本發(fā)明涉及一種熱交換器，例如殼管式熱交換器，該殼管式熱交換器可用于例如加熱通風(fēng)空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)和/或其中的單元，比如可包括流體冷卻器。該熱交換器包括具有外表面和內(nèi)表面特征的管，以增強(qiáng)在該管上或通過該管的流體熱交換。還公開了一種具有內(nèi)表面特征的管與湍流器的組合。

背景技術(shù)：

可用于例如HVAC系統(tǒng)中的熱交換器可以包括各種圓管設(shè)計，比如殼管式熱交換器。圓管在管的外部或在管的內(nèi)部具有表面特征，這些表面特征旨在增強(qiáng)在該管上或通過該管的熱傳遞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

描述了一種熱交換器，其包括具有一個或多個外表面特征和一個或多個內(nèi)表面特征的熱交換管，外表面特征和內(nèi)表面特征兩者都是用于增強(qiáng)在管側(cè)上和管外側(cè)上流體的熱交換。還公開了一種具有內(nèi)表面特征的管與湍流器的組合。

I.增強(qiáng)管

在一些實施例中，外部表面特征可以包括已被壓扁的翅片結(jié)構(gòu)。翅片結(jié)構(gòu)具有帶凹口的翅片。凹口可具有深度而翅片可具有距根部的高度，其中翅片之間限定出空腔。翅片的頂部可以具有一個或多個凹口，并且翅片可以被壓扁或用其他方式折彎以在翅片上從凹口起產(chǎn)生一個或多個側(cè)腔。翅片結(jié)構(gòu)可以具有一定數(shù)量的翅片或翅片頻數(shù)(例如，每管長度的翅片數(shù))、一定的翅片高度，在翅片上的一個或多個空腔和/或翅片之間的空腔可以設(shè)計為各種構(gòu)造和/或尺寸以實現(xiàn)例如一定的空腔成核和進(jìn)出管上空腔的一定流動。

在一些實施例中，內(nèi)部表面特征可以包括肋片結(jié)構(gòu)，其中在某些情況下，該肋片結(jié)構(gòu)可以被內(nèi)螺旋為螺旋式的構(gòu)造。在一些實施例中，可能存在多于一個通過該管的內(nèi)螺紋，其中該內(nèi)螺紋具有各種構(gòu)造。例如，該內(nèi)螺紋可以以彼此交叉的兩個或多個螺旋線(或螺紋線)構(gòu)成的網(wǎng)紋構(gòu)型來設(shè)置。肋片結(jié)構(gòu)可以具有肋片高度、肋片間的深度、以及肋片頻數(shù)(例如，每管長度的肋片數(shù))。在使用螺旋式肋片構(gòu)型的實例中，可用到一定的螺旋角。通常，肋片結(jié)構(gòu)都可以設(shè)計成各種構(gòu)型和/或尺寸以實現(xiàn)一定的壓降限制。

在一些實施例中，可以對內(nèi)表面特征和外表面特征兩者進(jìn)行設(shè)計以獲得一定的性能目標(biāo)，該性能目標(biāo)可以例如相對于傳熱系數(shù)來描述，比如說，Btu/hr-ft²-F，這是傳熱速率(即，Btu/hr)與傳熱面積(即，ft²)(這兩者合起來也稱為熱通量，即Btu/hr-ft²)和溫度(即，度數(shù)F)的表達(dá)式。應(yīng)當(dāng)理解，在傳熱系數(shù)中，針對管側(cè)(例如，管內(nèi))性能，可以對水流和雷諾數(shù)進(jìn)行考慮。針對殼側(cè)(例如，管外)性能，可以對熱通量進(jìn)行考慮。在此兩種情況下均可以對溫度進(jìn)行考慮。通過指定這些參數(shù)，可以設(shè)置足夠的性能目標(biāo)以具有有意義的性能比較。

在一個實施例中，就蒸發(fā)器中的管束內(nèi)的全部傳熱系數(shù)而言，相比于例如其他僅使用單個表面的傳熱管性能增益可以高達(dá)15％或15％左右至30％或30％左右。

在一個實施例中，該性能增益可以通過某些參數(shù)或條件的組合來實現(xiàn)，這些參數(shù)或條件包括但不限于，例如熱通量、溫度、以及水流。這些定義了的參數(shù)可以用于確定內(nèi)表面特征和外表面特征的構(gòu)造，以獲得如上所指出的性能增益，但當(dāng)簡單地對外表面和內(nèi)表面進(jìn)行組合時，或在觀察可在使用單個內(nèi)表面或單個外表面的管上獲得的數(shù)據(jù)時，并不一定能預(yù)期到該性能增益。在一些實施例中，熱通量參數(shù)可以是例如5000Btu/hr-ft²或5000Btu/hr-ft²左右至20000Btu/hr-ft²或20000Btu/hr-ft²左右，也可以是例如13000Btu/hr-ft²或13000Btu/hr-ft²；溫度可以是例如38°F或38°F左右至45°F或45°F左右，也可以是例如42°F或42°F左右；以及水流速率可以用雷諾數(shù)來描述，且可以是例如12000或12000左右至42500或42500左右，并且處在3加侖每米或3加侖每米左右至12加侖每米或12加侖每米的流速范圍內(nèi)，還可以是例如處在6.8加侖每米或6.8加侖每米左右至8.22加侖每米或8.22加侖每米左右。壓降限制則為或約為49°F。

