專利名稱：增密的熱交換器管束的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一致的增密結(jié)構(gòu)的熱交換管束。更具體地是，此發(fā)明涉及這樣一種管束與制造方法，在該方法中至少在返回彎的搭接區(qū)域處設(shè)置凹坑因此構(gòu)成的搭接管可以用一種增加的密度被組裝，其中，相鄰管子之間回路到回路的間隔小于各根管子的投影的橫截面面積。
背景技術(shù)：
已知有各種各樣熱傳遞管束系統(tǒng)。典型的冷凝器和封閉回路冷卻塔包括許多長度的接成一排列的管束。管子可以形成蛇形的或者形成一系列分散的穿入集管部分的管子。該管道包含一個冷凝蒸發(fā)器或要冷卻的介質(zhì)；諸如水。在完成的產(chǎn)品中，空氣和/或水受迫流過管子的整個外表面。
例如，在美國專利No.3132190與3265372中介紹并示出反流蒸發(fā)熱交換器。那些熱交換器包括一個向上延伸的包含螺旋管組件形式的一排管子的管道。在螺旋管組件上方的管道中設(shè)置一噴射部分以向下遍及管子噴水；同時設(shè)置一風(fēng)扇以便向其底部附近的管道中以及向上與向下流動噴射的水成反流關(guān)系的管子之間鼓風(fēng)。來自流過螺旋狀組件管子的流體的熱經(jīng)管壁傳遞到向下噴射到管子上的水；同時向上流動的空氣導(dǎo)致某些水的部分蒸發(fā)并從水傳遞熱和質(zhì)量到空氣。因此加熱的和濕潤的空氣于是向上流動并從系統(tǒng)流出。剩余的水收集到管道的底部并被泵回同時通過噴嘴以再循環(huán)的形式泵出。
還有其它蒸發(fā)型熱交換器，在該熱交換器中液體和氣體以相同方向流遍螺旋狀組件。這些其它裝置的例子，這些裝置通常稱為共流流動熱交換器，并在美國專利No.2752124，2890864，2919559，3148516和3800553中表示。
上述僅僅是螺旋管熱交換器的型式。還有其它型式，諸如螺旋管/充填式，這種型式設(shè)置一個間接蒸發(fā)熱交換器和一個直接蒸發(fā)熱交換器系統(tǒng)二者。美國專利No.5438382是這種熱交換器的一個例子。
在上述傳統(tǒng)的系統(tǒng)中已經(jīng)償試熱傳遞管束設(shè)計的各種不同的方法。在較早的設(shè)計中，圓管道的螺旋管組件組裝在緊密的數(shù)排列中以增加表面面積。能夠組合到螺旋狀管束中的管道的數(shù)目受管道直徑的限制。這是因為回彎彼此搭接同時因此當(dāng)間隔緊靠在一起時彼此接觸。
后續(xù)的設(shè)計，諸如美國專利No.4196157，針對稀疏的熱傳遞管束，在該管束中增加間隔以允許管子之間的較多的氣流、較高的內(nèi)膜系數(shù)、和較好的管子的濕潤以圖增加總的熱傳遞率。其它設(shè)計，諸如美國專利No.5425414和5799725中的那些，保持組合密度高并使用環(huán)形回彎系統(tǒng)，但是在直線部分提供橢圓形管子截面試圖以增加氣流。以這種例子的組合還受環(huán)形回彎的直徑的限制。德國專利公告No.DE3413999C2是針對橢圓管子和在U形彎中形成橢圓管子的問題的描述。
某些現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計試圖通過稍“下拉”成束的管道以增加容量，例如通過在裝配過程擠壓夾緊整個管束。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣做對于給定的熱交換器尺寸(典型的為1/64英寸等)可以稍微壓縮間隔，但是這種擠壓不能均勻地對管束起作用，而代之以關(guān)注最末端管子上的擠壓力。如果過份向下拉，這導(dǎo)致管束具有非恒定的流動特性，因為最末端管子(最上和最下的)可能不成比例地變形從而在這些管道處引起流動或壓力問題。由于這些原因，“向下拉”一般被限制在不大于回彎寬度的2％。因此，通過“向下拉”將組合限制到一般小于1.0，和可能稍大于1.0(達(dá)1.02)的密度。但是，這種增加的密度不是可控制的均勻或精確。
發(fā)明內(nèi)容
對于給定的熱交換器尺寸就需要一種能增加熱傳導(dǎo)表面面積的一種改進(jìn)的熱交換器管束設(shè)計與制造的方法。
還需要能增加管束密度的熱交換器管束設(shè)計。特別需一致地增加管束密度的熱交換器管束設(shè)計，因而所有的管路能保持恒定的功能性。
本發(fā)明能使增加的熱傳遞表面面積組裝到現(xiàn)有設(shè)計的相同空間/尺寸限制中或者相反，能使現(xiàn)有技術(shù)的相同的熱傳遞表面面積設(shè)置到占據(jù)較小空間的腔室中。任何一種技術(shù)增加了熱傳遞表面面積/成本的比。本發(fā)明還通過提供超過現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計的管道來降低熱交換器中的壓力降。
本發(fā)明以一種新穎的方法實現(xiàn)這些目的。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，熱交換器的螺旋管組件中的管子的數(shù)目從過去已經(jīng)考慮可能的數(shù)目增加到對給定熱交換器尺寸提供最大熱傳遞表面面積的數(shù)目。該螺旋管組件由處在螺旋管組件中不同水平上的基本上相等地分隔開的管子段的排構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，該螺旋管組件被設(shè)置成具有有效直徑D的單個管路和小于D的管路至管路間距S。當(dāng)使用非圓形截面時，被pi(π)除的外周邊看作為有效直徑D。
