传热管及其制造方法 |
|||||||
| 申请号 | CN200910246558.7 | 申请日 | 2009-11-30 | 公开(公告)号 | CN101793475A | 公开(公告)日 | 2010-08-04 |
| 申请人 | 威兰德-沃克公开股份有限公司; | 发明人 | 安德烈亚斯·比特勒; 吉恩·埃尔·海约尔; 罗那尔德·卢茨; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种传 热管 ，具有管轴线、带管外侧和管内侧的管壁，在管内侧上形成有从管壁 中轴 平行或螺旋形地环绕的内肋条，内肋条具有位于各相邻内肋条之间的槽，其中，相对于管轴线测量的内肋条的 螺旋 角 小于或等于45°；远离管壁的内肋条的区域以规律的间隔单侧不对称地基本沿着管周向 变形 ，其中内肋条的变形材料构成通过槽的伸出部；伸出部各自通过有限的变形区沿着内肋条延伸；在变形区的内部，变形连续变化，其中变形区中部的变形强于边缘的；利于起泡的空腔位于槽底部、内肋条的侧面和所构成的伸出部之间。本发明的另一个方面包括一种制造本发明 传热 管的方法，传热管具有在管外侧螺旋线形环绕的整体外肋条。 | ||||||
| 权利要求 | 一种传热管(1)，具有管轴线(A)、带管外侧(2)和管内侧(3)的管壁(11)，在管内侧(3)上形成有从管壁(11)中轴平行或螺旋形地环绕的内肋条(31)，内肋条(31)具有位于各相邻内肋条(31)之间的槽(32)，其特征在于，相对于管轴线(A)测量的内肋条(31)的螺旋角(α)小于或等于45°；远离管壁(11)的内肋条(31)的区域以规律的间隔单侧不对称地基本沿着管周向变形，其中内肋条(31)的变形材料构成通过槽(32)的伸出部(4)；伸出部(4)各自通过有限的变形区(41)沿着内肋条(31)延伸；在变形区(41)的内部，变形连续变化，其中变形区(41)中部(411)的变形强于边缘(412)的；利于起泡的空腔(5)位于槽底部(321)、内肋条(311)的侧面和所构成的伸出部(4)之间。 |
||||||
| 说明书全文 | 传热管及其制造方法技术领域背景技术[0003] 众所周知，通过传热表面的结构化，可加强传热效果。因此就可实现：每个单位的 传热表面都会比平整表面传递更多的热量。此外，可以减小产生的温差，由此有效地控制过 程。对于金属传热管而言，传热表面的结构化通常通过从管壁材料中生成肋条或类似元件 的形状而进行。这些一体成型的肋条与管壁保持坚固的金属连接并由此最佳地传递热量。 [0004] 在传热管的内侧，经常设置轴平行或螺旋形的肋条以改善传热性。通过加肋条，扩 大了管的内表面。此外，对于螺旋形排列的肋条，加强了管中流动的流体的涡流，由此改善 了热传递。如果要蒸发管中流动的流体，则给内肋条设置附加的结构部件，以便积极影响蒸 发过程。通常，在此产生空腔或下陷结构，因为这类结构对起泡的过程有利。 [0005] 通过管内表面的结构化，不仅加强传热效果，而且还增大了管中流动的介质的压 力降。这一效应并不理想，尤其是在蒸发过程中，因为蒸发温度随着压力下降，由此使得整 个过程不甚有效。 [0006] 专利文献JP59202397A提出，将内肋条的顶端弯曲，使得相邻肋条之间产生通道， 通道的开口窄于其最大宽度。类似的实施方式在文献EP1061318B1和JP05106991A中也有 提及。在这后两篇文献中，不仅使内肋条的顶端变形，还使整个肋条弯曲。EP1544563B1提 出将肋条顶端这样变形的建议，即使肋条具有T形横截面，由此在肋条之间形成下凹通道。 