在一些實施例中，使用了熱交換管的熱交換器為殼管式熱交換器，用于，例如蒸發(fā)器或其他沸騰管應(yīng)用中。殼管式熱交換器及其管可用于HVAC系統(tǒng)和/或HVAC系統(tǒng)的一個或多個單元中。應(yīng)當(dāng)理解，本文中的熱交換管可以適用于任何采用沸騰管的殼管式蒸發(fā)器，例如包括降膜式蒸發(fā)器和/或滿液膜式蒸發(fā)器。在一些實施例中，HVAC系統(tǒng)或單元包括流體冷卻器，例如，水冷卻器，在該流體冷卻器中整合有本文所述的帶有管的熱交換器。還應(yīng)當(dāng)理解，該熱交換器管并非限制為水冷卻器，因為熱交換管可用于任何需要沸騰管的系統(tǒng)或單元。應(yīng)當(dāng)理解，管中的流體可以是水或乙二醇或其他類似的流體，而管外(例如，殼側(cè))的流體可以是制冷劑。

在一個實施例中，應(yīng)用熱交換管的單元為50和/或60Hz空氣冷卻水冷卻器的蒸發(fā)器，該水冷卻器使用R134a型制冷劑并具有140噸左右至500噸左右的冷卻能力。

在一些實施例中，在殼管式熱交換器中使用的這種制冷劑類型可能影響到管的構(gòu)造，包括，例如外表面特征。例如，任何類型的制冷劑都可以用在本文中所述的熱交換管，并且本文中所述的熱交換管也適于與任何類型的制冷劑一起使用，包括但不限于，例如HCFC、HFC、和/或HFO制冷劑，并且其中的混合物可具有不同的比容和不同的額定壓力。例如，R123是相對低壓且相對較低比容的制冷劑，其可使用相對較大的空腔設(shè)計以實現(xiàn)合適的流體流動。例如，R134a是相對中等壓力且相對中等比容的制冷劑，其可使用相對較小的空腔設(shè)計以實現(xiàn)合適的流體流動。例如，R410是相對高壓且相對較高比容的制冷劑，其可使用相對較小的空腔設(shè)計以實現(xiàn)合適的流體流動。

在一個實施例中，管的材料由銅制成，例如，銅合金。

在一個實施例中，應(yīng)當(dāng)理解，該管可以承受200psig或200psig左右以及更高的壓力。

在一個實施例中，管的外徑為或約為0.75英寸，或者管的外徑為或約為1.0英寸。

在一個實施例中，內(nèi)徑可以取決于管的標(biāo)稱壁厚，在一些實施例中，管的標(biāo)稱壁厚為0.22英寸或0.22英寸左右至0.28英寸或0.28英寸左右。在一個實施例中，標(biāo)稱壁厚為或約為0.25英寸。應(yīng)當(dāng)理解，內(nèi)徑可以從外管徑和所選的標(biāo)稱壁厚來進(jìn)行確定。

II.增強(qiáng)管內(nèi)的湍流器

熱交換管包括外部表面特征和/或一個或多個內(nèi)部表面特征，以增強(qiáng)在管側(cè)和管外側(cè)的流體的熱交換，這種熱交換管有時也稱為增強(qiáng)管。在一些實施例中，湍流器可以安裝在增強(qiáng)管的管側(cè)。湍流器通常是用于在流體流動中產(chǎn)生湍流的裝置。當(dāng)流體流動的雷諾數(shù)相對較低時(例如，等于或約等于8000或者小于8000)，湍流器和增強(qiáng)管的組合能夠提高熱交換效率，這在一些情況下可以適用于低溫應(yīng)用場合。

熱交換管包括：內(nèi)表面特征、和在熱交換管內(nèi)部沿縱向方向延伸的湍流器。

在一些實施例中，湍流器的至少一部分位于內(nèi)表面特征上。

在一些實施例中，熱交換管還包括外表面特征，例如，任何本文中所述的增強(qiáng)管。

在一些實施例中，當(dāng)工作流體流動處于湍流區(qū)域時，內(nèi)表面特征顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。

在一些實施例中，當(dāng)工作流體流動處于過渡區(qū)域時，湍流器顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。

在一些實施例中，當(dāng)工作流體流動處于中間區(qū)域時，湍流器和內(nèi)表面特征顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。中間區(qū)域包括低于過渡區(qū)域和湍流區(qū)域之間的過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)，和高于過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)。

在一些實施例中，湍流器可以由金屬制成，例如銅。在一些實施例中，湍流器可以由非金屬材料制成。在一些實施例中，湍流器的材料可以是非腐蝕性的，并且與熱交換管的材料(例如，銅)相容，與工作流體(例如，水和/或乙二醇)相容和/或不溶于工作流體。

流體流過熱交換器的方法包括：引導(dǎo)工作流體通過具有內(nèi)表面特征和湍流器的熱交換管。在一些實施例中，引導(dǎo)工作流體包括引導(dǎo)單程通過熱交換器，例如殼管式熱交換器。

