ТРУБКИ С КАНАВКАМИ ДЛЯ РЕВЕРСИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕПЛООБМЕННИКАХ Российский патент 2006 года по МПК F28F1/40 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предлагаемое изобретение относится к технической области трубок для теплообменников и, в частности, к области теплообменников, функционирующих в режиме испарения или конденсации и в реверсивном режиме.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно большое число документов, в которых описывается геометрия трубок, содержащих канавки, или ребристых трубок, используемых в теплообменниках.

В качестве примера можно привести патентную заявку ЕР-А2-0148609, в которой описаны такие ребристые трубки, содержащие треугольные или трапециевидные канавки и имеющие следующие характеристики:

- отношение H/Di имеет величину в диапазоне от 0,02 до 0,03, причем символом Н обозначена глубина канавок (или высота ребер) и символом Di обозначен внутренний диаметр этой снабженной канавками трубки,

- угол спирали β по отношению к оси трубки имеет величину в диапазоне от 7° до 30°,

- отношение S/H имеет величину в диапазоне от 0,15 до 0,40, причем символом S обозначена площадь поперечного сечения канавки,

- угол α при вершине ребер имеет величину в диапазоне от 30° до 60°.

Эти параметры трубки адаптированы к текучим средам с переходом фазы, причем эксплуатационные характеристики трубок анализируются различным образом в процессе испарения и конденсации текучей среды.

В японской патентной заявке № 57-58088 описаны трубки с канавками V-образного поперечного сечения, высота Н которых имеет величину в диапазоне от 0,02 до 0,2 мм и угол спирали β имеет величину в диапазоне от 4° до 15°.

Аналогичные по характеристикам трубки описаны в японской патентной заявке № 57-58094.

В японской патентной заявке № 52-38663 описаны трубки с канавками V-образного или U-образного поперечного сечения, для которых высота Н имеет величину в диапазоне от 0,02 до 0,2 мм, шаг Р имеет величину в диапазоне от 0,1 до 0,5 мм и угол спирали β имеет величину в диапазоне от 4° до 15°.

В патенте US № 4044797 описаны трубки с канавками V-образного или U-образного поперечного сечения, подобные описанным выше трубкам.

В японской полезной модели № 55-180186 описываются трубки с трапециевидными канавками и треугольными ребрами, имеющими высоту Н в диапазоне от 0,15 до 0,25 мм, шаг Р, равный 0,56 мм, угол α при вершине ребер (угол, обозначенный символом Θ в этом документе), обычно равный 73°, угол спирали β, равный 30°, и среднюю толщину, равную 0,44 мм.

В патентах US № 4545428 и 4480684 описаны трубки с канавками V-образного поперечного сечения и треугольными ребрами, для которых высота Н имеет величину в диапазоне от 0,1 до 0,6 мм, шаг Р имеет величину в диапазоне от 0,2 до 0,6 мм, угол α при вершине ребра имеет величину в диапазоне от 50° до 100° и угол спирали β имеет величину в диапазоне от 16° до 35°.

В японском патенте № 62-25959 описаны трубки с канавками и ребрами трапециевидной формы, для которых глубина канавки Н имеет величину в диапазоне от 0,2 до 0,5 мм, шаг Р имеет величину в диапазоне от 0,3 до 1,5 мм, причем в данном случае средняя ширина канавок, по меньшей мере, равна средней ширине ребер. В рассмотренном в этом документе примере шаг Р имеет величину 0,70 мм и угол спирали β составляет 10°.

В европейском патенте ЕР-В1-701680, выданном на имя Заявителя, описаны снабженные канавками трубки, имеющие канавки, обычно выполняемые с плоским дном, и ребра различной высоты Н, причем в данном случае угол спирали β имеет величину в диапазоне от 5° до 50° и угол α при вершине ребра имеет величину в диапазоне от 30° до 60°, что призвано обеспечить наилучшие эксплуатационные характеристики после вставки трубок и их монтажа в теплообменнике.

Из патента US 5692560 А, 14.09.1980, 13 стр. известна металлическая трубка с канавками, имеющими толщину в донной части канавки и наружный диаметр De, предназначенная для изготовления теплообменников, функционирующих в режиме испарения, либо в режиме конденсации и использующих жидкий хладагент с изменением фазы, причем канавки предусмотрены внутри трубок и сформированы при помощи N спиральных ребер треугольного поперечного сечения с углом при вершине, имеющих высоту, ширину основания и угол спирали, а два соседних ребра отделены друг от друга канавкой, имеющей плоское дно, и располагаются с шагом, причем наружный диаметр трубки имеет величину в диапазоне от 4 до 20 мм.

