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CN115003978A - 翅片管换热器 - Google Patents

翅片管换热器 Download PDF

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CN115003978A
CN115003978A CN202180010764.7A CN202180010764A CN115003978A CN 115003978 A CN115003978 A CN 115003978A CN 202180010764 A CN202180010764 A CN 202180010764A CN 115003978 A CN115003978 A CN 115003978A
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CN
China
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tube
heat transfer
predetermined
transfer tubes
heat exchanger
Prior art date
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Pending
Application number
CN202180010764.7A
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English (en)
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安岛贤哲
岩崎正道
中村淳
横山康弘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

在维持换热性能的同时降低换热空气的压力损失。翅片管换热器(1)具备多个传热管在与换热空气的流通方向交叉的第1方向上以预定节距(P1)排列配置而成的管列(22)。在与第1方向交叉的第2方向上以隔开预定间隔(P2)的方式配置有多个管列。预定的管列以在第1方向上相对于在第2方向上相邻的其他管列偏离的方式配置。从换热空气的流通方向看时，预定的管列的传热管以偏向相邻的其他管列的传热管侧的方式配置。

Description

翅片管换热器
技术领域
本发明涉及一种翅片管换热器。
背景技术
在产业用的换热器中普遍使用了翅片管换热器。在翅片管换热器中，具有在与换热空气的流通方向交叉的方向上排列的多根传热管和沿这些传热管的管轴方向配置的多张翅片(传热板)，使液体介质向传热管内流动，使气体(换热空气)与传热管的外周面和翅片触碰而换热。多张翅片扩大传热面积，从而有助于热移动量的增大。
以往，在这样的翅片管换热器中，提出了抑制通风阻力的增大、同时提高换热效率的各种方案(例如，参照专利文献1-4)。在这种翅片管换热器中，多个传热管以预定节距排列而形成1个管列，该管列进一步在预定方向上排列配置有多个。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-92306号公报
专利文献2：日本特开2011-237047号公报
专利文献3：日本特开2008-57944号公报
专利文献4：日本特开昭61-285395号公报
发明内容
发明要解决的问题
不过，在上述这样的翅片管换热器中，多个传热管以预定节距有规律地排列配置。因此，存在如下问题：对于有的传热管的外径和节距，在传热管外流动的换热空气的流通阻力变大，压力损失变高。
本发明是鉴于该点而做成的，目的之一是提供一种能够在维持换热性能的同时降低换热空气的压力损失的翅片管换热器。
用于解决问题的方案