所有这四篇文献的共同点在于，下凹通道的横截面和开口宽度不改变。因此，这种结构中就 没有优先用于气泡形成和分离的位置。 [0007] 为了让气泡蒸发较为有利地形成并稳定，使下凹结构及其横截面形状和开口宽度 改变。例如，在专利文献JP05253614A中描述了开口宽度改变的结构。材料自内肋条的侧 面这样移动，以致肋条之间的通道被部分封闭。蒸汽气泡会在通道的开口位置逸出。不过， 开口的大小控制得差，并且制造过程不稳定。因此，该结构不适用于管低廉且效率稳定的制造。 [0008] 此外，专利文献US4733698描述了一种结构，在该结构中，肋条上部区域的材料通 过二次槽的径向压入而对称地移动。肋条之间的一次槽由二次槽区域内移动的材料封闭。 如此一来，就形成了隧道状部分。因此，为了封闭一次槽移动足够的材料，二次槽必须具有 加尖边的梯形横截面。通过加尖边，产生了边缘露出的结构，该结构不理想地增大了流动介 质的压力降。JP04100633A提出了一种很类似的结构，其制造方法与US4733698大大不同。 US4733698借助于多级拉伸和模制工艺对管进行加工，而JP04100633A首先对带材进行结4构化，随后使之形成管并焊接在纵向焊缝上。不过，通过其他制造工艺，无法克服该结构的 性能缺陷。 发明内容[0009] 本发明的任务在于，给管的内表面设置一个结构，其大大改善管内侧流动的介质蒸发时的热传递，同时不会过度增加压力降。此外，该结构制造低廉可靠。 [0011] 本发明包括一种传热管，具有管轴线、带管外侧和管内侧的管壁，在管内侧上形成有从管壁中轴平行或螺旋形地环绕的内肋条，内肋条具有位于各相邻内肋条之间的槽，其 中，相对于管轴线测量的内肋条的螺旋角小于或等于45。；远离管壁的内肋条的区域以规 律的间隔单侧不对称地基本沿着管周向变形，其中内肋条的变形材料构成通过槽的伸出 部；伸出部各自通过有限的变形区沿着内肋条延伸；在变形区的内部，变形连续变化，其中 变形区中部的变形强于边缘的；利于起泡的空腔位于槽底部、内肋条的侧面和所构成的伸 出部之间。 [0012] 在此，本发明从这样的考虑出发，S卩，提高管内侧上物质蒸发时的效率，尤其是对 于在管内侧上具有一体成型结构的金属传热管。 [0013] 蒸发物质和散热介质通常必须在物质上通过传热壁彼此分离。为此常用金属管。 蒸发物质可位于管外侧上，而散热介质在管内侧流动。或者，蒸发物质在管内侧流动，而散 热介质位于管外侧上。本发明涉及后者情况。 [0014] 在管内侧上蒸发时，管可水平或垂直地布置。此外，适用于管相对于水平面或垂直 面略微倾斜的情况。在制冷工程中，蒸发器通常具有水平的管子。与之相反，在化学工程中， 为了加热蒸馏柱，经常采用垂直的循环蒸发装置。在此，物质的蒸发是在直立管子的内侧上 发生的。 [0015] 为了能在散热介质与蒸发物质之间进行热传递，散热介质的温度必须高于蒸发物 质的温度。人们将这一温度差异称为产生的温差。产生的温差越高，也就会传递更多的热 量。另一方面，人们常致力于将产生的温差保持得较小，因为这样会对过程的效率有利。 [0016] 根据本发明，为了提高传热效率，在蒸发时，加强起泡沸腾过程。气泡的形成起始 于晶核点。该晶核点大多不是气体或蒸汽包含物。当累积的气泡达到一定的大小，它便离 开表面。如果晶核点在气泡分离的过程中被液体淹没，则晶核点不活动。表面也就必须这 样形成，即，在气泡分离时留下小气泡，其用作起泡新循环的晶核点。这是通过在表面上布 置空穴的方式实现的，在气泡分离之后，可将小气泡留在空穴中。 [0017] 在本发明中，构成在槽底部、肋条的侧面以及所形成的伸出部之间的空腔为根据 本发明的空穴。伸出部是由上部肋条区域的区域性变形而构成的。在此这样实施变形，以 致区域内的变形连续改变，其中，变形区中部的变形要比变形区边缘的变形强。这样一来， 就产生了具有弯曲分界面而无显露边缘的轮廓。这样的轮廓在减小压力降方面是有利的， 因为流体的流动不是断续地在边缘上转向，而是流体可沿着弯曲的分界面流动。 [0018] 特别有利的地方在于，管内表面设有一个结构，其大大改善了管内侧上流动的介 质蒸发时的热传递，同时没有过度增大压力降。此外，结构可低廉而可靠地制造。[0019] 在本发明的优选构型中，可在变形区的中部，使内肋条的变形材料与周向上相邻 的内肋条接触。这样，各自相邻的肋条之间的槽就部分地有了顶盖。也即从先行敞开的槽 中局部地构成平行于内肋条延伸的、在两侧敞开的空腔，其由槽底部、两邻接的内肋条的侧 面以及所形成的顶盖界定。该空腔的横截面沿着内肋条以这样的型式改变，以致空腔在两 端漏斗状地转为开槽。在两个漏斗形的过渡区之间，空腔具有横截面最小的位置。在该位 置上，可优选留住小气泡或气体包含物。这便构成了形成大气泡的优选晶核点，由此加快蒸 发过程。 [0020] 有利的是，可在变形区的中部，使变形材料与内肋条和周向上相邻的内肋条之间 的槽底部接触，由此而部分地封闭相邻内肋条之间的槽。通过部分封闭，形成特别利于起泡 的漏斗状空腔。由于按这种实施方式构成的空腔仅具有一个开口，液体就可在气泡分离之 时不受阻碍地伴流。如此一来，就为小气泡或气体包含物的保留提供了特别有利的条件。这 些小气泡或气体包含物构成了在产生的温差已较小的情况下重新起泡的优选晶核点。 [0021] 在优选构型中，相邻的内肋条的伸出部在螺旋形的环绕方向上不接触或重叠。变 形区的宽度通常这样选择，以致伸出部的相邻区之间保持内肋条的原始高度H。这利于管中 流动的流体的涡流。 [0022] 有利的是，可在管外侧上构造有螺旋形环绕的、一体成型的外肋条。对于这种两侧加肋条的管类型，传热表面扩大，于是相应地可比平整表面传递更多的热量。 [0023] 本发明的另一方面包括一种制造本发明传热管的方法，传热管具有在管外侧上螺旋线形环绕的整体外肋条和在管内侧上轴平行或螺旋线形延伸的整体内肋条，内肋条远离 管壁的区域以规律的间隔单侧不对称地在管周向上变形，其中，采取下列方法步骤： [0024] a)通过以下方式在平整管的管外侧上形成螺旋线形延伸的外肋条，肋条材料通过管壁材料的挤压借助于轧制步骤获得，并且，所形成的肋条管通过轧制力在转动中移位且 相应地移动所形成的肋条，其中外肋条是以增大的高度从其他情况下不变形的平整管中形 成的； [0025] b)管壁是在形成外肋条的区域中通过位于管内的芯棒支承的，该芯棒可转动地支 承在芯棒杆上并且在其芯棒外表面上具有轴平行或螺旋形的槽，其中，形成有轴平行或螺 旋形的内肋条； [0026] c)远离管壁的内肋条的区域通过至少一个与芯棒串接的、不可转动的销钉以规律 的间隔不对称地基本沿着管周向变形，其中，内肋条的变形材料这样移动，以致它在两个相 邻的内肋条之间构成通过槽的伸出部。 [0027] 在此，本发明是从这样的考虑出发的，即，使用一个轧制装置，它由n = 3或4的刀 夹构成，其中各有至少一个范成法刀具与之成为一体。每个刀夹的轴线相对于管轴线倾斜 地延伸。刀夹各自360° /n错位地布置在管的圆周上。刀夹可径向地进给。它们本身布置 在位置固定的轧机架中。范成法刀具是由多个并接的轧制圆盘构成的，其直径沿着外肋条 在前的变形度方向增大。 [0028] 成型芯棒也是该轧制装置的构件。