一外殼21、端蓋23和25以及將待冷卻液體從進(jìn)口端蓋23導(dǎo)至出口端蓋25的間隔很近的管子30組成。水或其他待冷卻液體從進(jìn)口28流過管子30并通過出口32排出。來自冷凝器24的致冷液在從膨脹閥26流出時(shí)膨脹進(jìn)入外殼21。進(jìn)入蒸發(fā)器20的致冷劑是液體和蒸汽的混和物。當(dāng)致冷劑流過與管子30外側(cè)相接觸地流過外殼21時(shí)液體被蒸發(fā)。這樣由于強(qiáng)制對(duì)流和核化沸騰結(jié)合的方式引起了熱量傳遞至致冷劑。
雖然促使本發(fā)明能在采用高壓致冷劑時(shí)為增加的熱傳遞提供高性能沸騰表面的準(zhǔn)備機(jī)理很難確切描述，但可以相信低壓致冷劑和高壓致冷劑之間的空氣密度的大差異會(huì)有助于解釋較大橫截面積會(huì)增加較高壓致冷劑性能的原因。高低壓致冷劑的液體密度很相似，比如R-22和R-11。另一方面，這些致冷劑的蒸汽密度差別很大，低壓致冷劑每磅致冷劑的蒸汽體積極高。其結(jié)果是，對(duì)于相同體積的液體，低壓致冷劑會(huì)產(chǎn)生體積大得多的蒸汽或在沸騰狀態(tài)蒸汽本身表現(xiàn)為汽泡。
現(xiàn)在簡(jiǎn)單地總結(jié)存在表面下通道和凹入開口時(shí)在沸騰傳熱狀態(tài)下會(huì)發(fā)生什么。我們相信由于有利的壓差，液體致冷劑被引導(dǎo)通過一些凹入開口進(jìn)入表面下通道。當(dāng)液體致冷劑開始加熱時(shí)它在表面下通道內(nèi)的“薄層”蒸汽-液體交界處蒸發(fā)。蒸汽形成并試圖從表面下通道通過其他凹入開口逸出。當(dāng)汽泡逸出時(shí)在空腔處形成了低壓區(qū)，結(jié)果吸入液體而補(bǔ)充以汽泡形式逸出的那部分，此循環(huán)自身重復(fù)。理論解釋是，由于將液體吸入表面下通道的離開的汽泡的泵吸作用、表面下通道內(nèi)的毛細(xì)管作用使導(dǎo)入的液體擴(kuò)散以及接著的液體汽化以形成另一代汽泡這些原因，維持了形成汽泡的機(jī)制。
在薄層蒸發(fā)傳熱理論中已知，如果凹入開口太大，則表面下空間或通道將充滿液體致冷劑且不會(huì)形成汽泡。由本發(fā)明所知的關(guān)系是，對(duì)于低壓致冷劑，小體積液體會(huì)產(chǎn)生較大汽泡，從而通過產(chǎn)生的沖力，有助于自然泵吸機(jī)理，而此自然泵吸機(jī)理導(dǎo)致機(jī)理通過表面細(xì)孔和表面下通道系統(tǒng)的液體。結(jié)果，很小的交替開口和封閉部分將產(chǎn)生極高性能的管子。另一方面，較高壓致冷劑對(duì)于同樣體積的液體致冷劑產(chǎn)生了小得多的汽泡，且在系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)致較低的泵吸能力。因此需要較大的凹入開口或細(xì)孔來使美國(guó)專利No.4，765，058中所描述的那類高性能傳熱管在使用高壓致冷劑時(shí)性能顯著提高。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，其特征在于包括，一管子10，用來引導(dǎo)較熱液體并通過將熱量傳遞給此管子周圍的沸騰液體來使之冷卻，一成形于所述管子外表面并與所述管子同軸設(shè)置的螺旋形傳熱鰭片12，所述螺旋鰭片具有與所述管子的外表面成一體的基底部分，所述鰭片從其基底部分向外延伸至尖端部分14，尖端部分14彎向下一個(gè)所述鄰近鰭片以在鄰近鰭片之間形成一個(gè)表面下通道，所述表面下通道具有交替的封閉部分16，在封閉部分處一段長(zhǎng)度所述尖端部分14再?gòu)澾^另外一部分以使這部分所述尖端部分14與鄰近鰭片相接觸，在開口部分18處所述彎曲部分與所述鄰近鰭片隔開，每個(gè)所述開口部分18的橫截面積從.000220平方英寸至.000440平方英寸，所述開口部分18的總開口面積是所述管子10的總外表面積的14%至28%。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換管，其特征在于，所述沸騰液體是較高壓致冷劑，所述致冷劑的蒸汽壓力曲線的斜率大于約.60磅/平方英寸/°F。
3.如權(quán)利要求2所述的熱交換管，其特征在于，所述的較高壓致冷劑從由R-12、R-13、R-22、R-134a、R-152a、R-500、R-502及R-503組成的致冷劑組中選出。
4.如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其特征在于，所述致冷劑是R-22，所述開口部分的所述橫截面積在.000267平方英寸至.000353平方英寸的范圍內(nèi)，所述開口部分的總面積是所述管子總外表面積的16.7%至22.5%。
全文摘要
一熱交換器表面用來使與其表面接觸的高壓致冷劑沸騰。此表面包括多個(gè)從與沸騰液體接觸的一側(cè)延伸出的間隔鰭片。每一鰭片有一與表面底部相連的基座部分及一尖端部分。尖端部分彎向下一個(gè)相鄰的鰭片而在相鄰鰭片間形成表面下通道。表面下通道有交替的封閉部分，在此處一段尖端部分再?gòu)澮恍┮允惯@段尖端部分與相鄰鰭接觸，而開口部分里彎曲尖端部分與相鄰鰭是分開的。每個(gè)開口部分橫截面積為.000220至.000440平方英寸。
文檔編號(hào)F25B39/02GK1061088SQ9110970
公開日1992年5月13日 申請(qǐng)日期1991年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月24日
發(fā)明者史蒂文·蘭德爾·祖勒 申請(qǐng)人:運(yùn)載器有限公司