Данная публикация выбрана в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения.

В общем случае технические и экономические характеристики трубок, которые являются следствием выбора сочетания параметров, определяющих особенности этих трубок (параметры Н, Р, α, β, геометрическая форма канавок и ребер и т.п.), должны удовлетворять четырем нижеследующим требованиям.

Первое требование связано с характеристиками, относящимися к переносу тепловой энергии (коэффициент теплового обмена), причем в этом аспекте трубки, снабженные канавками, существенно превосходят трубки, не содержащие канавок, так, что для эквивалентного теплового обмена длина снабженной канавками трубки обязательно будет меньшей, чем длина аналогичной трубки, не содержащей канавок.

Второе требование касается характеристик, относящихся к потерям напора, причем относительно небольшие потери напора позволяют использовать насосы или компрессоры меньшей мощности, менее громоздкие и менее дорогостоящие.

Третье требование связано с характеристиками, относящимися к механическим свойствам трубок, зависящих обычно от свойств металлических сплавов, используемых для изготовления таких трубок, или со средней толщиной этих трубок, которая обусловливает вес данной трубки на единицу ее длины и влияет, таким образом, на себестоимость ее изготовления.

И наконец, четвертое требование связано с пригодностью данных трубок к изготовлению в промышленных масштабах, а также со скоростью их изготовления, что обусловливает себестоимость данной трубки в процессе ее изготовления.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С одной стороны, как это следует из существующего уровня техники, имеется большое число и очень большое разнообразие технических инструкций и указаний, относящихся к снабженным канавками трубкам, принимая во внимание, что они призваны оптимизировать тепловой обмен и снижать потери напора.

С другой стороны, каждая из указанных технических инструкций сама по себе предлагает, чаще всего, широкий спектр возможностей, причем параметры трубок обычно определяются относительно широкими диапазонами характеризующих их величин.

И наконец, эти технические инструкции, в частности, относятся к области теплообмена с жидким хладагентом, то есть с текучей средой, которая обычно испаряется или конденсируется в охлаждающем контуре, причем эта текучая среда ведет себя различным образом в процессе испарения и в процессе конденсации. Вплоть до настоящего времени эти технические инструкции касались снабженных канавками трубок, предназначенных для теплообменников, функционирующих либо в режиме конденсации, либо в режиме испарения.

В результате для специалиста в данной области техники представляется затруднительным выделить оптимальное решение из существующего уровня техники, включающего в себя большое количество данных, зачастую противоречащих друг другу.

В тоже время для специалиста в данной области техники представляется известным, что обычная предлагаемая на рынке трубка с ребрами треугольного поперечного сечения, схематически проиллюстрированная на фиг.1, обычно имеет следующие параметры: наружный диаметр трубки De=12 мм, высота ребра Н=0,25 мм, толщина стенки трубки Tf=0,35 мм, количество ребер N=65, угол спирали β=15°, угол а при вершине ребра = 55°.

Задачей настоящего изобретения является разработка трубок с оптимальными параметрами, удовлетворяющих потребности рынка. Объектом предлагаемого изобретения являются трубки для теплообменников с возможностью реверсивного применения, то есть трубки или теплообменники, которые могут быть использованы как в режиме испарения, так и в режиме конденсации, то есть либо для охлаждения, например, в качестве кондиционера воздуха, либо в режиме нагревателя, например, в качестве средства нагревания воздуха или некоторой вторичной текучей среды.

Объектом предлагаемого изобретения, в частности, являются трубки, которые не только позволяют достичь компромисса между тепловыми характеристиками в режиме испарения и в режиме конденсации жидкого хладагента, но которые, кроме того, имеют улучшенные характеристики как в режиме испарения, так и в режиме конденсации.

Таким образом, объектом настоящего изобретения являются трубки и теплообменники, которые одновременно отличаются экономичностью, относительно небольшим весом на единицу длины и хорошими характеристиками теплового обмена как в режиме испарения, так и в режиме конденсации.