芯棒安置在一芯棒杆处且可转动地支承在其 上。芯棒的轴线与芯棒杆的轴线相同，且与管轴线相合。芯棒杆的另一端固定在轧机架上 并固定成不能转动。借助于芯棒杆，芯棒定位在范成法刀具的工作区域中。 [0029] 此外，在芯棒后面安置至少一个沿径向对准的销钉。销钉与芯棒杆固定地连接，由此不可转动。这样，该不可转动的销钉就嵌合到首先由芯棒外表面构成的内肋条中，因此就 形成了伸出部。伸出部以规律的间隔不对称地基本沿着管周向形成。在这一方面，主要表 达出这样的概念，即，与管外壁咬合的范成法刀具的轧制圆盘赋予管每次旋转以一定的、但 却较小的进给量。这样，布置在芯棒杆上的、位置固定的销钉在轴向进给量特别小时在传热 管中实施这样的运动，其与管周向近乎对应。 [0030] 在本发明的优选构型中，销钉的端部可具有圆形轮廓。变形度相应于销钉的轮廓 而改变，于是存在具有强弱变形的区域。通过圆形轮廓避免了 ：所构成的伸出部在区域过渡 时具有尖边不同强度的变形。 [0031] 有利的是，销钉的端部可具有半球形状。变形度相应于该半球形状在变形区内连 续改变，无需形成尖边。类似于凹地，变形区中部的变形强于变形区边缘的变形。伸出部由 此具有舌状形状。 [0032] 在本发明其他优选的构型中，自芯棒杆的轴线一直向销钉端部测量的、销钉的径向延伸量最大可以为芯棒直径的一半大。通过这种限制避免了 ：内肋条的变形一直延至肋 条管的芯壁中，由此降低管的稳定性。销钉的径向延伸量越小，内肋条的变形就越小，侧向 挤压的材料也就越少。因此，通过销钉径向延伸量的选择，可大大影响变形强度。 [0033] 有利的是，自芯棒杆的轴线一直向销钉端部测量的、销钉的径向延伸量比芯棒直径的一半小上不变形内肋条高度的35%-65%。在内肋条高度例如为0. 4mm时，自芯棒杆的 轴线一直向销钉端部测量的、销钉的径向延伸量比芯棒直径的一半小上0. 14mm至0. 26mm。 如果销钉的径向延伸量比芯棒直径的一半小上扣除不变形内肋条高度的65%，则内肋条很 少变形，这样就不会充分改善热传递。如果销钉的径向延伸量比芯棒直径的一半小上扣除 不变形内肋条高度的35%，则内肋条发生这样的变形，即所形成的空腔具有特别利于形成 气泡晶核点的形状。 [0034] 为加工管子，使布置在圆周上的、转动的范成法刀具径向进给到平整管上并与该 平整管接合。因此，平整管在转动中绕着其轴线移动。由于范成法刀具的轴线相对于管轴 线倾斜设置，则范成法刀具从平整管的壁材料中形成螺旋线状环绕的外肋条，同时相应于 螺旋线状环绕的外肋条的螺距向前推动所形成的肋条管。两个相邻的外肋条中部与管轴线 成纵向测量的间距表示为肋条节距P。肋条节距P通常为0.4-2.2mm。外肋条优选如多线 螺纹那样地环绕。如果管每次的旋转产生m个螺距，则每次旋转轴向上的管位移为m • p。 当外肋条节距P较小时，m通常为3、4、6或8。 [0035] 在范成法刀具的工作区域中，管壁是由成型芯棒支承的。芯棒的型廓通常由多个 基本为梯形的槽构成，它们彼此平行地布置在芯棒的外表面上。这些槽以与芯棒的轴线成 0-45°角度的旋转角延伸。通过范成法刀具的径向力，管壁材料压入芯棒的槽中。这样，就 在管内表面上形成轴平行或螺旋线形环绕的内肋条。相对于管轴线测量的内肋条旋转角与 芯棒槽的旋转角相同。自管壁起测量的内肋条的高度H优选为0.3-0.5mm。槽在两个相邻 的内肋条之间延伸。 [0036] 在范成法刀具的工作区域后面，通过安置在芯棒后面的销钉进一步加工内肋条。 该销钉通过芯棒杆位置固定地定位，而管随形成的内肋条一起绕着其自身的轴线转动。