РИФЛЕНЫЕ РЕБРА ДЛЯ ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2019 года по МПК F28F1/30 F28F1/32 F28F13/12 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к рифленым ребрам для теплообменника, размещаемым между плоскими трубками или устанавливаемым в плоской трубке с расположением выступов и канавок попеременно на идущей вверх поверхности стенки и идущей вниз поверхности стенки ребра.

Уровень техники

[0002] В качестве рифленых ребер для теплообменника, которые затрудняют засорение и которые также могут быть использованы для газообразного тела, содержащего много твердых частиц, таких, например, как пыль, известно ребро, описанное в нижеуказанной Патентной литературе 1 и используемое в преобразователе теплоты и в теплообменнике отработанных газов строительной техники.

[0003] Изобретение, описанное в Патентной литературе 1, представляет собой рифленое ребро в форме прямоугольной волны, в котором вершины и впадины волны идут извилистым образом в продольном направлении, как показано на фиг. 16 и фиг. 17 (в дальнейшем это ребро названо рифленым ребром известного типа). Ребро, описанное в Патентной литературе 1, использовано в качестве внутреннего ребра, устанавливаемого в трубке и которое размешивает газообразное тело, протекающее в трубке, заставляя его проходить извилистым образом от стороны вверх по потоку к стороне вниз по потоку для уменьшения в максимально возможной степени пограничного слоя, образуемого на поверхности стенки.

Список цитированной литературы

Патентная Литература

[0004] PTL 1: выложенный Патент Японии №2007-78194.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

[0005] Хотя рифленое ребро известного типа, описанное в Патентной литературе 1, подавляет развитие пограничного слоя, этого недостаточно. Кроме того, имеет место затруднение при производстве, такое как деформация в направлении высоты ребра в связи с нанесением волнового профиля посредством механической обработки.

[0006] Таким образом, имеет место потребность в рифленом ребре, обладающем более высокими рабочими характеристиками теплообмена и обеспечивающем более высокую производительность.

[0007] В соответствии с этим, в результате различных экспериментов и анализа для текучих сред авторы настоящего изобретения и др. были выявлены параметры ребра, которое обладает более высокими рабочими характеристиками теплообмена и которое легче изготовить, чем рифленое ребро согласно вышеупомянутой Патентной литературе 1.

[0008] Таким образом, они разработали рифленое ребро, обладающее более высокими рабочими характеристиками теплообмена и которое легче изготовить, чем рифленое ребро согласно вышеупомянутой Патентной литературе 1, посредством указания фиксированных диапазонов для толщины его пластины, шага выступов и канавок, высоты выступов и канавок и шага рифленых ребер при поочередном и повторном формировании выступов и канавок на поверхностях стенок, которые выполнены в виде идущей вверх поверхности и идущей вниз поверхности рифленого ребра.

Решение проблемы

[0009] Настоящее изобретение согласно п. 1 предлагает рифленые ребра для теплообменника, размещаемые между плоскими трубками, которые размещены бок о бок отдельно друг от друга, или устанавливаемые в плоской трубке, причем

материалом ребра является алюминий или алюминиевый сплав,

толщина пластины ребра составляет от 0,06 до 0,16 мм и ребро имеет соответствующие поверхности (3) стенки идущей вверх части и идущей вниз части между вершиной и впадиной, которые согнуты в форме волны в продольном направлении ребра,

выступы (4) и канавки (5), имеющие наклон от 10 градусов до 60 градусов относительно поперечного направления ребра и имеющие одно и тоже направление, поочередно размещены бок о бок на соответствующих поверхностях (3) стенок, причем

при

установке значения высоты выступов и канавок (внешний размер от впадины канавки до вершины выступа, включая толщину пластины) равным Wh [мм],

установке значения шага выступов и канавок (расстояние от определенного выступа до следующего выступа) равным Wp [мм],

установке значения шага рифленых ребер равным Pf [мм] и

установке значения толщины пластины ребра равным Tf [мм],

рифленые ребра удовлетворяют следующим условиям при протекании газообразного тела в поперечном направлении ребер,

где

a=0,004⋅Pf²-0,0696⋅Pf+0,3642

b=-0,0036⋅Pf²+0,0625⋅Pf-0,5752, и

c=0,0007⋅Pf²+0,1041⋅Pf+0,2333.