本發(fā)明可以在任何型式的熱交換器中來實施，其中設(shè)置搭疊的由管子構(gòu)成的管路。管子可以是連續(xù)的或非連續(xù)的，諸如具有分開制造的回彎的直管子。非限制性例子包括蒸發(fā)式冷卻熱交換器、空氣冷卻熱交換器、和殼式及管式熱交換器。本發(fā)明的螺旋管組件對使用螺旋管子特別有利。僅螺旋管式熱交換器可以表示出改進(jìn)的功能特性因為本發(fā)明的螺旋管組件能使較大的熱傳遞表面面積設(shè)置在相同的空間限制中。但是，在某些應(yīng)用中有可能存在相反的降低的氣流，因為管路之間的流動路徑被或多或少地減少，這就抵消較大熱傳遞表面面積的某些熱優(yōu)越性。但是，本發(fā)明在螺旋管/充填式熱交換器中最有用因為增加管束密度不降低整個裝置流量到同一程度，這可能僅在傳統(tǒng)的螺旋管束中如此。
使用凹坑以局部降低搭接面積中管道的外尺寸是有利的，因為它僅僅具有與整個回彎的擠壓相比在內(nèi)部流體壓力降中最小的增加。此外，凹坑比整個回彎的擠壓更易于形成，同時具有，如果有的話，對管道結(jié)構(gòu)特性的最小影響。此外，在凹坑中疊壘的相鄰管道的堆疊起到強(qiáng)化該凹坑區(qū)域、降低任何這種影響。
在本發(fā)明的實施例中，預(yù)定尺寸的凹槽或“凹坑”，最好具有管道直徑的2.5％至50％之間的深度，被局部地設(shè)置在至少在兩個搭接的相鄰管段上的一或幾個預(yù)定點處。當(dāng)這種管段堆疊在一起時，相鄰回彎疊壘在這些凹坑中，使得管路比傳統(tǒng)的非凹坑狀回彎能更緊地組合。一個示例性實施例具有1/16英寸至3/16英寸之間深度的凹坑。但是，凹坑并不局限于此。實際的凹坑尺寸可基于幾個標(biāo)準(zhǔn)來選擇，包括要擠壓的程度/密度、結(jié)構(gòu)性的考慮，以及如被流體、氣體或兩相速度和/或壓力降所允許的管的橫截面面積的最大減少量。
在一個示例性的實施例中，凹坑設(shè)置在每個回彎的兩側(cè)上。在一個可選的實施例中，凹坑設(shè)置在每隔一個的回彎的兩側(cè)上，保留相鄰回彎非凹坑化但產(chǎn)生完全相同的作用。還在另一示例性的實施例中，每個回彎在管道一側(cè)上的兩個地方凹坑化因此不論管路堆疊的順序，該管束通常將被一致地疊壘。還是在另一示例性實施例中，可以在所有管子的兩側(cè)上實施凹坑化，但具有降低的或較小的公稱的凹坑尺寸。這與僅在一側(cè)上設(shè)置的較大凹坑具有相同的最終效果。還在另一實施全名，可以通過使用一種在流程方向上的非環(huán)形減小的橫截面達(dá)到相同的效果。這一例子可以是一種橢圓形橫截面。
在本發(fā)明的示例性實施例中，由模具或夾具能一次形成許多凹坑，該方法基本上同時地對一管路上的所有需要的區(qū)域形成凹坑?；蛘?，可以在螺旋回彎形成的過程中形成單個的凹坑?？梢曰谒玫墓茏又圃斓奶厥夥椒ㄟx擇產(chǎn)生的特殊方法。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的螺旋管/充填式示例性熱交換器的局部剖視的側(cè)視圖，該熱交換器包括一個間接蒸發(fā)式熱交換器部分和一個包括緊密化的熱管束的直接蒸發(fā)式熱交換部分；圖2是本發(fā)明的另一示例性實施例的側(cè)視圖，在該實施例中緊密的螺旋管組件僅在螺旋管式熱交換器中設(shè)置；圖3是圖1的示例性熱交換器中熱管束部分剖視的平面視圖；圖4是沿圖3的4-4線取的視圖；
圖5是表示構(gòu)成根據(jù)第一現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器形成螺旋管組件一部分的管段排的部分透視圖；圖6是表示構(gòu)成根據(jù)第二現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器形成螺旋管組件一部分的管段排的部分透視圖；圖7是表示構(gòu)成根據(jù)第三現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器形成螺旋管組件一部分的管段排的部分透視圖；圖8是表示構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例形成螺旋管組件一部分的管段排的部分透視圖；圖9是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的一個別管路的示例性螺旋管的正視圖；圖10是圖9的管子的每個回彎的局部正視圖；圖11是在凹坑區(qū)中的圖10的回彎的局部平面視圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的管組件的頭部總管接受端的端視圖；圖13是一示例性V型凹坑工具用以形成回彎中的雙邊凹坑區(qū)。
具體實施例方式