Для решения поставленной задачи предлагаются металлические трубки с канавками, имеющие толщину Tf в донной части канавки и наружный диаметр De, предназначенные для изготовления теплообменников, функционирующих в режиме испарения, либо в режиме конденсации, либо в реверсивном режиме, и использующих жидкий хладагент с изменением фазы, причем канавки предусмотрены внутри трубок и сформированы при помощи N спиральных ребер треугольного поперечного сечения с углом α при вершине ребер, имеющих высоту Н, ширину основания L_N и угол спирали β, два соседних ребра отделены друг от друга канавкой, имеющей плоское дно шириной L_R, и располагаются с шагом Р, равным величине L_R+L_N, а наружный диаметр De трубки имеет величину в диапазоне от 4 до 20 мм, отличающиеся тем, что

a) количество N ребер может изменяться в диапазоне от 46 до 98, в частности увеличиваться с увеличением наружного диаметра De трубки,

b) высота Н ребер имеет величину в диапазоне от 0,18 до 0,40 мм и может изменяться в зависимости от наружного диаметра De трубки,

c) угол α при вершине ребер имеет величину, удовлетворяющую соотношению 15°≤α<30°,

d) угол спирали β имеет величину в диапазоне от 18° до 35°,

e) для упомянутой трубки коэффициент Каваллини составляет по меньшей мере 3,1, причем указанные параметры обеспечивают одновременно высокий коэффициент теплового обмена как в режиме испарения, так и в режиме конденсации, относительно небольшую потерю напора и возможность уменьшить вес трубок.

Предпочтительно, чтобы указанные ребра образовывали последовательность ребер с высотой Н1=Н и высотой Н2=а·Н1, где коэффициент а имеет величину в диапазоне от 0,6 до 0,9.

Предпочтительно, чтобы последовательность ребер представляла собой чередование ребер с высотой H1 и ребер с высотой Н2, отделенных друг от друга плоским дном канавки.

Предпочтительно также, чтобы для диаметра De меньшего или равного 9,55 мм, величина высоты Н выбиралась в диапазоне от 0,18 до 0,3 мм, и предпочтительно в диапазоне от 0,20 до 0,25 мм, и/или число N выбиралось меньшим 75 и предпочтительно находящимся в диапазоне от 64 до 70.

Целесообразно, чтобы для диаметра De величиной, меньшей или равной 9,55 мм, высота Н находилась в диапазоне от 0,25 до 0,40 мм, а число N лежало в диапазоне от 70 до 98.

Целесообразно также, чтобы угол α при вершине ребер имел величину, лежащую в диапазоне от 20° до 28°.

Целесообразно также, чтобы угол α при вершине имел величину, лежащую в диапазоне от 22° до 25°.

Целесообразно также, чтобы угол спирали β имел величину, лежащую в диапазоне от 20° до 30°.

Предпочтительно, чтобы угол спирали β имел величину, лежащую в диапазоне от 25° до 28°.

Предпочтительно, чтобы упомянутые ребра имели "трапециевидный" профиль с большим основанием и вершиной, имеющей по существу плоскую центральную часть, в случае необходимости наклоненную на некоторый угол по отношению к этому большому основанию.

Предпочтительно также, чтобы вершина упомянутого ребра, образующая малое основание трапеции, имела закругленные кромки.

Целесообразно, чтобы упомянутая закругленная вершина или упомянутые закругленные кромки имели радиус кривизны, обычно имеющий величину в диапазоне от 40 до 100 мкм и предпочтительно в диапазоне от 50 до 80 мкм.

Целесообразно, чтобы L_R плоского дна упомянутой канавки и ширина L_N основания ребра выбирались такими, чтобы выполнялось соотношение L_R=b·L_N, где коэффициент b имеет величину в диапазоне от 1 до 2 и предпочтительно в диапазоне от 1,10 до 1,8.

Целесообразно также, чтобы упомянутые ребра и плоское дно упомянутых канавок соединялись друг с другом с радиусом кривизны менее 50 мкм и предпочтительно менее 20 мкм.

Целесообразно также, чтобы коэффициент Каваллини, по меньшей мере, был равен 3,5 и предпочтительно составлял не менее 4,0.

Предпочтительно, чтобы трубки дополнительно содержали систему осевых контрканавок, формирующих в упомянутых ребрах вырезы с треугольным профилем с закругленной вершиной, причем такая вершина представляла угол γ, имеющий величину в диапазоне от 25° до 65°, и упомянутая нижняя часть или вершина располагалась на расстоянии h от дна упомянутой канавки, имеющем величину в диапазоне от 0 до 0,2 мм.

Предпочтительно, чтобы трубки были изготовлены из меди или из медных сплавов, а также из алюминия или из алюминиевых сплавов.

Предпочтительно, чтобы трубки изготавливались путем нарезания канавок в готовых трубках или, в случае необходимости, путем формирования канавок на плоской металлической ленте, в дальнейшем с последующим формированием из последней сварной трубки.

