способ изготовления теплообменной поверхности

Формула изобретения

1. Способ изготовления теплообменной поверхности, включающий получение на металлической заготовке оребрения в виде лепестков путем подрезки материала поверхностного слоя заготовки, отличающийся тем, что при подрезке лепестки скручивают на угол вокруг собственной оси, проходящей под углом к поверхности заготовки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол наклона осей лепестков =(10 90°), а угол закрутки =(10 n360°), где n - количество витков (n=0 10).

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что оси лепестков параллельны друг другу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменной аппаратуре, например в радиаторах и кондиционерах автомобилей, холодильниках и других теплообменных устройствах.

Создание новых способов формирования теплообменных поверхностей, обладающих более высокими эксплуатационными характеристиками, позволяет оптимизировать режимы работы теплообменной аппаратуры. В частности, существует достаточно острая проблема оребрения теплообменных поверхностей. Так, например, использование пайки для прикрепления теплообменных ребер [А.С. СССР № 744214, МПК F28F 1/24. Способ изготовления теплообменной трубы и вещество для осуществления этого способа// БИ № 24, 1980] является дорогостоящей и экологически опасной технологией. Создание ребер методами литья [А.С. СССР № 1245850, МПК F28F 1/32. Теплообменная поверхность// БИ № 27, 1986] также дорого и не всегда целесообразно и возможно при получении развитых поверхностей теплообмена.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления теплообменной поверхности, включающий получение на металлической заготовке оребрения в виде лепестков путем подрезки материала поверхностного слоя заготовки [Патент РФ № 2067738 от 02.02.1993, Манастырлы Г.К., Тейерман В.А. Теплообменная поверхность//Бюллетень изобретений № 28, 1996].

Однако известный способ не позволяет получать методом подрезки теплообменную поверхность, сохраняющую постоянные значения характеристик теплообмена при изменении потоков, омывающих ребра теплообмена. Это связано с тем, что лепестки, сформированные по известному способу-прототипу, обладают крайне нестабильными характеристиками, зависящими от направления подачи потока теплоносителя на оребрение. При подобной подрезке образуются параллельные ряды лепестков, имеющие различные аэродинамические свойства и различную способность турбулизировать потоки теплоносителя.

Поэтому теплообменные поверхности, полученные по способу-прототипу, не позволяют достигнуть стабильных характеристик в условиях изменения направлений обдува ребер.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является повышение стабильности теплообмена в условиях изменения направлений обдува ребер.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления теплообменной поверхности, включающем формирование на металлической заготовке оребрения в виде лепестков путем подрезки материала поверхностного слоя заготовки, в отличие от прототипа при подрезке лепестки скручивают на угол вокруг собственной оси, проходящей под углом к поверхности заготовки, причем угол наклона осей лепестков =(10° 90°), а угол закрутки = (10° n360°), где n - количество витков (n = 0 10). Кроме того, оси лепестков могут быть параллельны друг другу.

После подрезки, скручивание лепестков на угол вокруг собственной оси, проходящей под углом к поверхности заготовки, при угле наклона осей лепестков =(10° 90°) и угле закрутки = (10° n 360°), где n - количество витков (n = 0 10), а также обеспечение параллельности осей лепестков друг другу, позволяет достичь эффекта изобретения - повышения стабильности теплообмена. Данный положительный эффект не вытекает с очевидностью из уровня техники.

При использовании способа подрезки для формирования на поверхности заготовки оребрения в виде скрученных лепестков формы последних получаются непосредственно в процессе подрезки за счет использования следующих приемов: обеспечения угла между лезвием резца и линией резания, не равного 90°; обеспечения угла наклона линии режущей кромки резца к плоскости поверхности заготовки; использование резцов, форма режущей кромки которых обеспечивает за счет неравномерности среза материала создать в формируемом лепестке асимметричный, относительно линии реза, изгиб. Подобные процессы срезания поверхностного слоя материалов происходят, например, при строгании инструментами с косым лезвием. Хотя эти приемы подрезки и известны, но они предназначены для улучшения собственно процесса резания и качества поверхности обработанного изделия. В предлагаемом же способе указанные приемы имеют совершенно иную цель - формирование теплообменной поверхности в виде скрученных лепестков. При этом лепестки имеют закрутку относительно собственной оси, которая обеспечивает поверхности равномерные теплообменные свойства, практически независимые от направления потока теплоносителя вдоль плоскости теплообмена.