本发明的一形态的翅片管换热器具备多个传热管在与换热空气的流通方向交叉的第1方向上以预定节距排列配置而成的管列，在与所述第1方向交叉的第2方向上以隔开预定间隔的方式配置有多个管列，在该翅片管换热器中，预定的管列以在所述第1方向上相对于在所述第2方向上相邻的其他管列偏离的方式配置，从所述换热空气的流通方向看时，所述预定的管列的传热管以偏向相邻的所述其他管列的传热管侧的方式配置。
发明的效果
根据本发明，能够在维持换热性能的同时降低换热空气的压力损失。
附图说明
图1是本实施方式的翅片管换热器的概略立体图。
图2是本实施方式的翅片管换热器的局部放大图。
图3是比较例的翅片管换热器的截面示意图。
图4是第1实施方式的翅片管换热器的截面示意图。
图5是表示与传热管的位置相应的换热性能比和压力损失比的图表。
图6是第1变形例的翅片管换热器的截面示意图。
图7是第2实施方式的翅片管换热器的截面示意图。
具体实施方式
以下，参照附图而详细地说明本发明的多个实施方式。本发明的翅片管换热器例如适用于设置于地热发电设备内的冷凝器等散热器。然而，本发明的翅片管换热器并不限定于此，还能够适用于石油化学工厂、炼油厂的空气冷却式换热器、焚烧炉的空气冷却式冷凝器等任意的换热器。
另外，在以下的图中，将多个传热管排列的第1方向定义为X方向，将多个管列排列的第2方向定义为Y方向，将传热管的轴向(延伸方向)定义为Z方向。图示的X、Y、Z各轴相互正交。另外，根据情况有时将X方向称为左右方向、将Y方向称为上下方向、将Z方向称为前后方向。这些方向(前后左右上下方向)是出于方便说明而使用的词语，根据翅片管换热器的安装姿势有时与XYZ方向的每一个之间的对应关系发生改变。例如，将吸入空气(换热空气)被吸入翅片管换热器那一侧称为下表面侧，将作为该下表面侧的相反侧的空气的吹出侧称为上表面侧。另外，在本说明书中，只要没有特别声明，俯视是指从Y方向正侧观察翅片管换热器的上表面的情况，剖视是指从传热管的轴向(Z方向)观察的情况的截面。
图1是本实施方式的翅片管换热器的概略立体图。图2是本实施方式的翅片管换热器的局部放大图。在图2中，为了方便说明，截取翅片管的一部分来表示，并且表示一部分翅片管的截面。
本实施方式的翅片管换热器1(以下，简称为换热器)由例如空气冷却式地热双循环发电的散热器构成。换热器1于在传热管20内流动的制冷剂与在传热管20外流动的空气之间实现换热，详细情况见后述。
如图1和图2所示，换热器1形成为俯视呈矩形且在上下方向(Y方向)上具有预定厚度的扁平形状。具体而言，换热器1是将在Z方向上延伸的多个传热管20在X方向和Y方向上排列配置并利用一对集管部3连结传热管20的Z方向上的两端而构成的。此外，在图1中，为了方便说明，仅图示有一对集管部3中的靠一端侧(Z方向负侧)的集管部3。
传热管20具有预定外径D(参照图4)的空心圆筒形状(圆管形状)，沿作为前后方向的Z方向延伸。传热管20的内部可供作为制冷剂的流体流通。向传热管20内导入的制冷剂例如可使用温水。此外，制冷剂并不限于温水，也可以使用其他流体(戊烷、氟利昂替代物等)。传热管20的表面温度根据在内部流通的制冷剂的温度而变化，详细情况见后述。
在传热管20的外周面设有多张翅片21(传热板)。翅片21由在从传热管20的轴向(Z方向)看时具有大致圆环形状且在Z方向上具有厚度的板状体形成。翅片21也可以利用使例如传热管20的外径的一部分或全部扩张的扩管加工而与传热管20的外周面接合。另外，在传热管20的外周面以在Z方向上隔开预定间隔的方式配置有多张翅片21。多个翅片21具有相同的形状。此外，也可以将传热管20和多张翅片21合起来称为翅片管2。
如此构成的传热管20(翅片管2)在X方向(第1方向)上以预定节距P1排列多根，从而形成1个管列22(参照图4)。更具体而言，构成1个管列22的多个传热管20排列配置在与换热空气的流通方向(上下方向)交叉的方向(X方向)上。另外，在换热器1中，多个管列22以在Y方向(第2方向)上隔开预定间隔P2的方式排列配置。此外，上述多个管列22和多个传热管20的布局见后述。另外，也可以将多个管列22统称为管束。此外，多个传热管20的预定外径D优选为全部是相同的大小。