制作熱交換管的方法，包括：在熱交換管的內(nèi)表面提供用于在湍流流體流動區(qū)域顯著地產(chǎn)生湍流的內(nèi)表面特征；提供用于在過渡流體流動區(qū)域中顯著地產(chǎn)生湍流的湍流器；以及將該湍流器安裝在熱交換管內(nèi)。

在一些實施例中，內(nèi)表面特征和湍流器用于在中間區(qū)域內(nèi)協(xié)同地做出貢獻(xiàn)，該中間區(qū)域包括低于過渡區(qū)域和湍流區(qū)域之間的過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)，和高于過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)。

在一些實施例中，該制作熱交換管的方法可包括：將湍流器的第一端固定在熱交換管的第一端；以及將湍流器的第二端延伸至熱交換管的第二端。

在一些實施例中，湍流器可具有大于熱交換管內(nèi)徑的直徑。當(dāng)湍流器在熱交換管內(nèi)延伸時，湍流器的收縮趨勢將湍流器推向熱交換管的內(nèi)表面，以將湍流器保持在熱交換管內(nèi)。

通過下面的詳細(xì)描述以及附圖，將使實施例的其他特征和方面變得清晰。

附圖說明

現(xiàn)參考附圖，縱觀全文，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。

圖1是熱交換管的一個實施例的側(cè)剖視圖。

圖2到4是可結(jié)合在圖1熱交換管上的外表面特征的圖片。

圖5到7是可結(jié)合在圖1熱交換管上的內(nèi)表面特征的圖片。

圖8A到8F是熱交換管的一個實施例的各種側(cè)視圖、側(cè)剖視圖、局部視圖以及端視圖。

圖9是各種傳熱管上的性能比較數(shù)據(jù)。

圖10是根據(jù)一個實施例的湍流器。

圖11是裝配有湍流器的增強(qiáng)管。

圖12示出了光滑管、增強(qiáng)管、具有湍流器的光滑管以及具有湍流器的增強(qiáng)管的傳熱系數(shù)/雷諾數(shù)相關(guān)性。

圖13是根據(jù)一個實施例的傳熱回路10的示意圖。

具體實施方式

I.增強(qiáng)管

增強(qiáng)銅管用于將熱量從單相流體流(通常為水或乙二醇)傳遞到殼管式蒸發(fā)器中的制冷劑。通過使用在傳熱管的內(nèi)部和外部的增強(qiáng)表面來提高傳熱效率。內(nèi)表面增強(qiáng)通常增大流動湍流度以及傳熱表面積，而外部的蒸發(fā)器管增強(qiáng)則旨在產(chǎn)生成核化腔以促進(jìn)沸騰。通常，內(nèi)部增強(qiáng)是“內(nèi)螺旋的”脊?fàn)畋砻?，而外部增?qiáng)是一些類型的帶凹口的壓扁的翅片。

通常，本文中的熱交換管將具有極高沸點(diǎn)增強(qiáng)特性的外表面特征(例如壓扁的翅片和空腔)與例如具有高性能交叉螺旋的內(nèi)表面特征(例如，具有相交螺旋角的“網(wǎng)紋”)進(jìn)行組合。本文中的熱交換管可以在蒸發(fā)器內(nèi)提供高性能管，其可以相對更小、更有效、并且可以使用相對更低的制冷劑裝料。

例如，參見圖1，圖1示出在外(上)表面上如上述一般位于一些翅片上的那些特征和在內(nèi)(下)表面上的肋片。在此視圖中無法看出螺旋形和網(wǎng)紋狀，但是可以參見，例如，下面將進(jìn)一步描述的圖8D。

在一個實施例中，本文中的熱交換管可具有高外部制冷劑沸騰性能的外表面特征，并且該外表面特征可具有，例如，由彎曲或壓扁的凹口翅片產(chǎn)生的雙腔泡核沸騰細(xì)孔的特性。僅作為一個示例，以引用的方式整體并入本文的美國專利7,178,361和7,254,964描述了此類表面特征的構(gòu)造以及如何制造這些表面特征。

例如參見圖2到4，圖2到4直接示出外表面特征的視圖，是外表面逐漸拉近的視圖。

在一個實施例中，本文中的熱交換管可具有能夠產(chǎn)生高單相流傳熱系數(shù)的內(nèi)表面特征。例如，此類表面包括設(shè)置在交叉螺旋“網(wǎng)紋狀”表面內(nèi)的條紋圖案，例如兩個內(nèi)螺旋圖案，所述兩個內(nèi)螺旋圖案可能具有不同或相同的尺寸和/或螺旋角。僅作為一個示例，以引用的方式整體并入本文的美國專利7,451,542描述了此類表面特征的構(gòu)造以及如何制造這些表面特征。

例如，參見圖5到7，圖5到7直接示出內(nèi)表面特征的視圖，是內(nèi)表面逐漸拉近的視圖。

圖8A到8F示出外徑為0.75英寸的熱交換管的另一個實施例的各種側(cè)視圖、側(cè)剖視圖、局部視圖、以及端視圖。圖8A到圖8C是側(cè)視圖，而圖8D到8F的局部視圖示出了圖8A到圖8C各自的細(xì)節(jié)。圖8D示出具有螺旋角的網(wǎng)紋肋片和凹槽。其中內(nèi)部表面特征具有兩個生成網(wǎng)紋肋片的螺旋。在一個實施例中的螺旋角可為或約為50±2°。圖8E同時示出外部和外表面特征，其中每英寸的外部翅片大約可為四十八標(biāo)稱。內(nèi)表面上的肋片的高度，例如，在從內(nèi)徑到內(nèi)表面直徑的Y處，可以為或約為0.47±0.05mm，并且還示出了網(wǎng)紋線。圖8E也示出了從外表面(例如，在根部直徑處)到內(nèi)徑處的壁厚。圖8E還示出了從外表面(例如，在根部直徑處)到翅片端部的翅尖尺寸。圖8F示出，例如，在C和D處的壁厚，該壁厚可以為或約為0.635mm(例如，0.25英寸)。