本發(fā)明的螺旋管組件裝置可應(yīng)用到許多不同型式的熱交換器，包括，但不局限于，應(yīng)用到間接蒸發(fā)式熱交換器、空氣冷卻熱交換器、儲熱裝置、以及殼式和管式熱交換器。在一個間接蒸發(fā)式熱交換器中，涉及三種流體流一個空氣流、一個蒸發(fā)液體流、和一個內(nèi)封的流體流，該內(nèi)封的流體流可以是一種液體或氣體。該內(nèi)封的流體流首先通過間接熱傳遞與蒸發(fā)的液體交換熱，因為它不直接接觸蒸發(fā)的液體，然后蒸發(fā)的液體與空氣流當(dāng)它們彼此直接接觸時蒸發(fā)地交換熱。在一個直接蒸發(fā)的熱交換器中，僅僅包含一個空氣流與一個蒸發(fā)的液體流同時當(dāng)它們彼此進(jìn)入直接接觸時該兩股流蒸發(fā)地交換熱。該蒸發(fā)的液體典型的是水。
閉環(huán)蒸發(fā)的熱交換器可以廣泛地分成三個主要的類別1)可獨立應(yīng)用的間接蒸發(fā)式熱交換器；2)組合直接和間接蒸發(fā)式熱交換器，和3)螺旋管小室(coil shed)。
可獨立應(yīng)用的間接蒸發(fā)式熱交換器代表第一組。具有以反流、交叉流或同時并流的空氣和蒸發(fā)液體流的產(chǎn)品是市售的，雖然反流設(shè)計為主導(dǎo)。
第二組包括組合間接的與直接的蒸發(fā)式熱交換部分二者的產(chǎn)品。末一組包括螺旋管小室，該螺旋管小室包括直接蒸發(fā)的和非排風(fēng)間接熱交換器。
可以設(shè)置本發(fā)明的緊密的螺旋管組件的熱交換器的第一示例如圖1所示。該熱交換器裝置10是螺旋管/充填式并可以用作一閉路冷卻塔。通常，裝置10包括一個封閉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個多回路間接蒸發(fā)式流體冷卻部分80、一個直接蒸發(fā)式熱交換部分90、一個最下面的蒸發(fā)液體收集槽，該槽通過一個有噴嘴52的管子分配系統(tǒng)50將液體分配到一個最上面的水噴射組件14、和一風(fēng)扇組件18。該水組件14通過裝置10向下噴射蒸發(fā)的液體。該風(fēng)扇18，通過皮帶40由電機(jī)驅(qū)動，使空氣流移動通過每一個熱交換部分80和90，雖然天然的通風(fēng)也是一種移動空氣的適用方法。風(fēng)扇18既可是一種感應(yīng)式或受迫的通風(fēng)離心風(fēng)扇也可以是一種普通的螺旋槳式風(fēng)扇。
裝置10在熱交換領(lǐng)域具有許多應(yīng)用。例如，裝置10可以用于冷卻單一相的、可感知的流體如水，該流體在一個外供給的封閉回路系統(tǒng)內(nèi)流動，或者它可以用作預(yù)冷和冷凝一也是從外封閉回路系統(tǒng)供給的多相、可感知的和潛熱的流體諸如致冷氣體。最后，對裝置10使用的實用領(lǐng)域還包括作為濕潤空氣冷卻器的工作，其中排放的空氣從出口用管子輸送離開現(xiàn)場而用作一種新鮮的、冷卻的空氣供給某一作業(yè)如采礦。
將變得很明顯，包括上述構(gòu)件的結(jié)構(gòu)也可以用許多不同的方法設(shè)置并形成；裝置10也不嚴(yán)格地局限于一種形態(tài)或設(shè)置。
包括一個具有一排管子66的單一螺旋管組件的間接熱交換部分80被疊置在直接蒸發(fā)式熱交換部分90上面。該間接熱交換部分80接受從現(xiàn)場外工藝來的要被冷卻的流動的熱流體并且通過間接的可感知熱交換與直接蒸發(fā)式熱交換的組合在此部分冷卻它。通常是冷卻水的蒸發(fā)的液體由間接部分上的組件14向下噴射，因而與要被冷卻的液體交換間接的可感覺的熱，同時進(jìn)入主要空氣入口100的大氣的流當(dāng)該兩種介質(zhì)通過螺旋管組件向下移動時蒸發(fā)式地冷卻蒸發(fā)的液體。在此特殊實施例中，所示進(jìn)入的空氣流以一個方向進(jìn)入并流動，該方向平行或者并流于冷卻水的方向，雖然空氣流動的流并不局限于任何特定的流動型式，當(dāng)以后說明其中的一種交叉流空氣流動型式時，這將更明顯。一旦空氣與水冷卻介質(zhì)到達(dá)間接部分80的底側(cè)，它們與要被風(fēng)扇18吸引的空氣流分開，同時水重力地下降到直接熱交換部分90中。然后，通過風(fēng)扇，空氣被從裝置10排走，同時如將要簡單說明的水在直接熱交換部分中被冷卻。進(jìn)入入口100的空氣流將僅供給用于在間接熱交換部分中冷卻的目的空氣，而不管通過所述部分的實際的空氣流動型式。
該直接蒸發(fā)式熱交換部分90起冷卻水的功能，該水被加熱并從間接熱交換部分80下降。直接蒸發(fā)式熱交換部分90包括構(gòu)成充填管束92的緊密地分隔開、平行、塑性薄片(plastic sheets)構(gòu)成的排列，雖然充填束92可以由傳統(tǒng)的散開式充填形成。由充填束92從間接部分80接受的熱水跨過每個充填片被分布因此進(jìn)入二級空氣入口的外面大氣的源蒸發(fā)式地冷卻下降到薄片的熱水。此處所示大氣流以一種對下降的通過充填束92排放的熱水的交叉流型式進(jìn)入直接部分90，雖然可以采用其它空氣流動的方案。
第二個可以設(shè)置本發(fā)明的螺旋管組件的示例的熱交換器如圖2所示并包括大致垂直的薄片金屬結(jié)構(gòu)管路10且具有，在其內(nèi)部的不同水平處的，一個上面的霧消除器組件12、一個水噴射組件14、一個螺旋管組件16、一個風(fēng)扇組件18、和一個下水槽20。