如上述那样，在传热管20的轴端连结有一对集管部3。集管部3由具有与管束的X方向和Y方向的宽度相对应的长方体形状且内部空心的箱构成。在集管部3的侧面贯穿有多个传热管20的轴端部。传热管20的内部空间与集管部3的内部空间连通。另外，在集管部3的上表面和下表面设置有制冷剂的出入口30。即，集管部3的内部空间和传热管20的内部空间构成制冷剂的流通路径。
在如此构成的换热器1的上表面侧相对配置有例如风机(未图示)。风机从换热器1的下方吸入空气(换热空气)，并将其向上方的外部空间送出。即，换热空气在换热器1的上下方向上流通。所吸入的换热空气在利用换热器1进行换热而变暖之后向外部释放。即，相对于换热空气的流通方向而言，换热器1的下表面侧是上游侧，换热器1的上表面侧是下游侧。
即，换热空气的流通方向从Y方向负侧朝向Y方向正侧。作为第1方向的X方向与换热空气的流通方向交叉。另外，作为第2方向的Y方向与第1方向正交，并与换热空气的流通方向一致。
在此，参照比较例而对第1实施方式的翅片管换热器进行说明。图3是比较例的翅片管换热器的截面示意图。图4是第1实施方式的翅片管换热器的截面示意图。此外，图3的比较例的换热器的结构仅翅片管的布局不同，因此，用与已述的结构相同的附图标记来表示。
在以往的换热器1中，如图3的比较例所示，预定的管列22以在X方向上相对于在Y方向上相邻的其他管列22偏离的方式配置。更具体而言，预定的管列22配置于在X方向上相对于其他管列22偏离了预定节距P1的一半节距P1/2的位置(以下，称为基准位置)。这样的管列22的配置也可以称为交错配置。在交错配置时，多个管列22以偏离半节距P1/2的方式交替地配置。另外，在图3中，例如，预定的管列22的传热管20的外表面与相邻的其他管列22的传热管20的外表面在从换热空气的流通方向看时相距距离X1。
在如图3所示这样交错配置的情况下，从换热器1的下表面侧流入的换热空气朝向传热管20的中心直接碰撞传热管20。因此，存在压力损失变高这样的问题。另外，与上游侧相比，下游侧的传热管20未充分地进行换热，换热性能也有可能降低。
特别是在上述那样的空气冷却式地热双循环发电的散热器中使用的风机使用系统的发电电力来驱动。因此，若压力损失较高，则风机的电能消耗增大，结果是输电电力减少。因而，谋求降低压力损失而增大输电电力。
因此，本申请的发明人等着眼于作为换热器1的构成零部件的传热管20的配置，想到了本发明。具体而言，在本实施方式中，如图4所示，多个传热管20在X方向上以预定节距P1排列配置，从而形成管列22。另外，多个管列22以在Y方向上隔开预定间隔P2的方式排列配置。
多个管列22中的、预定的管列22以在X方向上相对于在Y方向上相邻的其他管列22偏离的方式配置。尤其是，预定的管列22的传热管20在从换热空气的流通方向看时以偏向相邻的其他管列22的传热管20侧的方式配置。
更具体而言，预定的管列22以相对于基准位置向X方向的一侧(例如正侧)偏离距离X2的方式配置，该基准位置是在X方向上相对于其他管列22偏离了预定节距P1的一半节距P1/2的位置。即，预定的管列22配置在相对于其他管列22偏离了距离(P1/2±X2)的部位。
根据该结构，通过使预定的管列22相对于交错配置稍微偏离地配置，从而自换热器1的下表面侧流入的换热空气不会朝向传热管20的中心直接碰撞传热管20，能够降低压力损失。另外，即使预定的管列22相对于交错配置有稍微的偏离，在上游侧(Y方向负侧)的管列22流动的换热空气也会由于康达效应而在下游侧的管列22中以靠近预定的传热管20的外周面的方式流动。因而，在下游侧的管列22中，换热空气不会偏流，能够在X方向上分流成左右两股而流动。由此，能够在维持换热性能的同时降低换热空气的压力损失。
另外，在本实施方式中，如图4所示，优选为，在从换热空气的流通方向看时，预定的管列22的传热管20以与相邻的其他管列22的传热管20的外表面接触的方式配置。即，图3所示的预定的管列22的传热管20的外表面与相邻的其他管列22的传热管20的外表面之间的距离X1优选为零。
根据该结构，如上述那样，在上游侧的管列22流动的换热空气由于康达效应而在下游侧的管列22中不向单侧偏流，而是空气向左右两侧流动。其结果，换热性能能够维持与以往的交错配置同等的性能。另外，在下游侧的管列22流动的换热空气的流路面积增大，因此，也能实现压力损失的降低。