圖9是各種傳熱管上的性能比較數(shù)據(jù)。如上所述，在一個實施例中，相對于其他傳熱管(例如，僅應(yīng)用了單個表面的傳熱管)，使用本文中所述的熱交換管的管束在總傳熱系數(shù)方面的性能增益可以高達(dá)約15％至約30％。圖9示出了包括管束1、管束2、以及管束3的三個管束實例。管束1是僅使用外表面特征來增強(qiáng)熱交換的先前設(shè)計。管束2和3則包括本文所述的外部和內(nèi)部表面特征。管束2和3顯示出比管束1改善至少約20％的性能和高達(dá)約30％的改進(jìn)。此外，可見與在相似條件下評估的單個管(例如，參見圖中表示單個管的線)相比，管束2和3接近等效性能。可以理解，在一些情況下，管束可能相對于單個管的評估和性能調(diào)低估值，因為在對管束的性能進(jìn)行評估時可能存在一些損耗。然而，如圖9所示，管束2和3示出了所述管束根據(jù)熱通量在單個管處或接近單個管處應(yīng)用的數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)觀察僅在管的內(nèi)表面上應(yīng)用表面特征的管束時，能夠觀察到相似的結(jié)果。

應(yīng)當(dāng)理解，過去生產(chǎn)具有單個表面特征(即，僅在外表面上或者僅在內(nèi)表面上)的制造方法在直接應(yīng)用到將外表面特征和內(nèi)表面特征結(jié)合到一個管上的制造方法上時會存在一些困難和挑戰(zhàn)。

各個方面

應(yīng)當(dāng)理解，下列任意方面均可以與下列任意其他方面進(jìn)行組合。

一方面：描述了一種熱交換器，該熱交換器包括具有一個或多個外部表面特征和一個或多個內(nèi)部表面特征的熱交換管，該外部表面特征和內(nèi)部表面特征兩者均用于增強(qiáng)管側(cè)或管外側(cè)上的流體的熱交換。

一方面：在一些實施例中，外部表面特征可以包括已被壓扁的翅片結(jié)構(gòu)。

一方面：翅片結(jié)構(gòu)具有帶凹口的翅片。

一方面：凹口可具有深度且翅片可具有距根部的高度，其中翅片之間限定出空腔。

一方面：翅片的頂部可以具有一個或多個凹口，并且翅片可以被壓扁或用其他方式折彎以在翅片上從凹口起產(chǎn)生一個或多個側(cè)腔。

一方面：翅片結(jié)構(gòu)可以具有一定數(shù)量的翅片或翅片頻數(shù)(例如，每管長度的翅片數(shù))、一定的翅片高度，在翅片上的一個或多個空腔和/或翅片之間的空腔可以設(shè)計為各種構(gòu)造和/或尺寸以實現(xiàn)例如一定的空腔成核和進(jìn)出管上空腔的一定流動。

一方面：在一些實施例中，內(nèi)部表面特征可以包括肋片結(jié)構(gòu)，其中在某些情況下，該肋片結(jié)構(gòu)可以被內(nèi)螺旋為螺旋式的構(gòu)造。

一方面：在一些實施例中，可能存在多于一個通過該管的內(nèi)螺紋，其中該內(nèi)螺紋具有各種構(gòu)造。

一方面：例如，該內(nèi)螺紋可以以彼此交叉的兩個或多個螺旋線(或螺紋線)構(gòu)成的網(wǎng)紋構(gòu)型來設(shè)置。

一方面：肋片結(jié)構(gòu)可以具有肋片高度、肋片間的深度、以及肋片頻數(shù)(例如，每管長度的肋片數(shù))。

一方面：在使用螺旋式肋片構(gòu)型的實例中，可用到一定的螺旋角。

一方面：通常，肋片結(jié)構(gòu)都可以設(shè)計成各種構(gòu)型和/或尺寸以實現(xiàn)一定的壓降限制。

一方面：在一些實施例中，可以對內(nèi)表面特征和外表面特征兩者進(jìn)行設(shè)計以獲得一定的性能目標(biāo)，該性能目標(biāo)可以例如相對于傳熱系數(shù)來描述，比如說，Btu/hr-ft²-F，這是傳熱速率(即，Btu/hr)與傳熱面積(即，ft²)(這兩者合起來也稱為熱通量，即Btu/hr-ft²)和溫度(即，度數(shù)F)的表達(dá)式。

一方面：應(yīng)當(dāng)理解，在傳熱系數(shù)中，針對管側(cè)性能(例如，管內(nèi))，可以對水流和雷諾數(shù)進(jìn)行考慮。針對殼側(cè)性能(例如，管外)，可以對熱通量進(jìn)行考慮。在此兩種情況下均可以對溫度進(jìn)行考慮。