Еще одним объектом изобретения являются теплообменники, в которых используются вышеуказанные трубки.

Еще одним объектом изобретения является применение вышеуказанных трубок и теплообменников в реверсивных кондиционерах воздуха и в многотрубных теплообменниках типа холодильников.

Совокупность вышеприведенных параметров позволяет обеспечить выбор трубок, адаптированных для теплообменников с использованием жидких хладагентов с изменением фазы, получить одновременно высокий коэффициент теплового обмена как в режиме испарения, так и в режиме конденсации, обеспечить относительно небольшую потерю напора и получить трубку возможно меньшего веса.

ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1а и 1b иллюстрируют обозначения различных параметров, используемых при определении трубок в соответствии с предлагаемым изобретением.

Фиг.1а представляет частичный схематический вид снабженной канавками трубки (1) в частичном разрезе по оси этой трубки таким образом, чтобы проиллюстрировать угол спирали β.

Фиг.1b представляет частичный схематический вид снабженной канавками трубки (1) в частичном разрезе по плоскости, перпендикулярной оси этой трубки, таким образом, чтобы проиллюстрировать вариант реализации трубки, содержащей совокупность ребер (2), с высотой Н, имеющих, по существу, треугольную форму, а также имеющих в основании ширину L_N и угол α при вершине ребер, отделенных друг от друга канавками (3), имеющими по существу трапециевидную форму и ширину L_R, причем ширина L_R представляет собой расстояние между двумя соседними ребрами. Эта снабженная канавками трубка имеет толщину Tf, наружный диаметр De, внутренний диаметр Di и шаг Р, величина которого может быть выражена соотношением L_R+L_N.

Фиг.2а-2с представляют схематические виды в частичных разрезах трубки, имеющей диаметр De на уровне 8 мм и толщину Tf на уровне 0,26 мм, в соответствии с примером осуществления предлагаемого изобретения, в котором совокупность ребер образует чередование трапециевидных ребер с высотой H1 и ребер с высотой Н2, меньшей, чем высота H1, в различных масштабах.

Фиг.2а представляет три полных ребра (2) и два показанных частично ребра, отделенных друг от друга канавками (3), и проставлен масштаб "200 мкм".

Фиг.2b представляет два полных ребра и масштаб "100 мкм" в см.

Фиг.2с представляет одно полное ребро (2) и проставлен масштаб "50 мкм" в см.

Фиг.3 представляет схематический вид в частичном разрезе трубки, имеющей диаметр Dн, равный 9,52 мм, и толщину Tf, равную 0,30 мм, в соответствии с предлагаемым изобретением.

Различные кривые, представленные на фиг.4, демонстрируют для режима конденсации при температуре 30°С и с использованием текучей среды типа R22 изменение коэффициента теплового обмена Hi (выраженного в Вт/м²·К), отсчитываемого по оси ординат, в функции расхода текучей среды G (выраженного в кг/м²·с), отсчитываемого по оси абсцисс.

Различные кривые, представленные на фиг.5, демонстрируют для режима испарения при температуре 0°С и с использованием текучей среды типа R22 изменение коэффициента теплового обмена Hi (выраженного в Вт/м²·К), отсчитываемого по оси ординат, в функции расхода текучей среды G (выраженного в кг/м²·с), отсчитываемого по оси абсцисс.

Эти кривые соответствуют трубке по данному изобретению, обозначенной позицией Е на фиг.3, и трубкам, соответствующим существующему уровню техники и обозначенным позициями "А", "С", "D" и "S", причем все эти трубки имеют один и тот же наружный диаметр De=9,52 мм.

На фиг.6 и 7 указана, по оси ординат, измеренная в ваттах мощность охлаждения при теплообмене для батареи (радиатора), сформированной из трубок и крыльев теплообмена, в функции отсчитываемой по оси абсцисс в м/с фронтальной скорости движения воздуха, циркулирующего между этими крыльями теплообмена.

Эти кривые соответствуют трубке по данному изобретению - позиция Е на фиг.2а-2с, и трубкам из известного уровня техники, обозначенным позициями "А", "В" и "S", причем все эти трубки имеют один и тот же наружный диаметр De=8,00 мм.

Батарея (радиатор) (4), схематически представленная на фиг.8, образована трубками (1), имеющими диаметр De=9,52 мм, и представляет собой блок, имеющий размеры 400 мм × 400 мм × 65 мм, с плотностью расположения крыльев теплообмена на уровне 12 ребер (5) на 25,4 мм, причем этот радиатор (4) содержит три ряда по 16 снабженных канавками трубок (1) и используемая текучая среда представляет собой жидкий хладагент типа R22.