該垂直管道10可以是，通常均勻的，矩形橫截面并包括垂直的前和后壁24和22(圖2)以及垂直的側(cè)壁26和28(圖3)。一對角線壁30從前壁24向下延伸到后壁22的底以便限定一水槽20。風(fēng)扇組件18被置于對角線壁30的后面和下面。但是，這僅僅是放置的一個說明的例子?？梢蕴娲渌鼈鹘y(tǒng)的或相繼開發(fā)的布置。風(fēng)扇組件包括一對離心扇32，該離心扇的每一個具有一出口殼34，該出口殼通過對角線壁30伸出并進(jìn)入水槽20上面和螺旋管組件16下面的管道10中。該風(fēng)扇32可以共用一借助于通過皮帶40連接到驅(qū)動電機(jī)42的驅(qū)動皮帶輪旋轉(zhuǎn)的共用驅(qū)動軸。
可以設(shè)置一再循環(huán)管線44以通過靠近水槽20的底部的管道10的側(cè)壁26延伸以便再循環(huán)水回流到水噴射組件14。
該水噴射組件14包括一個沿側(cè)壁26延伸的水箱48和一對分配管子50，該管子水平地從水箱跨過裝置(風(fēng)道)10的內(nèi)部延伸到其相對的壁28。每根管子50裝有許多噴嘴52，該噴嘴噴出相互交錯的扇形水霧以提供遍及整個螺旋管組件16的均勻分布的水。
霧消除器組件12包括許多很近地間隔的窄長帶54，該帶沿其長度彎曲以形成從水噴射組件區(qū)域出來通過管道10的頂部的波浪形通道。還要注意霧消除器組件基本上跨越整個該管道的橫截面延伸，同時，由于管道10的橫截面基本上是均勻的，因此霧消除器組件占據(jù)基本上與螺旋管組件16相同的管道10的橫截面面積。
根據(jù)任一實施例的螺旋管組件16更好地如圖3-4所示并包括一個上入口總管56和下出口總管58，它們鄰近側(cè)壁26水平地跨過管道10的內(nèi)部延伸。該總管借助于側(cè)壁26上的支架60夾持在適當(dāng)位置。入口和出口流體管道62和64穿過側(cè)壁26并分別與上和下總管56和58聯(lián)通。這些流體管道被連接以便接受要被冷卻或冷凝的流體，例如來自空調(diào)系統(tǒng)(未表示)中壓縮機(jī)的致冷劑。
許多冷卻管子66在連接上和下總管56和58之間。每根管子優(yōu)選借助于靠近側(cè)壁26和28的回轉(zhuǎn)180°彎曲部68(和70)形成為蛇形排列，以致每根管子的不同段大致水平地跨越管道10的內(nèi)部在側(cè)壁26和28之間，在管道10的不同水平高度、沿著平行于并緊密與其它管子66的每一根的平面隔開的垂直平面來回延伸。還應(yīng)注意，管子66被沿交替錯開的排布置。可以見到，每個總管56和58設(shè)有一個上和一個下排的開口以便在此二不同的水平上接受管子66。這些管子可以具有任何適合的外直徑D，諸如3/8-2英寸。但是在一優(yōu)選的示例性實施例中，它們具有1.0-1.25英寸的直徑?；剞D(zhuǎn)180°彎曲部68也可具有任何適合的彎曲半徑。但是，一個示例性實施例具有一個1.5-2.5英寸的半徑。此外，鄰近的管子的各段的對應(yīng)水平應(yīng)該沿垂直方向彼此偏置，其偏置量近似地等于180°彎曲部的半徑。
為了在彎曲部68(和70)處支撐管子66，設(shè)置水平延伸的支撐桿72，這些桿安裝在壁26處、在支架60之間、在壁28處、在支架74之間。
在橫剖面中該螺旋管組件16包括管子段66的若干排，這些管子段66由于相鄰管子的偏置安排而安排在不同水平或標(biāo)高處。此組件類似于許多先前的螺旋管組件設(shè)計，但在密集的程度上不同，由以下討論的圖5-8較好地表示出。
正如American Society of Heating，Refrigeration and AirConditioning Engineers(“美國供熱、致冷和空調(diào)工程師協(xié)會”)的標(biāo)準(zhǔn)手冊中說明的，兩個分立的熱傳遞過程包括在蒸發(fā)式熱交換器的工作中。在第一熱傳遞過程中，熱量從要冷卻的或冷凝的流體通過管壁傳到流過管子的水。在第二過程中，熱量從流遍管子的水被傳遞到向上流動的空氣。此二過程可用以下兩式插述1.q＝A(tc-ts)Us；以及2.q＝A(hs-hl)Uc，式中q＝傳遞的總熱量；A＝總的管子表面面積；tc＝管子中流體的溫度；ts＝管子外面水的溫度；Us＝流體至水的熱傳遞系數(shù)；hs＝在ts飽和空氣的焓；hl＝大氣的焓；以及Uc＝水到空氣的熱傳遞系數(shù)。
在兩個熱傳遞過程中，熱傳遞的量通常正比于總的管子的表面面積，假設(shè)對熱傳遞系數(shù)沒有偏置的損失同時存在一相應(yīng)的氣流的增加。這對于最小化這種偏置的螺旋管/充填管的設(shè)計中可能特別有利。
圖5表示現(xiàn)有技術(shù)管子構(gòu)形的螺旋管組件16的橫截面的分解視圖，在其中直徑D1的圓形螺旋狀管子66設(shè)置成一搭接構(gòu)形，并且在一緊密的組合中很近地靠在一起。使用這種布置，可以實現(xiàn)最佳的回路到回路的間隔S1，該間隔等于或稍大于D1。這就導(dǎo)致回路密度D1/S1＜1.0。
圖6表示另一現(xiàn)有技術(shù)的螺旋管組件16橫截面的分解視圖，由美國專利No.5425414作為例子。在此設(shè)置中，橢圓形螺旋管66設(shè)置成一搭接構(gòu)形，并且在如圖5的緊密組合中很近地靠在一起。雖然管子的縱向布置是橢圓的，但是回彎是環(huán)形的以直徑D2表示。因為是橢圓的管子，在橢圓的管子之間提供附加的空氣流動。但是，因為在回彎區(qū)域中的一般的環(huán)形橫截面，管路到管路的間距S2保持等于或稍稍大于如圖5中的D2。仍然是，管路密度D2/S2＜1.0。