一方面：通過指定這些參數(shù)，可以設(shè)置足夠的性能目標(biāo)以具有有意義的性能比較。

一方面：在一個實施例中，就蒸發(fā)器中的管束內(nèi)的全部傳熱系數(shù)而言，性能增益可以高達(dá)15％或15％左右至30％或30％左右，相比于，例如，其他僅使用單個表面的傳熱管。

一方面：在一個實施例中，該性能增益可以通過某些參數(shù)或條件的組合來實現(xiàn)，這些參數(shù)或條件包括但不限于，例如熱通量、溫度、以及水流。

一方面：這些定義了的參數(shù)可以用于確定內(nèi)表面特征和外表面特征的構(gòu)造，以獲得如上所指出的性能增益，但當(dāng)簡單地對外表面和內(nèi)表面進(jìn)行組合時，或在觀察可在使用單個內(nèi)表面或單個外表面的管上獲得的數(shù)據(jù)時，并不一定能預(yù)期到該性能增益。

一方面：在一些實施例中，熱通量參數(shù)可以是例如5000Btu/hr-ft²或5000Btu/hr-ft²左右至20000Btu/hr-ft²或20000Btu/hr-ft²左右，也可以是例如13000Btu/hr-ft²或13000Btu/hr-ft²左右；溫度可以是例如38°F或38°F左右至45°F或45°F左右，也可以是例如42°F或42°F左右；以及水流速率可以用雷諾數(shù)來描述，且可以是例如12000或12000左右至42500或42500左右，并且處在3加侖每米或3加侖每米左右至12加侖每米或12加侖每米的流速范圍內(nèi)，還可以是例如處在6.8加侖每米或6.8加侖每米左右至8.22加侖每米或8.22加侖每米左右。壓降限制則為或約為49°F。

一方面：在一些實施例中，使用了熱交換管的熱交換器為殼管式熱交換器，用于，例如蒸發(fā)器或其他沸騰管應(yīng)用中。

一方面：殼管式熱交換器及其管可用于HVAC系統(tǒng)和/或HVAC系統(tǒng)的一個或多個單元中。

一方面：應(yīng)當(dāng)理解，本文中的熱交換管可以適用于任何采用沸騰管的殼管式蒸發(fā)器，例如包括降膜式蒸發(fā)器和/或滿液膜式蒸發(fā)器。

一方面：在一些實施例中，HVAC系統(tǒng)或單元包括流體冷卻器，例如，水冷卻器，在該流體冷卻器中整合有本文所述的帶有管的熱交換器。

一方面：還應(yīng)當(dāng)理解，該熱交換器管并非限制為水冷卻器，因為熱交換管可用于任何需要沸騰管的系統(tǒng)或單元。

一方面：應(yīng)當(dāng)理解，管側(cè)中的流體可以是水或乙二醇或其他類似的流體，而管外(例如，殼側(cè))的流體可以是制冷劑。

一方面：在一個實施例中，應(yīng)用熱交換管的單元為50和/或60Hz空氣冷卻水冷卻器的蒸發(fā)器，該水冷卻器使用R134a型制冷劑并具有140噸左右至500噸左右的冷卻能力。

一方面：在一些實施例中，在殼管式熱交換器中使用的這種制冷劑類型可能影響到管的構(gòu)造，包括，例如外表面特征。

一方面：例如，任何類型的制冷劑都可以用在本文中所述的熱交換管，并且本文中所述的熱交換管也適于與任何類型的制冷劑一起使用，包括但不限于，例如HCFC、HFC、和/或HFO制冷劑，并且其中的混合物可具有不同的比容和不同的額定壓力。

一方面：例如，R123是相對低壓且相對較低比容的制冷劑，其可使用相對較大的空腔設(shè)計以實現(xiàn)合適的流體流動。

一方面：例如，R134a是相對中等壓力且相對中等比容的制冷劑，其可使用相對較小的空腔設(shè)計以實現(xiàn)合適的流體流動。

一方面：例如，R410是相對高壓且相對較高比容的制冷劑，其可使用相對較小的空腔設(shè)計以實現(xiàn)合適的流體流動。

一方面：在一個實施例中，管的材料由銅制成，例如，銅合金。

一方面：在一個實施例中，應(yīng)當(dāng)理解，該管可以承受200psig或200psig左右以及更高的壓力。

一方面：在一個實施例中，管的外徑為或約為0.75英寸，或者管的外徑為或約為1.0英寸。

一方面：在一個實施例中，內(nèi)徑可以取決于管的標(biāo)稱壁厚，在一些實施例中，管的標(biāo)稱壁厚為0.22英寸或0.22英寸左右至0.28英寸或0.28英寸左右。

一方面：在一個實施例中，標(biāo)稱壁厚為或約為0.25英寸。

一方面：應(yīng)當(dāng)理解，內(nèi)徑可以從外管徑和所選的標(biāo)稱壁厚來進(jìn)行確定。

II.增強(qiáng)管內(nèi)的湍流器

術(shù)語“增強(qiáng)管”通常是指在外表面和/或內(nèi)表面(即，管側(cè)表面)上包括有表面特征的熱交換管。例如，本文公開的熱交換管可以在外表面和內(nèi)表面兩者上均具有表面特征，應(yīng)當(dāng)理解，增強(qiáng)管可以包括僅在外表面或內(nèi)表面中的一個具有表面特征的熱交換管。本文公開的實施例通常應(yīng)用于在內(nèi)表面上具有表面特征的增強(qiáng)管的內(nèi)表面。