[0010] Настоящее изобретение согласно п. 2 предлагает рифленые ребра для теплообменника согласно п. 1, причем

рифленые ребра удовлетворяют следующим условиям при протекании газообразного тела в поперечном направлении ребер,

где

а'=0,004⋅Pf²-0,0694⋅Pf+0,3635

b'=-0,0035⋅Pf²+0,0619⋅Pf-0,5564, и

с'=0,0007⋅Pf²+0,1114⋅Pf+0,2304.

[0011] Настоящее изобретение согласно п. 3 предлагает рифленые ребра для теплообменника согласно п. 1, причем

рифленые ребра удовлетворяют следующим при протекании газообразного тела в поперечном направлении ребер,

где

а''=0,0043⋅Pf²-0,0751⋅Pf+0,3952

b''=- 0,0038⋅Pf²+0,0613⋅Pf-0,6019, и

с''=0,0017⋅Pf²+0,1351⋅Pf+0,2289.

Обеспечиваемые технические результаты

[0012] Рифленое ребро по настоящему изобретению может быть выполнено посредством способа изготовления общего назначения, предназначенного для механической обработки гнутых профилей и т.д., и его параметры составлены для удовлетворения [Формулы 1] - [Формулы 3] в пункте 1, и, таким образом, обеспечена возможность выполнения рифленого ребра с улучшенными характеристиками рассеяния тепла, легко подверженного машинной обработке по сравнению с рифленым ребром известного типа посредством образования в области ячейки, которая окружена плоскими трубками и идущей вверх стенкой и идущей вниз стенкой ребра, как показано на фиг. 2, потоков газообразного тела, например, воздуха, который проходит в ней в виде двух вихревых потоков, протекающих в направлении течения газообразного тела, эффективно направляя, тем самым, текучую среду в центральной части ячейки к ребру.

Краткое описание чертежей

[0013] На фиг. 1 показан вид спереди основной части рифленых ребер для теплообменника согласно настоящему изобретению.

[0014] На фиг. 2 показана пояснительная схема, показывающая работу того же ребра.

[0015] На фиг. 3 показана общая схема по стрелке вдоль линии III-III на фиг. 1.

[0016] На фиг. 4 показана общая схема в разрезе по стрелке вдоль линии IV-IV на фиг. 1 и фиг. 2.

[0017] На фиг. 5 показан вид спереди теплообменника, использующего те же рифленые ребра.

[0018] На фиг. 6 показана общая схема по стрелке вдоль линии VI-VI на фиг. 5.

[0019] На фиг. 7 показан вид сверху, показывающий развернутое состояние тех же рифленых ребер.

[0020] На фиг. 8 показана в перспективном виде основная часть общей схемы теплообменника, использующего те же рифленые ребра.

[0021] На фиг. 9 показано предельное значение при механической обработке для каждой толщины пластины ребра при изготовлении тех же рифленых ребер, причем шаг Wp выступов и канавок отложен по горизонтальной оси, а высота Wh выступов и канавок отложена по вертикальной оси.

[0022] На фиг. 10 показано отношение (в случае рифленого ребра известного типа отношение установлено равным 100%) величины теплообмена (в дальнейшем называемой согласованной с вентилятором величины отношения теплового излучения) с учетом уменьшения расхода потока, вызываемого потерей давления, причем отношение отложено по вертикальной оси, а величина (Wh-Tf) / Pf отложена по горизонтальной оси.

[0023] На фиг. 11 показана кривая, характеризующая диапазон, в пределах которого согласованная с вентилятором величина теплового излучения улучшена по сравнению с рифленым ребром известного типа при величине шага Pf рифленых ребер, равному 3 мм, причем шаг Wp выступов и канавок отложен по горизонтальной оси, а высота Wh выступов и канавок отложена по вертикальной оси.