Графики на фиг.6 относятся к измерениям в режиме конденсации на описанной выше батарее (радиаторе) при температуре воздуха на входе 23,5°С и температуре конденсации 36°С жидкого хладагента типа R22.

Графики на фиг.7 относятся к измерениям в режиме испарения на описанной выше батарее (радиаторе) при температуре воздуха на входе 23,5°С и температуре испарения 6°С жидкого хладагента типа R22.

На фиг.8 представлен схематический перспективный вид батареи (4), сформированной из трубок (1) с крыльями теплообмена (5) и используемой для контрольных проверок.

На фиг.9 графически представлен на оси ординат выигрыш в охлаждающей мощности в режиме испарения на батареях (радиаторах), в соответствии с фиг.7, при эталонной скорости движения воздуха, составляющей 1,25 м/с, в функции коэффициента Каваллини (Cavallini), отсчитываемого по оси абсцисс, для различных тестируемых трубок: гладкой трубки S, трубки Е в соответствии с предлагаемым изобретением и трубок А и В в соответствии с известным уровнем техники.

На фиг.10 приведены графики, содержащие на оси ординат коэффициент теплового обмена Hi (выраженный в Вт/м²·К) на трубках, работающих в режиме испарения, с использованием жидкого хладагента типа R407C, в функции весового процентного содержания пара в этом жидком хладагенте, отсчитываемого по оси абсцисс, причем температура испарения составляет 5°С. Измерения были выполнены при тепловом потоке порядка 12 кВт/м² и с массовым расходом жидкого хладагента типа R407C порядка 100 кг/м²·с или порядка 200 кг/м²·с, как это указано на фиг.10, для трубок, имеющих диаметр De, составляющий 9,52 мм.

На фиг.11 представлен схематический вид участка внутренней поверхности снабженной канавками трубки в соответствии с предлагаемым изобретением, оснащенной осевыми контрканавками (30), со схематическим представлением такой контрканавки в нижней части данной фигуры.

В соответствии с вариантом предлагаемого изобретения, проиллюстрированным на фиг.2а-2с, упомянутые ребра могут формировать последовательность ребер, имеющих высоту Н1=Н, и ребер, имеющих высоту Н2=а·Н1, где коэффициент а имеет величину в диапазоне от 0,6 до 0,9 и, предпочтительно, в диапазоне от 0,7 до 0,85, причем величина этого коэффициента а на фиг.2а-2с близка к 0,75.

Обычно, как показано на фиг.2а-2с, упомянутая последовательность ребер может представлять собой чередование ребер, имеющих высоту H1, и ребер, имеющих высоту Н2, отделенных друг от друга обычно плоским дном канавки.

Однако, как показано на фиг.3, снабженные канавками трубки в соответствии с предлагаемым изобретением не обязательно содержат такое чередование ребер с различными высотами, как на фиг.2а-2с, причем в этом случае все ребра могут иметь по существу одну и ту же высоту.

Обычно трубки с диаметром De, равным 9,52 мм, имеют высоту Н в диапазоне от 0,18 до 0,3 мм, и/или число N менее 75 и предпочтительно находящееся в диапазоне от 64 до 70.

Кроме того, трубки с диаметром De не менее 9,55 мм имеют высоту Н в диапазоне от 0,25 до 0,40 мм, а число N в диапазоне от 70 до 98.

Предпочтительный диапазон величин угла α при вершине ребер может составлять от 20° до 28°, причем еще более узкий диапазон от 22° до 25° обеспечивает наилучший компромисс между требованиями, предъявляемыми к техническим характеристикам трубок, и требованиями, связанными с расширением этих трубок с целью их закрепления на крыльях теплообмена упомянутых батарей (радиаторов).

Предпочтительный диапазон величин угла спирали β может составлять от 20° до 30°, причем еще более узкий диапазон от 25° до 28° обеспечивает наилучший компромисс между требованиями в области технических характеристик и требованиями, связанными с потерей напора. Угол спирали β может изменяться в зависимости от внутреннего диаметра Di: было установлено, что предпочтительным оказывается отношение β/Di, превышающее величину 2,40°/мм, и еще более предпочтительно превышающее величину 3°/мм.

Предпочтительно, чтобы упомянутые ребра имели "трапециевидный" профиль с большим основанием шириной L_N и вершиной, соединенной с этим большим основанием при помощи боковых кромок, образующих между собой угол α при вершине ребер, как это показано на фиг.2с, причем эта вершина содержит, по существу, плоскую центральную часть, обычно параллельную упомянутому большому основанию, но выполняемую, в случае необходимости наклоненной на некоторый угол по отношению к большому основанию.