圖7表示現(xiàn)有技術(shù)的螺旋管組件16橫截面的分解視圖，由美國專利No.4196157作為例子的。在此設(shè)置中直徑D1的圓形螺旋管子66設(shè)置成一搭接構(gòu)形，并由墊片桿76隔開。這就導(dǎo)致大于D3的管路到管路的間距S3。特別是，間隔S3等于管段的直徑D3加墊片桿76的厚度。這就導(dǎo)致密度比圖5-6的要低的稀疏的管道布置。也就是，管路密度D3/S3＜＜1.0。
從過去到現(xiàn)在相信管子束的可達(dá)到的密度是有限制的。使用傳統(tǒng)的堆疊，密度(Dx∶Sx)≤1.0因為在搭接部分的接觸。即使以“向下拉”的方法，該密度僅僅可以增大到≤1.02。但是，通過本發(fā)明的螺旋管組件與方法，可以以密度(Dx∶Sx)大于1，優(yōu)選大于1.02，來準(zhǔn)確地組合各個管子回路，這種增加的表面積可以被設(shè)置在一給定的熱交換器區(qū)域以內(nèi)。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明的螺旋管組件16的橫截面的分解視圖，其中螺旋管66設(shè)置成一種搭接構(gòu)形并且以較緊密的、更密實的組合很近地靠在一起。這些管子具有直徑D4。但是，通過在每個搭接的一或幾個區(qū)域處在管子中設(shè)置一或更多個凹陷，本發(fā)明的螺旋管組件能夠有的回路到回路的間隔S4，它稍小于D4，這導(dǎo)致螺旋管的密度D/S＞1.0，優(yōu)選大于1.02。此外，因為凹陷可以先于組裝在搭接區(qū)域中形成，所以凹陷可以更精確地加工，因此可以在整個組件上提供精確、優(yōu)選一致的、回路到回路的間隔S4。這就實現(xiàn)一種更穩(wěn)定的熱交換器的工作，其中每個管道具有基本上相同的流量、壓力降和其它特有的熱交換器性質(zhì)。
該凹陷可以包括，例如，凹痕、空穴、溝槽、缺口或凹坑，它們減小管道在搭接區(qū)域的尺寸。凹陷基于幾項標(biāo)準(zhǔn)將具有預(yù)定的深度，該幾項標(biāo)準(zhǔn)包括希望擠壓的程度/密度、和流體所允許的管子橫截面積的最大減小量、氣體或兩相速度和/或壓力降。示例的凹陷由凹坑形成并且當(dāng)在管道的一側(cè)上設(shè)置時它具有管子直徑的5％至50％的深度。在一個特殊的示例性實施例中，凹坑為1/16至3/16英寸的數(shù)量級。但是，當(dāng)凹坑設(shè)置在兩側(cè)上時，該凹坑可以具有2.5％至25％的減小的深度，因為互補(bǔ)的凹坑與單側(cè)的凹坑相比在密度增加上具有雙倍的有效增加。
在圖8的例子中，表示一種圓形橫截面。雖然這是一個優(yōu)選的構(gòu)形，在某些例子中，它可以優(yōu)選用于非圓形橫截面的管子。術(shù)語“直徑”在這些例子中被理解為在堆疊或搭接方向上跨越管子橫截面的沿直徑的距離。當(dāng)管子不是圓形時有時這也可以認(rèn)為是投影的橫截面面積。
在圖2-4和8的示例性熱交換器的工作中，要冷卻或冷凝的流體，諸如來自空調(diào)系統(tǒng)的致冷劑，通過入口管道62流入熱交換器。然后由上總管56將此流體分配到冷卻管66的上端；同時它通過管子向下流動，同時在其不同的水平往返跨越管道10的內(nèi)部直到它達(dá)到下總管58，在那里它被收集并通過出口管道64傳遞出熱交換器。當(dāng)被冷卻的流體通過管子66流動時，從噴嘴52向下噴射水遍及管子的外表面同時空氣從風(fēng)扇32向上吹到管子之間。噴射的水匯集在槽20中并且通過噴嘴再循環(huán)。向上流動的空氣通過霧消除器組件12并向上排出系統(tǒng)。
在其通過冷卻管子66向下流動的過程中，該被冷卻的流體放熱到管子的壁。此熱向外經(jīng)管壁傳到向下流過它的外表面的水。當(dāng)向下流動的水遇到向上移動的空氣時，水散熱到空氣中，二者通過可感覺的熱傳遞和通過潛在的熱傳遞，即通過部分蒸發(fā)。剩余的水向下落回到槽20中在那里它被匯集以便再循環(huán)。當(dāng)向上移動的空氣遇到向下流動的水并從水吸收熱時，空氣也帶走一定量的呈小滴狀的水，它帶著小滴狀的水向上從螺旋管組件16帶出并向上帶出水噴射組件14。但是，當(dāng)空氣經(jīng)過霧消除器組件12時，其流量在橫向迅速地變化同時由空氣攜帶的液滴被從空氣中分離并被沉積在霧消除器組件上。然后此水落回到噴射與螺旋管組件上。同時，基本上無水滴的最終的高濕度空氣通過管道10的上部排出到大氣中。
在本發(fā)明的某些實施例中，螺旋管組件管66的表面面積可以通過使用近間隔的葉片而進(jìn)一步增加，該葉片在水平方向從管段的表面向外延伸。
在某些關(guān)注可允許的壓力降的應(yīng)用中，典型地使用四邊形式的管束。雖然使用的管道的表面積和總長度相同，但四邊形管束供給象標(biāo)準(zhǔn)管束一半管長度的管道的兩倍。這就以近似7的因子減少向流體的壓力降，但是由于較低的管的速度也降低總的熱傳遞系數(shù)，即使這樣還是提供類似的熱傳遞表面面積。但是，四邊形管束一般比標(biāo)準(zhǔn)管束更昂貴，具有低5％至15％的熱性能。這部分是由于必需制造、運送和焊接到頭部總管中的附加的管道的數(shù)量，以及由于較低管速的較低內(nèi)膜系數(shù)。但是，本發(fā)明的增密的管束允許標(biāo)準(zhǔn)管束設(shè)計在達(dá)到壓力降限制之前擴(kuò)展其熱工作范圍，這是通過使更大的內(nèi)流動面積能組合到相同的空間中。這樣通過使用增密的管束，可以降低對四邊形管束的需要。