[0024] На фиг. 12 показана кривая при величине шага Pf тех же самых рифленых ребер, составляющем 6 мм.

[0025] На фиг. 13 показана кривая при величине шага Pf тех же самых рифленых ребер, составляющем 9 мм.

[0026] На фиг. 14 показано распределение скоростей в каждой ячейке (между поверхностью стенки ребра и одной парой плоских трубок) ребра для теплообменника, использующего рифленые ребра согласно настоящему изобретению, и показаны соответствующие сечения, в которых происходит перемещение текучей среды от сечения А к стороне вниз по потоку по порядку, для указания потоков текучей среду в соответствующих ячейках ребра по порядку.

[0027] На фиг. 15 показаны потоки (распределение скоростей в сечении) текучей среды в каждой ячейке по порядку, аналогично фиг. 14, в рифленом ребре известного типа.

[0028] На фиг. 16 показан перспективный вид основной части рифленых ребер известного типа.

[0029] На фиг. 17 показан вид сверху того же самого ребра.

Осуществление изобретения

[0030] Далее на основе чертежей будут описаны варианты реализации настоящего изобретения.

[0031] На фиг. 5 показан один пример теплообменника, использующего рифленые ребра согласно настоящему изобретения, а на фиг. 6 показана общая схема в разрезе по стрелке вдоль линии VI-VI на фиг. 5.

[0032] В этом теплообменнике рифленые ребра 2 размещены между многими плоскими трубками 1, которые размещены бок о бок, спаяны как целое и скреплены вместе между их контактными частями с образованием теплообменного элемента 11. Затем верхняя и нижняя концевые части каждой плоской трубки 1 сообщаются в резервуарах 12 через пластины 10 коллектора.

[0033] Как показано на фиг. 1-4, это рифленое ребро 2 изготовлено посредством изгиба металлической пластины, выполненной из алюминия (включая алюминиевый сплав, такой как, например, сплав на основе Al-Mn (серии JIS 3000 и т.д.), сплав на основе Al-Zn-Mg (серии JIS 7000 и т.д)) в форме волны, а вершина 8 и впадина 9 (фиг. 7) ее сгиба контактируют с плоской трубкой 1. Затем соответствующие поверхности 3 стенок при повышении и падении образованы между вершиной 8 и впадиной 9, а выступы 4 и канавки 5 поочередно выполнены на поверхностях 3 стенок. Выступы 4 и канавки 5 наклонены параллельно друг другу и наклонены относительно поперечного направления ребра, как показано на фиг. 3. В настоящем изобретении угол их наклона установлен равным от 10 градусов до 60 градусов.

[0034] Хотя поверхности стенок 3 содержат много выступов 4 и канавок 5, вершины 8 и впадины 9 образованы как целое посредством формования, что преднамеренно показано схемой разработки и может быть выражено, как на фиг. 7.

[0035] Таким образом, в рифленом ребре 2 вершины 8 и впадины 9 попеременно образованы в продольном направлении ребра отдельно друг от друга, а поверхность 3 стенки размещена между ними. Линейные выступы 4 и канавки 5, симметричные к вершине 8, образованы наклонно на соответствующих поверхностях 3 стенок, обращенных друг к другу при формовании ребра. На фиг. 3 показана частично увеличенная схема этого, причем выступ 4 обозначен штрихпунктирной линией, а канавка 5 обозначена пунктирной линией.

[0036] В данном случае, как показано на том же самом чертеже, выступы 4 и канавки 5 не образованы на ведущем конце рифленого ребра 2, и плоская часть 6 образована на нем.

Особенность рифленого ребра

[0037] Особенность настоящего изобретения состоит в том, что значения высоты Wh выступов и канавок, шага Pf рифленых ребер и толщины Tf пластины ребра на фиг. 1 и шага Wp выступов и канавок на фиг. 3 установлены так, что между ними имеет место определенное соотношение. Определение соответствующих им параметров было получено из последующих экспериментов и анализа потока текучей среды, и предельного значения при механической обработке алюминиевого ребра. Ниже описание этого будет проведено надлежащим образом.