В любом случае вершина ребра, образующая малое основание трапеции, может иметь закругленные или не закругленные кромки, то есть кромки с очень малым радиусом кривизны, причем эти кромки образуют соединение упомянутой вершины с боковыми кромками данного ребра.

Закругленные кромки могут иметь радиус кривизны в диапазоне от 40 до 100 мкм, и предпочтительно в диапазоне от 50 до 80 мкм, как показано на фиг.2а-2с. Указанные диапазоны радиусов кривизны позволят достичь компромисса между требованиями, предъявляемыми к техническим характеристикам трубок, и возможностью их практической реализации, причем инструменты, предназначенные для изготовления трубок с наименьшими упомянутыми радиусами кривизны, в наибольшей степени имеют тенденцию к износу.

В том случае, когда упомянутые кромки не являются закругленными, как это проиллюстрировано на фиг.3, радиус их кривизны обычно может иметь величину менее 50 мкм и даже менее 20 мкм.

В соответствии с предлагаемым изобретением ширина L_R плоского дна канавки и ширина L_N основания ребра могут быть такими, чтобы выполнялось соотношение L_R=b·L_N, где коэффициент b имеет величину в диапазоне от 1 до 2 и предпочтительно в диапазоне от 1,1 до 1,8, в результате чего может быть получена трубка, имеющая относительно небольшой вес на единицу длины.

Как показано на фиг.2а-2с и 3, упомянутые ребра и плоское дно канавок могут, как правило, соединяться друг с другом участками с радиусом кривизны, имеющим величину менее 50 мкм, и предпочтительно менее 20 мкм. В этом случае обеспечивается наилучшее отделение жидкой пленки хладагента от внутренней стенки трубки, что благоприятствует теплообмену.

Трубки в соответствии с предлагаемым изобретением могут иметь, даже в отсутствие сформированной системы осевых канавок, коэффициент Каваллини на уровне не менее 3,1. Эти трубки могут иметь коэффициент Каваллини предпочтительно не менее 3,5, и еще более предпочтительно не менее 4,0.

Коэффициент Каваллини Rx² (или Rx·Rx), который используется в математических моделях изменения коэффициента теплового обмена, представляет собой коэффициент чисто геометрического характера, выражаемый соотношением:

[[2·N·H·(1-Sin(α/2)/3,14·Di·Cos(α/2))+1]/Cosβ]²

Для того чтобы в еще большей степени увеличить указанный коэффициент Каваллини, и как это показано на фиг.11, трубки в соответствии с предлагаемым изобретением дополнительно могут содержать систему осевых канавок (30), создающих в упомянутых ребрах вырезы, обычно имеющие треугольный профиль с закругленной вершиной, причем такая вершина представляет угол γ, имеющий величину в диапазоне от 25° до 65°, и упомянутая нижняя часть или вершина располагается на расстоянии h от дна упомянутой канавки, имеющем величину в диапазоне от 0 до 0,2 мм.

Такая система осевых канавок может быть получена одновременно с формированием упомянутых ребер путем прохождения ролика для нарезания канавок в осевом направлении.

Содержащие систему канавок трубки в соответствии с предлагаемым изобретением могут быть изготовлены из меди или из медных сплавов, а также из алюминия или из алюминиевых сплавов. Обычно трубки изготавливаются путем нарезания канавок в готовых трубках или, в случае необходимости, путем формирования канавок на плоской металлической ленте, из которой затем формируется сварная трубка.

Другим объектом предлагаемого изобретения являются теплообменники, в составе которых используются трубки в соответствии с этим изобретением.

Эти теплообменники могут содержать крылья теплового обмена, находящиеся в непосредственном контакте с упомянутыми трубками на некоторой части этих трубок, причем в этих теплообменниках максимальное расстояние между упомянутыми крыльями теплообмена и упомянутыми трубками, на участке, который не находится в контакте с ними, имеет величину менее 0,01 мм и предпочтительно величину менее 0,005 мм.

Еще одним объектом предлагаемого изобретения является использование трубок и теплообменников в соответствии с предлагаемым изобретением в реверсивных кондиционерах воздуха и в многотрубных теплообменниках типа холодильников.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ

I - Изготовление трубок

Были проведены испытания на трубках, изготовленных из меди и имеющих наружный диаметр 8,0 или 9,52 мм.