參照圖9-13將介紹螺旋管組件的示例性制造方法。圖9表示通過擠壓和彎曲鋼管66的一連續(xù)長度成為所示蛇形而形成的單根管子回路。四十根這些回路將被組合成一個40-回路熱交換器。由直徑1.05英寸的圓管形成每根管子66以具有從管端到回彎半徑中心線的 英寸的內(nèi)長度L1；從回彎半徑中心線到回彎半徑中心線的 英寸的長度L2；以及總長度 英寸L3。但是，特定的尺寸只意味著為說明而不是限制。
如圖10所示，管子66的每個回彎68具有 英寸的外半徑( 英寸的總寬度)。在回彎的最外端形成至少一個凹坑區(qū)域68B。每個凹坑區(qū)域的尺寸與形狀要定得與相鄰搭接的回彎管輪廓配合并成套。在所示例子中，在每個回彎的上表面的左和右兩側(cè)設(shè)置二對稱的凹坑區(qū)域。更具體地是，在此特定的例子中，使用一個大約30°的角，該角是從垂直于管子縱軸的端平面測量的。這是通過幾點構(gòu)成三角形來計算，在那幾個點處角度與縱向和橫向軸線交叉。但是，該角度將根據(jù)回彎的形狀與搭接而變化。
凹坑區(qū)域68B具有一個尺寸定得可以接受相鄰搭接回彎的寬度。最好是，該凹坑具有對應(yīng)于管子輪廓的曲率。在此例中，該凹坑是半球形且具有近似0.15英寸的深度如圖11所示。
在本發(fā)明的示例性實施例中，該凹坑可以由模具或夾具總體地形成，即對回路上所有要求的區(qū)域基本上同時形成凹坑?；蛘撸谛纬陕菪貜澋倪^程中可以形成單個的凹坑?？梢曰谑褂玫墓茏又圃斓奶厥夥椒▉磉x擇生產(chǎn)的特殊方法。在一個示例性實施例中，可以使用傳統(tǒng)的制凹坑工具手工形成該凹坑，該方法既可當(dāng)形成每一個單個的管子66的回彎68時進(jìn)行，也可以在完成個別管道66之后手工進(jìn)行。在另一實施例中，該過程也可以通過構(gòu)成一夾具來自動化，如圖13所示的凹坑夾具120。此夾具能使二凹坑區(qū)域68B同時形成。通過提供若干個這種凹坑夾具，每個回彎用一個，可進(jìn)一步自動化這個過程。如果所有這種夾具被統(tǒng)聯(lián)或轉(zhuǎn)位，則可以對每根單獨的管道66以單一的操作或行程完成凹坑。此后一個實施例具有提高生產(chǎn)率和確保凹坑精確度的優(yōu)點。
在管子上可以提供各種不同的凹坑構(gòu)形。在示例性圖10的實施例中，在管道的一側(cè)(頂或底)上的兩個地方凹坑化每個回彎所以不管回路堆疊的順序，管束總是均勻地套疊。但是，凹坑化可以在每個回彎的兩側(cè)上設(shè)置。在一個可選的實施例中，凹坑化可以在每隔一個回彎的兩側(cè)上設(shè)置，而保留相鄰回彎非凹坑化，但是產(chǎn)生相同的總效果。還是在另一示例性實施例中，凹坑化可以在所有管子的兩側(cè)上進(jìn)行，但具有降低的或較小的名義凹坑尺寸。這與僅在一側(cè)上設(shè)置較大的凹坑具有相同的最終的效果。還是在另一實施例中，通過使用非圓形的在流程的方向上減小的橫截面可以達(dá)到相同的效果。這樣的一個例子可以是橢圓橫截面。但是，回彎中橫截面的連續(xù)減小對管子的流量或熱傳遞特性可能具有相反的作用。也就是，與擠壓整個回彎相比凹坑具有在內(nèi)流體壓力降方面僅添加一最小的增加量的優(yōu)點。凹坑比擠壓整個回彎也更易于形成同時僅具有，如果有的話，對管子的結(jié)構(gòu)特性最小的影響。此外因相鄰的管子在凹坑區(qū)域中疊壘，這就起到加強(qiáng)此區(qū)域的作用。
圖12表示具有40個偏置的尺寸定得以接受40根單一的管子回路66的孔口56A的總管頭56。該孔口，在此例子中，是 英寸直徑的每一個。如圖示，該頭部具有 英寸的總高。20個孔口的第一排被19個每一個 英寸的中心到中心的間隔，對于 英寸的總的中心到中心的間距，等距離隔開。20個孔口的第二排也被19個每一個 英寸的中心到中心的間隔，對于 英寸的總的中心到中心的間距，等距隔開。孔口的第一和第二排被 英寸的距離分開。
最終的螺旋管組件16具有個別的管路到管路的間距S，它小于管道的直徑[即，S=5764]]>英寸，D＝1.05英寸， 這就允許在一個較小的熱交換器殼中組合附加的回路因為間隔s的示例性0.15英寸的減小(從以前設(shè)想的1.02的最大密度)乘以回路的數(shù)目將最后形成一足夠大的差值以允許添加一或多根附加的回路。此外，通過精確地構(gòu)成凹陷區(qū)域，諸如凹坑的措施可以在＞1.02的密度下以均勻地和/或精確地間隔制造最后的螺旋管排。
本發(fā)明的增密的螺旋管組件在許多不同的熱交換器環(huán)境中是有利的。該增密的螺旋管組件允許增加的熱傳遞表面面積被組合到先前設(shè)計的相同的空間/尺寸限制中，或者反過來，允許與先前技術(shù)相同的熱傳遞表面面積設(shè)置在較小的外殼內(nèi)。在外殼的尺寸固定的情況下這就具有好處。
通過提供較多的管道增密的螺旋管組件也減少熱交換器中的壓力降。在許多型式的熱交換器中，如圖1的螺旋管/充填式，在這種型式的熱交換器中壓力標(biāo)準(zhǔn)可能推動設(shè)計，這可能是優(yōu)點。