[0038] Хотя в пределах диапазона, в котором влияние уменьшения расхода потока, вызванного возрастанием потери давления, не преобладает, чем больше высота Wh выступов и канавок ребра, тем выше рабочие характеристики теплообмена, высота Wh выступов и канавок также ограничена предельным значением при механической обработке ребра.

[0039] На фиг. 9 показано соотношение между шагом Wp выступов и канавок на поверхности стенки и высотой Wh выступов и канавок при предельном значении при механическом выполнении изгиба ребра для каждого значения толщины пластины. Предельное значение при механической обработке алюминиевого ребра с толщиной пластины 0,06 мм обозначено символами, и при значении шага Wp выступов и канавок 1,5 мм величина 0,5 мм представляет собой верхнее предельное значение высоты Wh выступов и канавок.

[0040] Аналогично, при значении Wp, равном 2,0 мм, величина 0,7 мм представляет собой верхнее предельное значение высоты Wh. Далее, при значении Wp, равном 2,5 мм, величина 0,87 мм примерно соответствует верхнему предельному значению.

[0041] Аналогично, предельное значение при механической обработке в случае толщины пластины 0,1 мм и предельное значение при механической обработки в случае толщины пластины 0,16 мм обозначены символами и , соответственно.

[0042] [Формула 1] выражает предельное значение при механической обработке, показанное на этой фиг. 9, в качестве численной формулы.

[0043] Затем на фиг. 10 показан график, полученный посредством экспериментального определения, насколько согласованная с вентилятором величина теплового излучения согласно настоящему изобретению превосходит аналогичную величину для рифленого ребра известного типа, и нанесения на график отношения Qf этих величин (в случае рифленого ребра известного типа это отношение установлено равным 100%).

Следующие выводы были получены оттуда.

[0044] Согласованная с вентилятором величина теплового излучения согласно настоящему изобретению обладает максимумом и его значение составляет примерно 120% относительно аналогичной величины для рифленого ребра известного типа.

[0045] В этой связи причина возникновения максимального значения состоит в том, что хотя эффект усиления теплообмена вследствие генерации вихревого потока возрастает до некоторой степени вместе с увеличением величины (Wh-Tf) / Pf, при его дальнейшем увеличении влияние уменьшения расхода потока, вызванное увеличением потери давления, становится преобладающим и величина теплообмена спадает.

[0046] [Формула 2] отражает диапазон значений (Wh-Tf) / Pf, в пределах которого согласованная с вентилятором величина теплового излучения, которая показана на фиг. 10, становится большей, чем 100%, полученных по численной формуле.

.

[0047] Затем на фиг. 11 показан, в качестве одного примера, диапазон, в пределах которого, при величине шага Pf рифленых ребер 3,0 мм, ребро согласно настоящему изобретению может быть выполнено посредством механической обработки и его согласованная с вентилятором величина теплового излучения больше 100% по сравнению с аналогичной величиной для рифленого ребра известного типа.

[0048] На фиг. 11 кривая линия А описывает нижнее предельное значение (см. [Формулу 3]) высоты Wh выступов и канавок, при котором согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения превышает 100%.

,

где

a=0,004⋅Pf²-0,0696⋅Pf+0,3642

b=-0,0036⋅Pf²+0,0625⋅Pf-0,5752, и

c=0,0007⋅Pf²+0,1041⋅Pf+0,2333.

[0049] Прямая линия В описывает верхнее предельное значение при механической обработке (см. [Формулу 1]) в случае толщины Tf пластины ребра 0,06 мм, а прямая линия С описывает верхнее предельное значение при механической обработке (см. [Формулу 1]) в случае толщины Tf пластины ребра 0,16 мм.

[0050] Прямая линия D описывает нижнее предельное значение величины (Wh-Tf) / Pf, при котором согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения превышает 100% с учетом верхнего предельного значения при механической обработке и получена при одновременной установке верхнего предельного значения величины Wh (Wh=0,3674⋅Wp+1,893⋅Tf-0,1584) в [Формуле 1] и нижнего предельного значения (0,088=(Wh-Tf) / Pf) величины (Wh-Tf) / Pf в [Формуле 2] и удалении Tf.