这 样选择销钉的径向延伸量，以致远离管壁的内肋条的区域通过销钉指向径向的端部以规律 的间隔不对称地基本沿着管周向变形。内肋条材料侧向移动且内肋条的高度通过变形而局7部减小。内肋条侧向移动的材料在两相邻的内肋条之间构成通过槽的伸出部。相应于销钉 的宽度，变形各自通过有限区域沿着内肋条延伸。由于销钉的端部具有圆形轮廓，则变形在 一定区域内连续改变。类似于凹地，变形区中部的变形要强于变形区边缘的变形。仅仅是 使用使内肋条变形的销钉，就使沿轴向测量的、两相邻变形区中部的间距沿着内肋条与管 每次旋转的轴向进给量（m*p)相同。在使用多个销钉时，该间距根据销钉的数量而减小。 附图说明 [0037] 下面结合示意性附图对本发明的实施例进行详细说明，其中： [0038] 图1示出了扁平展锻的管段的管内侧的结构视图； [0039] 图2示出了图1管段内部结构的细部图； [0040] 图3示出了两侧加肋条的传热管借助于芯棒和四个外部范成法刀具进行制造的 透视图； [0041] 图4示出了图3两侧加肋条的传热管制造的另一透视图； [0042] 图5示出了具有不可转动销钉的、可转动支承的芯棒； [0043] 图6示出了外部范成法刀具区域内的细部图； [0044] 图7示出了销钉区域内的另一细部图； [0045] 图8示出了半面破开的、两侧加肋条的传热管的视图，具有内部结构制造的不同 阶段。 具体实施方式[0046] 图1示出了传热管1的扁平展锻的管段的管内侧3的结构视图。在这种情况下，管 轴线A平行于管段的切边延伸。相对于管轴线A测量的内肋条31的螺旋角a约为35° 。 内肋条31远离管壁11的区域也即肋条顶端的绝大部分区域以规律的间隔单侧不对称地沿 着管周向变形。内肋条31的变形材料构成伸出部4，其延伸过槽32。在变形区41的边缘 412处，一小部分剩余的内肋条31留在相邻的伸出部4之间不变形，于是内肋条31相邻的 伸出部4沿螺旋形环绕方向间隔开较小距离但不接触。 [0047] 在伸出部4的变形区41的中部411，变形材料与周向上相邻的内肋条31接触，由 此部分地封闭相邻内肋条31之间的槽32。从原本敞开的槽32中构成局部地平行于内肋条 延伸的、两侧敞开的空腔5，其由槽底部321、两邻接的内肋条31的侧面311以及作为顶盖 的伸出部4界定。 [0048] 此外，在变形区41的中部411，变形材料甚至可一直延伸到内肋条31之间的槽底部321，由此在每个伸出部4的下方形成近乎两个由分隔壁分开的空腔5。 [0049] 图2示出了图l传热管的管段内部结构的细部图。在管内侧3上，布置有内肋条31，具有在表面上分布的规律性再现的伸出部4，空腔5形成在伸出部4的下方。在空腔5 的内部起泡是有利的。不过，在其通过传热管1伸出部4之间向内开通的区域而经漏斗形 的开口分离之前，所形成的气泡晶核必须通过伸出部4的限定沿着内肋条31的侧面311并 沿着槽32在槽底部321横向增长。 [0050] 图3和4中示出的装置的一部分以不同的透视图阐明了两侧加肋条的传热管1的 制造。整体轧制的传热管1具有在管外侧2螺旋线形地环绕的外肋条21。这里使用的是一个由四个范成法刀具9构成的装置，这些范成法刀具9布置在传热管1的圆周上。范成 法刀具9大致相对于管轴线A倾斜设置，以便产生所需的管行程并能径向地进给。范成法 刀具9本身布置在位置固定的芯棒中，而芯棒本身又固定在轧制装置的基架中（图中未示 出）。 [0051] 芯棒6同样是轧制装置的构件，借助于芯棒6产生传热管1的内部结构。芯棒6 安置在芯棒杆7的自由端并可转动地支承。芯棒杆7的另一端固定在图中未示出的轧制装 置的基架上。