本發(fā)明的增密螺旋管組件還允許管道之間的更精確和可控制的間隔。例如，通過使所有的回路均勻地間隔開和凹坑化，每根回路可具有基本上相同的空氣流、壓力降和其它特性。這就可以進(jìn)行一種改進(jìn)的熱交換器設(shè)計。
當(dāng)將本發(fā)明增密螺旋管組件使用到螺旋管/充填式熱交換器，即如圖1的一種包括直接和間接蒸發(fā)式熱交換裝置中時將顯現(xiàn)要達(dá)到的最佳結(jié)果。此實施例僅與螺旋管式熱交換器，如圖2中的，相比較可以達(dá)到改進(jìn)的結(jié)果，因為管密度的增加不會使整個裝置的空氣流減少到與僅有螺旋管的熱交換相同的程度。
對組合螺旋管/充填熱交換器與增密螺旋管的應(yīng)用的一個例子是一種封閉環(huán)的冷卻塔，在該塔中初始的熱流體，如水，通常被向上引導(dǎo)通過一系列回路，回路包括一個間接蒸發(fā)式熱交換部分，在那里熱水與逆流的、重力沉降到回路外表面上的較冷的蒸發(fā)液體進(jìn)行可感知的熱交換。在優(yōu)選的實施例中，離開每個回路的最冷的水同等地暴露到最低的均勻溫度的蒸發(fā)液體和最低的均勻溫度的可能的大氣流中。這就導(dǎo)致比現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)得更均勻和必需更有效的熱傳遞方法。因從熱流體可感知地傳遞熱，所以當(dāng)它重力向下沉降通過間接蒸發(fā)式熱交換部分時蒸發(fā)的液體增加溫度。同時地，較冷的大氣被向下引到路徑中的回路，它與重力沉降的蒸發(fā)液共流。部分被蒸發(fā)液體吸收的熱被傳遞到共流地移動的空氣流，同時被吸收的熱的剩余部分會造成蒸發(fā)液體溫度的增加就像向下流過回路。然后該蒸發(fā)液體沉降到一直接蒸發(fā)熱交換部分。該直接蒸發(fā)熱交換部分使一個分立的冷大氣源以便直接地通過蒸發(fā)熱交換冷卻現(xiàn)已加熱的蒸發(fā)液體。空氣流通過直接部分既交叉流又逆流到下行的蒸發(fā)液體。于是現(xiàn)已冷卻的此蒸發(fā)液體被匯集到一槽中，形成一種均勻溫度的冷卻的液體，然后該液體再被分配到間接蒸發(fā)的部分的頂部。
當(dāng)用作一個蒸發(fā)式冷凝器時，過程與說明封閉管路流體冷卻裝置的相同除去由于致冷劑在絕熱狀態(tài)下冷凝，流體1現(xiàn)在是一種致冷劑氣體，流動一般是反向的以便促進(jìn)冷凝物的排放。
因此已經(jīng)特別參照其優(yōu)選形式介紹了本發(fā)明，很顯然對于本行業(yè)的與本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)人員來說，在理解本發(fā)明之后，可在其中進(jìn)行各種變化與修改而不偏離如此處所附權(quán)利要求限定的原則與范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于熱交換器的螺旋管組件，包括至少二根蛇形管路構(gòu)成的一排列，每根管路包括具有有效直徑D的縱向管部分、具有有效直徑D的回彎部分、和入口與出口端，所述至少二根蛇形管路疊置成一種交錯的平面布置，相鄰回彎至少部分地搭接；所述至少二根蛇形管路中的至少一根設(shè)有至少一個凹陷區(qū)域，凹陷區(qū)域與和蛇形管路中的相鄰一個的回彎搭接的點重合，其中所述至少二根蛇形管路被密集地組裝以便蛇形管子中的相鄰管子在至少一個凹陷區(qū)域套疊以提供大于1.02的管路到管路的組裝密度D/S，其中S是每根相鄰管路之間的間距，而D是管子的有效直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域具有直徑D的2.5-50％之間的深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域具有1/32英寸-1/2英寸之間的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域具有在搭接點與相鄰回彎基本上匹配的輪廓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的螺旋管組件，其中輪廓是半圓柱形的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域設(shè)置在蛇形管子中的至少交錯的管子的至少頂側(cè)和底側(cè)中的至少一個上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域設(shè)置在蛇形管子中的交錯的管子的頂側(cè)和底側(cè)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域設(shè)置在該排列中的蛇形管子中的所有中間的管子的頂側(cè)與底側(cè)上，每個凹陷區(qū)域具有直徑D的1.25％至25％之間的深度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域設(shè)置在頂側(cè)或底側(cè)的左和右二極端處以便在任一方向允許偏置和搭接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域通過至少將回彎的搭接點形成扁平截面形狀來實現(xiàn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋管組件，其中凹陷區(qū)域由凹坑來形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋管組件，其中所述至少兩根蛇形管路包括三根或更多根管路，管路到管路的間距S在螺旋管組件的所有蛇形管路之間是一致的。