При этом были изготовлены трубки типа "Е" в соответствии с предлагаемым изобретением, проиллюстрированные на фиг.2а-2с с наружным диаметром De, равным 8,0 мм, и проиллюстрированные на фиг.3 с наружным диаметром De, равным 9,52 мм, а также трубки типа "S" или гладкие трубки, и трубки типа "С" и "D", имеющие достаточно большой угол спирали β (составляющий, по меньшей мере, 20°), предназначенные для работы в режиме конденсации в соответствии с известным уровнем техники, и трубки типа "А" и "В", которые имеют достаточно большой угол α при вершине ребер (составляющий по меньшей мере 40°) и относительно малый угол спирали β (не превышающий 18°), предназначенные для работы в режиме испарения в соответствии с существующим уровнем техники.

Трубки типа Е, А, В, С изготовлены путем нарезания канавок в гладкой изготовленной из меди трубке - трубка S, тогда как трубка D была изготовлена путем нарезания канавок на плоской металлической ленте с последующим формированием из этой ленты сварной трубки.

Был проведен ряд испытаний на медных трубках, имеющих наружный диаметр De, составляющий 9,52 мм. В процессе испытаний были получены следующие технические характеристики трубок:

Тип трубкиН (мм)Угол αУгол βNТип реберTf (мм)L_R/L_NЕ Фиг.30,20252566Трапециевидные0,302,3В0,20-0,17401674Треугольные чередующиеся0,301,88А0,20501860Треугольные0,302,00С0,20403060Треугольные0,301,94D0,20152072Двойные перекрещивающиеся ребра*0,303,66S----Гладкая трубка0,30-* 72 основных ребра с углом спирали β, составляющим +20°, взаимно пересекаются с вторичными канавками, наклоненными на угол, составляющий -20° по отношению к оси данной трубки, причем глубина канавок по существу равна высоте основных ребер.

Был также проведен ряд других испытаний с использованием медных трубок, имеющих наружный диаметр 8,0 мм. В процессе испытаний были получены следующие технические характеристики трубок:

Тип трубкиН (мм)Угол αУгол βNТип реберTf (мм)L_R/L_NЕ Фиг.20,20-0,16211846Трапециевидные чередующиеся0,262,5В0,18-0,16401664Треугольные чередующиеся0,262,38А0,18401850Треугольные0,262,33S----Гладкая трубка0,3-

I - Изготовление батарей (радиаторов) или теплообменников

Были изготовлены батареи (радиаторы) с крыльями теплового обмена в соответствии с фиг.8 на основе упомянутых трубок, путем размещения трубок во фланцах крыльев теплового обмена с последующим прижатием трубки к круговому выступу фланцев путем расширения трубки при помощи конической оправки. Эти батареи (радиаторы) образуют блок с размерами 400 мм × 400 мм × 65 мм, обладающий плотностью, составляющей 12 ребер теплового обмена на 25,4 мм, причем упомянутая батарея содержит три ряда из 16 трубок, и используется жидкий хладагент типа R22.

III - Полученные результаты

На фиг.4-7 и фиг.9-10 проиллюстрированы различные результаты, полученные при испытании предлагаемого изобретения.

III - 1 Результаты, полученные на трубках

А) Результаты, полученные при испытаниях в режиме конденсации с жидким хладагентом типа R22 на трубках, имеющих наружный диаметр De, равный 9,52 мм:

В) Результаты, полученные в режиме испарения с использованием жидкого хладагента типа R22 на трубках с наружным диаметром De, равным 8,0 мм:

С) Результаты, полученные в режиме испарения с использованием жидкого хладагента типа R407C на трубках с наружным диаметром De, равным 9,52 мм:

V - Выводы

Все полученные результаты показывают, что трубки в теплообменниках или в батареях (радиаторах) в соответствии с предлагаемым изобретением имеют характеристики, превосходящие характеристики аналогичных изделий из существующего уровня техники как в режиме испарения, так и в режиме конденсации.

Следовательно, неожиданным образом было установлено, что трубки в соответствии с предлагаемым изобретением не только обеспечивают удовлетворительный компромисс между характеристиками в режиме испарения и конденсации, но и отличаются улучшенными абсолютными характеристиками теплообмена по сравнению с трубками из известного уровня техники, используемыми в режиме испарения, и трубками, используемыми в режиме конденсации, что представляет значительный практический интерес.

Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает выигрыш в весе трубки по сравнению с трубками из известного уровня техники и при одном и том же диаметре и одной и той же толщине Tf, находящийся в диапазоне от 3,7 до 6,7%.