[0051] Аналогично, прямая линия Е описывает верхнее предельное значение величины (Wh-Tf) / Pf, при котором согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения превышает 100% с учетом верхнего предельного значения при механической обработке и получена при одновременной установке верхнего предельного значения величины Wh в [Формуле 1] и верхнего предельного значения (0,342=(Wh-Tf) / Pf) величины (Wh-Tf) / Pf в [Формуле 2] и удалении Tf.

[0052] Таким образом, в случае толщины Tf пластины ребра, составляющей 0,06 мм, механическая обработка ребра возможна и согласованная с вентилятором величина отношения ее теплового излучения превышает 100% по сравнению с известным типом рифленого ребра в пределах диапазона, окруженного кривой линией А и прямой линией В.

[0053] Кроме того, в случае толщины Tf пластины ребра, составляющей 0,16 мм, механическая обработка ребра возможна и согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения превышает 100% по сравнению с известным типом рифленого ребра в пределах диапазона, окруженного кривой линией А, прямой линией С, прямой линией D и прямой линией Е.

[0054] Затем, на фиг. 12 и фиг. 13 показаны, в качестве других примеров, аналогичные диапазоны, в которых механическая обработка ребра согласно настоящему изобретению возможна и согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения превышает 100% по сравнению с рифленым ребром известного типа при шаге Pf рифленых ребер, составляющих 6,0 мм и 9,0 мм, соответственно.

[0055] Кроме того, [Формула 4] описывает диапазон (Wh-Tf) / Pf, в пределах которого согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения превышает 105% по численной формуле, а [Формула 5] выражает нижнее предельное значение высоты Wh выступов и канавок в этом случае.

,

где

а'=0,004⋅Pf²-0,0694⋅Pf+0,3635

b'=-0,0035⋅Pf²+0,0619⋅Pf-0,5564, и

с'=0,0007⋅Pf²+0,1114⋅Pf+0,2304.

[0056] Кроме того, [Формула 6] описывает диапазон (Wh-Tf) / Pf, в пределах которого согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения превышает 110% по численной формуле, а [Формула 7] выражает нижнее предельное значение высоты Wh выступов и канавок в этом случае.

,

где

а''=0,0043⋅Pf²-0,0751⋅Pf+0,3952

b''=- 0,0038⋅Pf²+0,0613⋅Pf-0,6019, и

с''=0,0017⋅Pf²+0,1351⋅Pf+0,2289.

[0057] Затем, на фиг. 14 показаны потоки текучей среды в ребре по порядку от сечения А к сечению D от стороны вверх по потоку к стороне вниз по потоку, когда рифленое ребро согласно настоящему изобретению расположено между плоскими трубками, и обеспечивают возможность течения газообразного тела в участок, образованный между поверхностью стенки этого ребра и обращенными друг к другу трубками.

[0058] В этом примере выступы и канавки ребра выполняют перемещение на чертеже от центра направо к h1, h2 и h3 при их перемещении по направлению к стороне вниз по потоку. В связи с этим текучая среда между выступом и канавкой направлена направо на чертеже, отклонена к противостоящему ребру поверхностью трубки с правой стороны, течет влево вместе с потоком от противостоящего ребра, и отклонена к первоначальному ребру поверхностью трубки с левой стороны.

[0059] Вихревой поток образован таким образом, и кроме того, текучая среда в части, отдаленной от ребра, последовательно достигает ребра и переносит теплоту к нему и, таким образом, рабочие характеристики теплообмена улучшены относительно рифленого ребра известного типа.

[0060] В этой связи в рифленом ребре согласно настоящему изобретению, которое показано на фиг.2, также образован тот же самый вихревой поток.

[0061] С другой стороны, хотя на фиг. 15 показаны потоки в соответствующих сечениях рифленого ребра известного типа по фиг. 17, такой упомянутый выше вихревой поток здесь не образован.