13.一種熱交換器，包括由至少兩根蛇形管路構(gòu)成的一排列，每根管路包括具有有效直徑D的縱向管段、回彎部分、以及入口與出口端，所述至少兩蛇形管路疊置成交錯的平面布置，相鄰回彎至少部分地搭接；所述至少兩蛇形管路的至少一根設(shè)有至少一個凹陷區(qū)域，所述凹陷區(qū)域和與所述蛇形管路中的相鄰的一根蛇形管路的回彎搭接的點重合，連接到所述至少二根蛇形管路的每一根的入口的入口總管；連接到所述至少二根蛇形管路的每一根的出口的出口總管；以及具有預(yù)定尺寸且罩住該螺旋管組件并包括氣體入口和出口的管道，其中蛇形管路構(gòu)成的排列被密集地組裝以致蛇形管路中的相鄰管路在至少一個凹陷區(qū)域套疊以提供大于1.02的管路到管路的組裝密度D/S，其中S是每根相鄰管路之間的間距，D是管子的有效直徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的熱交換器，進(jìn)一步包括風(fēng)扇，風(fēng)扇被設(shè)置成能使氣體從管道氣體入口移動通過螺旋管組件并移出管道氣體出口。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的熱交換器，進(jìn)一步包括在螺旋管組件上面設(shè)置的液體分配系統(tǒng)以將液體向下分配而遍及螺旋管組件。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的熱交換器，其中熱交換器是一種蒸發(fā)式熱交換器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的熱交換器，其中蒸發(fā)式熱交換器是一種間接熱交換器。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的熱交換器，其中蒸發(fā)式熱交換器包括直接蒸發(fā)式熱交換系統(tǒng)和間接蒸發(fā)式熱交換系統(tǒng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的熱交換器，其中熱交換器是螺旋管/充填式的。
20.一種用于熱交換器的螺旋管組件，包括由蛇形管路構(gòu)成的排列，每根管路包括具有有效直徑D的縱向管段、回彎部分、和入口及出口端，蛇形管路構(gòu)成的排列被疊置成交錯的平面的布置，相鄰的回彎至少部分地搭接；以及與相鄰蛇形管路的回彎的每個搭接點重合的凹陷區(qū)域，所述凹陷區(qū)域設(shè)置在搭接的回彎中的至少一個的表面上，每個凹陷區(qū)域限定一個減小直徑的區(qū)域，連接到所述至少二根蛇形管路的每一根的入口的入口總管；連接到所述至少兩根蛇形管路的每一根的出口的出口總管；以及罩住螺旋管組件并包括氣體入口和出口的具有預(yù)定尺寸的管道，其中蛇形管路的排列被密集地組裝，蛇形管路中的相鄰的各根管路在凹陷區(qū)套疊并限定一致的每根相鄰管路之間的管路到管路的間距S，該間距小于管子的有效直徑D。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的螺旋管組件，其中減小直徑的區(qū)域具有管徑D的2.5-50％之間的深度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的螺旋管組件，其中減小直徑的區(qū)域僅設(shè)置在回彎中搭接的點周圍以便使內(nèi)流體壓力降最小化。
23.一種熱交換器，包括權(quán)利要求20的螺旋管組件；連接到至少二根蛇形管路的每一根的入口的入口總管；連接到至少二根蛇形管路的每一根的出口的出口總管；以及罩住螺旋管組件并包括氣體入口與出口的具有預(yù)定尺寸的管道。
全文摘要
一種熱交換器螺旋管組件的組裝密度以增加對給定熱交換器尺寸的熱傳遞表面面積。這就允許熱交換器的螺旋管組件中的管路數(shù)相對于現(xiàn)有技術(shù)被增加。該螺旋管組件由處在裝置的螺旋管組件中的基本上等距分隔開的蛇形管路的排列構(gòu)成，以相鄰管路安排成平行偏置的形式在其中相鄰回彎是搭接的。管子具有有效直徑D。凹陷區(qū)域設(shè)置在搭接的點處以便局部地減小搭接處的直徑。這就提供管路到管路的密度D/S＞1.0，最好大于1.02，其中S是相鄰管路之間的間距而D是管子的有效直徑。凹陷區(qū)域僅提供最小化的內(nèi)流體壓力降的增加但產(chǎn)生增加的熱傳遞表面面積因為在給定尺寸的應(yīng)用中可以添加附加的管路。本發(fā)明的螺旋管組件對各種型式的熱交換器是有用的。
文檔編號F28F1/00GK1690639SQ20051005240
公開日2005年11月2日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者D·阿倫, T·P·卡特, F·T·莫里森 申請人:巴爾的摩汽圈公司