И наконец, трубки в соответствии с предлагаемым изобретением, обозначенные позицией Е, могут быть изготовлены путем высокоскоростного нарезания канавок в гладких медных трубках, производимого со скоростью, близкой к скорости, используемой для трубок типа В, а именно, со скоростью нарезания, составляющей, по меньшей мере, 80 м/мин.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемое изобретение обладает многочисленными преимуществами.

Действительно, с одной стороны, трубки и батареи (радиаторы), полученные в соответствии с предлагаемым изобретением, имеют улучшенные характеристики.

С другой стороны, эти характеристики являются достаточно высокими как в режиме испарения, так и в режиме конденсации, что позволяет использовать одну и ту же трубку в двух этих вариантах применения.

Кроме того, предлагаемые трубки имеют относительно небольшой вес на единицу длины, что дает существенные преимущества как в плане эксплуатации, так и с экономической точки зрения при относительно низкой себестоимости материала.

И наконец, трубки в соответствии с предлагаемым изобретением не требуют специальных средств их изготовления. Такие трубки могут быть изготовлены с использованием стандартного оборудования и при обычном в таких случаях темпе производства.

Металлические трубки с канавками, имеющие толщину Tf в донной части канавки и наружный диаметр De, предназначенные для изготовления теплообменников, функционирующих в режиме испарения, либо в режиме конденсации, либо в реверсивном режиме и использующих жидкий хладагент с изменением фазы, причем канавки предусмотрены внутри трубок и сформированы при помощи N спиральных ребер с углом α при вершине ребер, имеющих высоту Н, ширину основания L_N и угол спирали β, а два соседних ребра отделены друг от друга канавкой, имеющей плоское дно шириной L_R, и располагаются с шагом Р, равным величине L_R+L_N, а наружный диаметр De трубки имеет величину в диапазоне от 4 до 20 мм, причем количество N ребер может изменяться в диапазоне от 46 до 98, в частности, увеличиваться с увеличением наружного диаметра De трубки, а высота Н ребер имеет величину в диапазоне от 0,18 до 0,40 мм и может изменяться в зависимости от наружного диаметра De трубки, угол α при вершине ребер имеет величину, удовлетворяющую соотношению 15°≤α<30°, угол спирали β имеет величину в диапазоне от 18 до 35°, для упомянутой трубки коэффициент Каваллини составляет, по меньшей мере, 3,1. Также предложены теплообменники, в которых используются вышеуказанные трубки, а также применение этих трубок и теплообменников в реверсивных кондиционерах воздуха и в многотрубных теплообменниках типа холодильников. Изобретение позволяет разработать трубки, отличающиеся экономичностью, относительно небольшим весом на единицу длины и хорошими характеристиками теплового обмена как в режиме испарения, так и в режиме конденсации. 19 з.п. ф-лы, 11 ил., 6 табл.

1. Металлические трубки (1) с канавками, имеющие толщину Tf в донной части канавки и наружный диаметр De, предназначенные для изготовления теплообменников, функционирующих в режиме испарения, либо в режиме конденсации, либо в реверсивном режиме и использующих жидкий хладагент с изменением фазы, причем канавки предусмотрены внутри трубок и сформированы при помощи N спиральных ребер (2) с углом α при вершине ребер, имеющих высоту Н, ширину основания L_N и угол спирали β, а два соседних ребра отделены друг от друга канавкой (3), имеющей плоское дно шириной L_R, и располагаются с шагом Р, равным величине L_R+L_N, а наружный диаметр De трубки имеет величину от 4 до 20 мм, отличающиеся тем, что

a) количество N ребер может изменяться от 46 до 98, в частности увеличиваться с увеличением наружного диаметра De трубки,

b) высота Н ребер имеет величину от 0,18 до 0,40 мм и может изменяться в зависимости от наружного диаметра De трубки,

c) угол α при вершине ребер имеет величину, удовлетворяющую соотношению 15°≤α<30°,

d) угол спирали β имеет величину от 18° до 35°,

e) для упомянутой трубки коэффициент Каваллини составляет, по меньшей мере, 3,1, причем указанные параметры обеспечивают одновременно высокий коэффициент теплового обмена как в режиме испарения, так и в режиме конденсации, относительно небольшую потерю напора и возможность уменьшить вес трубок.

величина высоты Н выбирается от 0,18 до 0,3 мм и предпочтительно от 0,20 до 0,25 мм,

и/или число N выбирается меньшим 75, предпочтительно от 64 до 70.