此外，在本实施方式中，预定的管列22相对于交错配置的偏离量优选处于预定的范围内。具体而言，优选为，在从换热空气的流通方向看时，若将预定的管列22的传热管20与相邻的其他管列22的传热管20的中心间距离设为S、将传热管20的外径设为D，则满足0.95≤S/D≤1.38的关系。
在此，对传热管20的位置与换热性能等之间的关系进行说明。图5是表示与传热管20的位置相应的换热性能比和压力损失比的图表。在图5中，横轴表示上述的中心间距离S与传热管的外径D之比S/D，纵轴表示换热性能比或压力损失比。另外，在图5的图表中，实线表示换热性能比，虚线表示压力损失比。
如图5所示，S/D大于1.38的区域例如是图3所示的交错配置。将交错配置时的换热性能比和压力损失比设为基准的“1”来说明。若相对于交错配置增大预定的管列22的偏离量，即，使预定的管列22的传热管20与相邻的其他管列22的传热管20靠近(减小中心间距离S)，则S/D逐渐变小。
在S/D是1.38以下时，随着S/D变小而压力损失比逐渐变小。另外，在0.95≤S/D≤1.38的范围内，换热性能比大致恒定为“1”。若S/D低于0.95，则换热性能比逐渐变小。即，在0.95≤S/D≤1.38的范围内，能够将换热性能比维持为与以往的交错配置同等，并且也能减小压力损失比。
此外，如图4所示，在从换热空气的流通方向看时，预定的管列22的传热管20以与相邻的其他管列22的传热管20的外表面接触的方式配置的情况(X1＝0的情况)下，S/D＝1，成为最能获得本发明的效果的形态。
另外，并不限于图4所示的形态，只要处于上述的S/D的范围内，管列22的位置关系就可适当变更。例如，也可进行图6所示的布局。图6是第1变形例的翅片管换热器的截面示意图。
如图6所示，在第1变形例中，在从换热空气的流通方向看时，预定的管列22的传热管20以至少一部分与相邻的其他管列22的传热管20重叠距离X3的方式配置。在该情况下，距离X3优选设定为处于上述的S/D的范围内(更具体而言0.95≤S/D＜1)。即使是这样的结构，也能在将换热性能比维持为与以往的交错配置同等的同时减小压力损失比。
如以上说明那样，根据第1实施方式，以相对于基准位置偏向X方向的一侧的方式配置预定的管列22，该基准位置是在X方向上相对于其他管列22偏离了预定节距P1的一半节距P1/2的位置，从而能够在维持换热性能的同时降低换热空气的压力损失。
接着，参照图7而对第2实施方式进行说明。图7是第2实施方式的翅片管换热器的截面示意图。在上述的第1实施方式中，设为使预定的管列22相对于交错配置错开的结构。在图7所示的第2实施方式中，多个管列22呈交错配置，而使换热器1整体倾斜了预定角度这点与第1实施方式不同。因此，对已述的结构标注同一附图标记而适当省略说明。
如图7所示，预定的管列22配置于在第1方向上相对于其他管列22偏离了预定节距P1的一半节距P1/2的基准位置。另外，第1方向相对于与换热空气的流通方向(Y方向)正交的方向(X方向)倾斜预定角度θ。在该情况下，在从换热空气的流通方向看时，预定的管列22的传热管20也以偏向相邻的其他管列22的传热管20侧的方式配置。
另外，换热器1的倾斜角度θ优选是例如9度。若设为该角度，如图7所示，从换热空气的流通方向看时，预定的管列22的传热管20以与相邻的其他管列22的传热管20的外表面接触的方式配置。由此，在第2实施方式中，也能在将换热性能比维持为与以往同等的同时减小压力损失比。此外，换热器1的倾斜角度θ并不限于此，可适当变更。另外，通过使换热器1整体斜向倾斜，能够增多传热管20(翅片管2)的配置数，能够提高换热性能。而且，由于使换热器1倾斜即可，因此，能够有效地利用现有的结构，能够减少设计工时。
另外，在上述的实施方式中，传热管20的形状、配置数、布局等并不限于此，能够适当变更。管列22的数量、错开量也同样能够适当变更。
另外，对本实施方式和变形例进行了说明，但也可以整体或部分地组合上述实施方式和变形例来作为其他实施方式。