芯棒杆7必须至少像待制造的传热管1那么长。 [0052] 为了加工原本平整的传热管，将布置在圆周上的、旋转的范成法刀具9径向进给 到平整管上并与平整管咬合。平整管由此在转动中移位。由于范成法刀具9中每一个的轴 线都相对于管轴线倾斜，则范成法刀具9从平整管的管壁11中形成螺旋线状环绕的外肋条 21，同时相应于螺旋线状环绕的外肋条21的螺距向前推动所形成的传热管1。 [0053] 在范成法刀具9的变形区中，管壁11由成型的芯棒6支撑。芯棒6的轴线与管轴 线A相同。芯棒6在芯棒外表面61上成型有螺旋形的槽611。芯棒杆7的端部布置有半球 形状的销钉8，其径向延伸量（自杆7的轴线测量，直至销钉81的外端）最大如芯棒6直 径的一半大。该销钉8接合到管内侧3的内肋条的材料中，并在旋转的传热管1中形成图 1或2中示出的伸出部4。 [0054] 图5示出了可转动支承的芯棒6，在两部分的芯棒杆7的端部上具有不可转动的销 钉8。螺纹71将杆部形状配合地连接成一个适用于插装的稳定结构。芯棒6成型有螺旋形 的槽611。该型廓通常由多个梯形或几乎为梯形的槽构成，这些槽彼此平行地布置在具有螺 旋线的芯棒外表面61上。所示芯棒6的螺旋角约为35° 。 [0055] 图6示出了外部范成法刀具9区域内装置的细部图。范成法刀具9各由多个并排 布置的轧制圆盘91构成，轧制圆盘91的直径沿着进给方向V增大。由于范成法刀具9作 用到外侧2上的径向力，管内侧3上管壁11的材料压入芯棒6的螺旋形槽611中。如此一 来，在工艺方面紧跟着的销钉形成伸出部（图中未示出）之前，螺旋线形环绕的内肋条31 形成在传热管1的内表面上。槽32在两个相邻的内肋条31之间延伸。 [0056] 图7示出了传热管l和芯棒6的另一细部图及芯棒杆7在销钉8区域内的端部。 这里，由芯棒6构成的内肋条31通过这样的方式变形，S卩，伸出部4嵌入管内侧3中。销 钉8具有半球形的结构，其中，销钉8的径向延伸量（自芯棒杆7的轴线测量，直至销钉81 的端部）小于芯棒6直径的一半。对于例如为0.4mm的内肋条高度的结构，销钉8的径向 延伸量（自芯棒杆7的轴线测量，直至销钉81的端部）比芯棒6直径的一半小0. 14mm至 0. 26mm。 [0057] 图8示出了半面破开的、两侧加肋条的传热管1的视图，具有制造管内侧3上结构 的不同阶段。管外侧2上由管壁11生成的外肋条21大部分的肋条高度大于内肋条31的。 沿着进给方向V可较好地看出，如从平整管开始，外肋条21和内肋条31首先形成，并在其 他方法步骤中构成伸出部4。 [0058] 附图标记一览表 [0059] 1 传热管 [0060] 11 管壁 [0061] 2 管外侧[0062] 21 外肋条 [0063] 3 管内侦U [0064] 31 内肋条 [0065] 311内肋条的侧面 [0066] 32 槽 [0067] 321 槽底部 [0068] 4 伸出部 [0069] 41 变形区 [0070] 411 变形区的中部 [0071] 412变形区的边缘 [0072] 5 空腔 [0073] 6 芯棒 [0074] 61 芯棒外表面 [0075] 611 螺旋形槽 [0076] 7 芯棒杆 [0077] 71两部分芯棒杆的螺纹 [0078] 8 销钉 [0079] 81销钉的端部 [0080] 9 范成法刀具 [0081] 91 轧制圆盘 [0082] A管轴线 [0083] V进给方向 [0084] a 螺旋角 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