Область применения настоящего изобретения

[0062] Это рифленое ребро может быть использовано в различных теплообменниках, таких как радиатор, конденсатор и охладитель системы рециркуляция отработавших газов, и может быть также использовано в случае нагрева или охлаждения газообразного тела, протекающего в это рифленое ребро. Кроме того, вся форма рифленой волны рифленого ребра может быть выполнена в виде любой прямоугольной формы волны, синусоидальной формы волны и трапецеидальной формы волны. Кроме того, выступы и канавки, образованные на поверхности стенки, отличной от вершины и впадины рифленого ребра, могут быть выполнены в виде любой синусоидой волны, треугольной волны, трапецеидальной волны, искривленной формы, их комбинации в их поперечных сечениях.

Позиционные обозначения

1 плоская трубка

2 рифленое ребро

3 поверхность стенки

4 выступ

5 канавка

6 плоская часть

7 припаянная часть

8 вершина

9 впадина

10 пластина коллектора

11 теплообменный элемент

12 резервуар

13 ребро волнового типа

14 плоская трубка

Wh высота выступов и канавок

Wp шаг выступов и канавок

Pf шаг рифленых ребер

Tf толщина пластины ребра

Qf согласованная с вентилятором величина отношения теплового излучения.

Предложены рифленые ребра, имеющие высокие рабочие характеристики передачи тепла и не вызывающие засорения даже в газообразной окружающей среде с присутствующими твердыми примесями, такими как пыль. Каждая поверхность 3 стенки рифленых ребер содержит попеременные параллельные выступы 4 и канавки 5 с углом наклона 10-60°. При определении Wh как высоты выступов и канавок, Wp как шага выступов и канавок, Pf как шага рифленых ребер и Tf как толщины ребер, выполнены следующие условия:

где

a=0,004⋅Pf²-0,0696⋅Pf+0,3642,

b=-0,0036⋅Pf²+0,0625⋅Pf-0,5752 и

c=0,0007⋅Pf²+0,1041⋅Pf+0,2333.

2 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Рифленые ребра для теплообменника, размещаемые между плоскими трубками, которые размещены бок о бок отдельно друг от друга, или устанавливаемые в плоской трубке, причем

материалом ребра является алюминий или алюминиевый сплав;

толщина пластины ребра составляет от 0,06 до 0,16 мм и ребро имеет соответствующие поверхности (3) стенки идущей вверх части и идущей вниз части между вершиной и впадиной, которые согнуты в форме волны в продольном направлении ребра;

выступы (4) и канавки (5), имеющие наклон от 10 градусов до 60 градусов относительно поперечного направления ребра и имеющие одно и то же направление, поочередно размещены бок о бок на соответствующих поверхностях (3) стенок; причем

при

установке значения высоты выступов и канавок (внешний размер от впадины канавки до вершины выступа, включая толщину пластины) равным Wh [мм],

установке значения шага выступов и канавок (расстояние от определенного выступа до следующего выступа) равным Wp [мм],

установке значения шага рифленых ребер равным Pf [мм] и

установке значения толщины пластины ребра равным Tf [мм],

рифленые ребра удовлетворяют следующим условиям при протекании газообразного тела в поперечном направлении ребер,

где

а=0,004·Pf²-0,0696·Pf+0,3642,

b=-0,0036·Pf²+0,0625·Pf-0,5752 и

с=0,0007·Pf²+0,1041·Pf+0,2333.

2. Рифленые ребра для теплообменника по п. 1, которые

удовлетворяют следующим условиям при протекании газообразного тела в поперечном направлении ребер,

где

а'=0,004·Pf²-0,0694·Pf+0,3635,

b'=-0,0035·Pf²+0,0619·Pf-0,5564 и

с'=0,0007·Pf²+0,1114·Pf+0,2304.

3. Рифленые ребра для теплообменника по п. 1, которые удовлетворяют следующим условиям при протекании газообразного тела в поперечном направлении ребер,

где

а''=0,0043·Pf²-0,0751·Pf+0,3952,

b''=-0,0038·Pf²+0,0613·Pf-0,6019 и

с''=0,0017·Pf²+0,1351·Pf+0,2289.