當(dāng)工作流體流動的雷諾數(shù)相對較高(例如高于8000)時，增強(qiáng)管通常在提高熱交換效率方面表現(xiàn)良好。表面特征可以產(chǎn)生例如流體流動中的湍流，和/或擾亂流體流動中的邊界層流層(例如，靠近管側(cè)壁處)，這可以提高熱交換效率。具有相對較高雷諾數(shù)的工作流體流動通常具有相對較小的粘度(例如水)。

然而，在一些應(yīng)用場合中，例如在低溫應(yīng)用場合(例如，32°F或低于32°F)，HVAC系統(tǒng)的熱交換管中的工作流體可能會凍結(jié)?？梢韵蚬ぷ髁黧w中加入防凍劑或凍結(jié)抑制劑(比如，乙二醇)以降低工作流體的凍結(jié)溫度。防凍劑可以比工作流體相對更具粘性，從而可以降低工作流體流動的雷諾數(shù)。實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)工作流體流的雷諾數(shù)相對較低(例如略高于，等于或低于8,000，例如參見，圖12)時，增強(qiáng)管可能沒有比光滑熱交換管具有更多的熱交換效率優(yōu)勢。

本文中的發(fā)明涉及湍流器與增強(qiáng)管的組合，特別是在增強(qiáng)管的內(nèi)側(cè)具有表面特征的增強(qiáng)管。湍流器可以安裝在增強(qiáng)管的內(nèi)表面上。在一些實施例中，湍流器的一部分與內(nèi)側(cè)的表面特征直接接觸。例如當(dāng)工作流體流動的雷諾數(shù)相對較低時，湍流器可以幫助提高熱交換效率。與單獨(dú)的增強(qiáng)管相比，湍流器和增強(qiáng)管的組合可以更大雷諾數(shù)范圍地提高熱交換效率。在HVAC系統(tǒng)中使用湍流器和增強(qiáng)管的組合可以擴(kuò)展HVAC系統(tǒng)的作業(yè)范圍和/或效率，并且可以適用于低溫作業(yè)和/或低流動特性(例如，相對較低的雷諾數(shù))的工作流體。

圖11示出了湍流器1000。在所示實施例中，湍流器1000包括螺旋線結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解，湍流器通常是指一種被配置為將層流變成湍流的裝置，且可具有各種構(gòu)造。具有螺旋線結(jié)構(gòu)的湍流器1000可具有圓形/光滑輪廓，這有助于在流體流動中產(chǎn)生湍流時減小壓力降。

圖12示出了在增強(qiáng)管1110的內(nèi)表面1113中裝配有湍流器1100的增強(qiáng)管1110。內(nèi)表面1113可具有表面特征1112。

湍流器1100沿增強(qiáng)管1110的縱向方向L延伸。湍流器1100的至少一些部分與內(nèi)表面1113的表面特征1112直接接觸。

在熱交換管中使用湍流器可以在工作流體流過熱交換管時增大壓降。因此，湍流器/增強(qiáng)管組合設(shè)計可能需考慮增加熱交換效率的益處和壓降增大的不利之處?？梢詫ν牧髌?100的構(gòu)造(例如，直徑、尺寸、間距)和增強(qiáng)管1110的幾何形狀進(jìn)行變化以實現(xiàn)最佳的平衡。

如圖11所示，當(dāng)湍流器1100包括具有圓形輪廓的螺旋結(jié)構(gòu)時，可以對湍流器直徑D_w、管內(nèi)徑D_t、湍流器1100的間距P1(縱向方向L上的兩個相鄰螺旋之間的距離)、以及間距P2(縱向方向L上兩個相鄰表面特征1112之間的距離)進(jìn)行考慮，以實現(xiàn)期望的性能目標(biāo)。在一些實施例中，可以對這些參數(shù)之間的比率進(jìn)行考慮。

在一些實施例中，比如在冷卻器中，管內(nèi)徑D_t為0.5英寸或0.5英寸左右至1.25英寸或1.25英寸左右。在一些實施例中，管內(nèi)徑D_t為0.65英寸或0.65英寸左右至0.90英寸或0.90英寸左右。在一些實施例中，湍流器直徑D_w為0.025英寸或0.025英寸左右至0.075英寸或0.075英寸左右。在一些實施例中，湍流器直徑D_w為0.04英寸或0.04英寸左右至0.05英寸或0.05英寸左右。在一些實施例中，湍流器1100的間距P1為0.5英寸或0.5英寸左右至1.75英寸或1.75英寸左右。在一些實施例中，湍流器1100的間距P1為1.0英寸或1.0英寸左右至1.25英寸或1.25英寸左右。