另外，本实施方式并不限定于上述的实施方式和变形例，也可以在不脱离技术思想主旨的范围内进行各种变更、置换、变形。而且，若能够利用技术的进步或衍生的别的技术以别的方法实现技术思想，则也可以使用该方法来实施。因而，权利要求书涵盖了能包含于技术思想的范围内的全部实施方式。
在下述中，整理上述的实施方式的特征点。
上述实施方式的翅片管换热器具备多个传热管在与换热空气的流通方向交叉的第1方向上以预定节距排列配置而成的管列，在与所述第1方向交叉的第2方向上以隔开预定间隔的方式配置有多个管列，在该翅片管换热器中，预定的管列以在所述第1方向上相对于在所述第2方向上相邻的其他管列偏离的方式配置，从所述换热空气的流通方向看时，所述预定的管列的传热管以偏向相邻的所述其他管列的传热管侧的方式配置。
在上述实施方式的翅片管换热器中，所述预定的管列以相对于基准位置偏向所述第1方向的一侧的方式配置，该基准位置是在所述第1方向上相对于所述其他管列偏离了所述预定节距的一半节距的位置。
在上述实施方式的翅片管换热器中，所述预定的管列配置于在所述第1方向上相对于所述其他管列偏离了所述预定节距的一半节距的基准位置，所述第1方向以预定角度相对于与所述换热空气的流通方向正交的方向倾斜。
在上述实施方式的翅片管换热器中，所述预定角度是9度。
在上述实施方式的翅片管换热器中，从所述换热空气的流通方向看时，所述预定的管列的传热管以与相邻的所述其他管列的传热管的外表面接触的方式配置。
在上述实施方式的翅片管换热器中，从所述换热空气的流通方向看时，所述预定的管列的传热管以至少一部分与相邻的所述其他管列的传热管重叠的方式配置。
在上述实施方式的翅片管换热器中，若将所述预定的管列的传热管与相邻的所述其他管列的传热管的中心间距离设为S、将所述传热管的外径设为D，则满足0.95≤S/D≤1.38的关系。
产业上的可利用性
如以上说明那样，本发明具有能够在维持换热性能的同时降低换热空气的压力损失这样的效果，尤其是对在地热双循环发电中用作散热器的翅片管换热器有用。
本申请基于2020年8月24日提出申请的日本特愿2020-140874。其内容全部包含于本申请中。

Claims (7)

1.一种翅片管换热器，其具备多个传热管在与换热空气的流通方向交叉的第1方向上以预定节距排列配置而成的管列，在与所述第1方向交叉的第2方向上以隔开预定间隔的方式配置有多个管列，在该翅片管换热器中，
预定的管列以在所述第1方向上相对于在所述第2方向上相邻的其他管列偏离的方式配置，
从所述换热空气的流通方向看时，所述预定的管列的传热管以偏向相邻的所述其他管列的传热管侧的方式配置。
2.根据权利要求1所述的翅片管换热器，其中，
所述预定的管列以相对于基准位置偏向所述第1方向的一侧的方式配置，该基准位置是在所述第1方向上相对于所述其他管列偏离所述预定节距的一半节距的位置。
3.根据权利要求1所述的翅片管换热器，其中，
所述预定的管列配置于在所述第1方向上相对于所述其他管列偏离所述预定节距的一半节距的基准位置，
所述第1方向以预定角度相对于与所述换热空气的流通方向正交的方向倾斜。
4.根据权利要求3所述的翅片管换热器，其中，
所述预定角度是9度。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的翅片管换热器，其中，
从所述换热空气的流通方向看时，所述预定的管列的传热管以与相邻的所述其他管列的传热管的外表面接触的方式配置。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的翅片管换热器，其中，
从所述换热空气的流通方向看时，所述预定的管列的传热管以至少一部分与相邻的所述其他管列的传热管重叠的方式配置。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的翅片管换热器，其中，
若将所述预定的管列的传热管与相邻的所述其他管列的传热管的中心间距离设为S、将所述传热管的外径设为D，则满足0.95≤S/D≤1.38的关系。
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