在一些實施例中，當(dāng)對湍流器直徑D_w、管內(nèi)徑D_t、以及湍流器1100的節(jié)距P1之間的比率進(jìn)行考慮時，D_w/D_t的比率可以為或約為0.06。在一些實施方案中，D_w/D_t的比率可以為0.04或0.04左右至0.1或0.1左右。在一些實施例中，P1/D_w的比率可以為或約為1.75。在一些實施例中，P1/D_w的比率可以為1或1 左右至2.5或2.5左右。應(yīng)當(dāng)理解，還可以對P2與P1、D_w和/或D_t中的任一個的比率進(jìn)行考慮。例如，如圖11中所示，在某些情況下P1大于P2。在一些實例中，P1可以為或大約為P2的三倍大，或者如圖11中示出的那樣是兩倍大。

圖12示出了光滑熱交換管(曲線1210)、增強(qiáng)管(曲線1220)、具有湍流器的增強(qiáng)管(曲線1230)以及具有湍流器的光滑熱交換管(曲線1240)的傳熱系數(shù)/雷諾數(shù)相關(guān)性的示例性比較。在所示實施例中，當(dāng)雷諾數(shù)低于2000時，工作流體處于層流區(qū)域，而當(dāng)雷諾數(shù)高于8000時，工作流體處于湍流區(qū)域。當(dāng)雷諾數(shù)在200和8000之間時，工作流體處于過渡區(qū)域。應(yīng)當(dāng)理解，所示實例中的雷諾數(shù)是示例性的?？梢葬槍唧w配置確定在層流區(qū)域到過渡區(qū)域之間和/或在過渡區(qū)域到湍流區(qū)域之間的過渡的雷諾數(shù)。

增強(qiáng)管和光滑管在過渡區(qū)域中有相似的表現(xiàn)，例如，具有相似的傳熱系數(shù)。也就是說，當(dāng)工作流體流動處于過渡區(qū)域時，增強(qiáng)管的內(nèi)表面上的表面特征不會顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。具有湍流器的增強(qiáng)管在湍流區(qū)域下提高了傳熱系數(shù)。也就是說，當(dāng)工作流體流處于湍流區(qū)域時，增強(qiáng)管的內(nèi)表面上的表面特征可顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。內(nèi)表面上的表面特征可以作為湍流發(fā)生器，以在工作流體流動處于湍流區(qū)域時在工作流體流動中顯著地產(chǎn)生湍流。

盡管在過渡區(qū)域中，具有湍流器的光滑管的性能與光滑管的表現(xiàn)相似，但是具有湍流器的光滑管在過渡區(qū)域下具有更高的傳熱系數(shù)。也就是說，當(dāng)工作流體流動處于過渡區(qū)域時，湍流器可以顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。湍流器可作為湍流生成器以在工作流體流動處于過渡區(qū)域時顯著地生成湍流。

在湍流區(qū)域下，具有湍流器的增強(qiáng)管的傳熱系數(shù)與增強(qiáng)管的傳熱系數(shù)相似。圖12示出具有湍流器的增強(qiáng)管可以在不犧牲湍流區(qū)域下的傳熱效率的情況下，幫助改善過渡區(qū)域中的熱交換系數(shù)。

在所示的實施例中，與增強(qiáng)管(曲線1220)和具有湍流器的光滑管(曲線1240)相比，具有湍流器的增強(qiáng)管(曲線1230)的傳熱系數(shù)在部分過渡區(qū)域與部分湍流區(qū)域內(nèi)的中間區(qū)域中具有更好的傳熱系數(shù)。在所示的實施例中，關(guān)于雷諾數(shù)，中間區(qū)域可以包括低于過渡點(diǎn)(例如，圖12中的8000)的雷諾數(shù)和高于過渡區(qū)域與湍流區(qū)域之間過渡點(diǎn)的雷諾數(shù)。了解傳熱系數(shù)在過渡點(diǎn)之前、之后、以及通過整個過渡點(diǎn)中何處顯著改善(即，曲線1230在何處比曲線1220和1240更高)。在所示實施例中，當(dāng)工作流體流動處于中間區(qū)域時，湍流器和增強(qiáng)管的表面特征可以協(xié)同地作為湍流發(fā)生器。

具有湍流器的增強(qiáng)管可以用在熱交換器中，該熱交換器可以用在諸如HVAC系統(tǒng)之類的流體冷卻器中(例如參見圖13)。在一些實施例中，熱交換器可以是殼管式熱交換器。在一些實施例中，熱交換器可以為單程熱交換器。應(yīng)當(dāng)理解，具有湍流器的增強(qiáng)管可以用于其他類型的熱交換器，例如，翅管式熱交換器(例如，作為盤管)或其他可能使用到本文中設(shè)計的管的合適類型熱交換器。

圖13為根據(jù)一個實施例的傳熱回路10(例如，可以是流體冷卻器)的示意圖。該傳熱回路10通常包括壓縮機(jī)12、冷凝器14、膨脹裝置16、以及蒸發(fā)器18。壓縮機(jī)12可以是，例如螺桿式壓縮機(jī)。傳熱回路10是示例性的，并且可被改造為包括附加部件。例如，在一些實施例中，傳熱回路10可以包括其他部件，諸如但不限于節(jié)能熱交換器、一個或多個流量控制裝置、接收箱、干燥器、吸液熱交換器等。傳熱回路10一般可以應(yīng)用在各種用于控制空間(通常指調(diào)節(jié)空間)中的環(huán)境條件(例如，溫度、濕度、空氣質(zhì)量等)的系統(tǒng)。系統(tǒng)的實例包括但不限于加熱通風(fēng)空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)、運(yùn)輸制冷系統(tǒng)等。

傳熱回路10的部件可流通地連接。傳熱系統(tǒng)10可以特別地配置為可在冷卻模式下運(yùn)轉(zhuǎn)的冷卻系統(tǒng)，例如，水冷卻器。

傳熱回路10根據(jù)公知的原理工作。傳熱回路10可以配置為加熱或冷卻傳熱流體或傳熱介質(zhì)(例如，液體，但不限于水等)，在這種情況下，傳熱回路10通?？梢员硎疽后w冷卻系統(tǒng)。任選地，傳熱回路10可配置為加熱或冷卻傳熱介質(zhì)或液體(例如，氣體，但不限于空氣等)，在這種情況下，傳熱回路10通?？梢员硎究照{(diào)或熱泵。

在作業(yè)中，壓縮機(jī)12將傳熱液體(例如，制冷劑等)從相對低壓的氣體壓縮成相對高壓的氣體。相對高壓和高溫的氣體被排出壓縮機(jī)12，并流經(jīng)冷凝器14。根據(jù)公知的原理，傳熱液體流經(jīng)冷凝器10并將熱量排出到傳熱流體或傳熱介質(zhì)(例如，水、空氣等)，從而冷卻傳熱介質(zhì)。冷卻后的傳熱流體(其現(xiàn)在為液態(tài))流至膨脹裝置16。膨脹裝置16降低傳熱流體的壓力。從而使得傳熱流體的一部分被轉(zhuǎn)換成氣態(tài)。傳熱流體(其現(xiàn)在為氣液共存態(tài))流至蒸發(fā)器18。傳熱流體流過蒸發(fā)器18并從傳熱介質(zhì)(例如，水、空氣等)吸收熱量，從而對傳熱流體進(jìn)行加熱并將其轉(zhuǎn)化成氣態(tài)。然后，氣態(tài)的傳熱流體返回至壓縮機(jī)12。在傳熱回路處于運(yùn)行工況時，例如，處于冷卻模式中(例如，當(dāng)壓縮機(jī)12啟動時)，不斷地進(jìn)行上述流程。

各個方面

應(yīng)當(dāng)理解，下列的任意方面均可以與下列的任意其他方面進(jìn)行組合。

一方面：熱交換管包括：內(nèi)表面特征、和在熱交換管內(nèi)部沿縱向方向延伸的湍流器。

一方面：在一些實施例中，湍流器的至少一部分位于內(nèi)表面特征上。

一方面：在一些實施例中，熱交換管還包括外表面特征，例如，任何本文中所述的增強(qiáng)管。

一方面：在一些實施例中，當(dāng)工作流體流動處于湍流區(qū)域時，內(nèi)表面特征顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。

一方面：在一些實施例中，當(dāng)工作流體流動處于過渡區(qū)域時，湍流器顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。

一方面：在一些實施例中，當(dāng)工作流體流動處于中間區(qū)域時，湍流器和內(nèi)表面特征顯著地對傳熱系數(shù)有貢獻(xiàn)。中間區(qū)域包括低于過渡區(qū)域和湍流區(qū)域之間的過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)，和高于過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)。

一方面：在一些實施例中，湍流器可以由金屬制成，例如銅。在一些實施例中，湍流器可以由非金屬材料制成。在一些實施例中，湍流器的材料可以是非腐蝕性的，并且與熱交換管的材料(例如，銅)相容，與工作流體(例如，水和/或乙二醇)相容和/或不溶于工作流體。

一方面：流體流過熱交換器的方法包括：引導(dǎo)工作流體通過具有內(nèi)表面特征和湍流器的熱交換管。

一方面：在一些實施例中，引導(dǎo)工作流體包括引導(dǎo)通過熱交換器的單程，例如殼管式熱交換器。

一方面：在一些實施例中，制作熱交換管的方法，包括：在熱交換管的內(nèi)表面提供用于在湍流流體流動區(qū)域顯著地產(chǎn)生湍流的內(nèi)表面特征；提供用于在過渡流體流動區(qū)域中顯著地產(chǎn)生湍流的湍流器；以及將該湍流器安裝在熱交換管內(nèi)。

一方面：在一些實施例中，內(nèi)表面特征和湍流器用于在中間區(qū)域內(nèi)協(xié)同地做出貢獻(xiàn)，該中間區(qū)域包括低于過渡區(qū)域和湍流區(qū)域之間的過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)，和高于過渡雷諾數(shù)的雷諾數(shù)。

一方面：在一些實施例中，該制作熱交換管的方法可包括：將湍流器的第一端固定在熱交換管的第一端；以及將湍流器的第二端延伸至熱交換管的第二端。

一方面：在一些實施例中，湍流器可具有大于熱交換管內(nèi)徑的直徑。當(dāng)湍流器在熱交換管內(nèi)延伸時，湍流器的收縮趨勢將湍流器推向熱交換管的內(nèi)表面，以將湍流器保持在熱交換管內(nèi)。

關(guān)于前述描述，應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，仍可以進(jìn)行細(xì)節(jié)上的變化。前述描述之意圖僅在于示例性地描述本說明書及實施例，而本發(fā)明的真實范圍和精神則由權(quán)利要求的寬泛含義來指示。