Закрутка лепестков на угол вокруг собственной оси, проходящей под углом к поверхности заготовки, после ее подрезки заготовки является существенным признаком, позволяющим достичь эффекта предлагаемого изобретения (повышение стабильности теплообмена).

Другие существенные признаки, изложенные в зависимых пунктах формулы изобретения, являются дополнительными характеристиками закрутки лепестков и также направлены на достижение поставленной в изобретении задачи.

Перечисленные признаки, а также их совокупность не были обнаружены авторами при просмотре известной патентной и научно-технической литературы, что позволило сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фигурах 1, 2 и 3 приведена схема осуществления предлагаемого способа изготовления теплообменной поверхности: фиг.1 - инструмент для подрезки; фиг.2 - процесс формирования на поверхности заготовки лепестков; фиг.3 - оребренная поверхность теплообменника.

Фигуры 1, 2 и 3 содержит: инструмент для подрезки 1, режущая кромка инструмента 2, заготовка (металлическая труба с плоскими противоположными стенками) 3, лепестки 4, внутренние полости заготовки 5.

Способ осуществляется следующим образом. В зависимости от требуемой конфигурации формируемых лепестков 4 выбирают инструмент для подрезки 1 (фиг.1). Подготавливают поверхность заготовки 3 и производят ее подрезку с образованием лепестков 4 (фиг.2). Максимальную глубину подрезки определяют из условия обеспечения герметичности трубы 3. При необходимости обеспечения герметичности глубина подрезки в поверхностном слое должна быть меньше толщины стенки трубы 3. Одним из известных способов производят шаговое подрезание и отгибку поверхностного слоя заготовки 3, получая таким образом на ней лепестки 4. Скручивание лепестков 4 происходит в процессе подрезки, в результате чего образуется теплообменная поверхность со скрученными лепестками 4 (фиг.3). Угол закрутки лепестка , также как и угол выбираются в зависимости от требуемых условий работы теплообменной поверхности. При подрезке подачу инструмента для подрезки 1, глубину, угол и шаг подрезки выбирают из условия получения заданных параметров конструкции теплообменной поверхности. Так глубина подрезки определяет толщину лепестка, величина подачи - высоту лепестка, шаг подрезки - шаг расположения лепестков, угол косого среза инструмента для подрезки - параметры скрутки лепестка 4.

В общем случае зависимости от конкретных условий эксплуатации теплообменная поверхность, получаемая при помощи предлагаемого способа, может формироваться на заготовках различной конструкции. Могут использоваться заготовки в виде круглых или плоских труб с системой внутренних каналов, образуемых перегородками или без таковых. Могут использоваться плоские пластины, образующие развитые теплообменные поверхности и т.д. В качестве материала могут использоваться металлы, способные при пошаговом подрезании и отгибке образовывать лепестки и обладающие хорошими теплопроводными свойствами, например алюминий и его сплавы, а также медь и ее сплавы.

Конкретный пример. Для оценки стабильности теплообмена при изменении направления потоков теплоносителей, омывающих оребрение, в виде лепестков, полученных методом пошаговой подрезки с последующей закруткой, был произведен следующий эксперимент.

Из двух монолитных труб с плоскими противоположными стенками, пошаговым подрезанием и отгибкой поверхностного слоя были изготовлены теплообменные поверхности по способу-прототипу и по предлагаемому способу. Заготовки из алюминиевого сплава имели размеры 120×60×14 мм, при толщине обрабатываемой стенки трубы 5 мм. Внутренняя полость трубы состояла из трех каналов, размерами 11×4 мм, разделенная перегородками толщиной 4 мм, и боковыми стенками толщиной 4,5 мм. Открытые торцы образцов-теплообменников снабжались входными и выходными коллекторами.

Параметры пошаговой подрезки в обоих случаях были одинаковы и составляли: глубина - 1,2 мм; шаг подрезки (шаг расположения лепестков) - 8 мм; высота лепестков - 10 мм, ширина лепестков - 4 мм.

Параметры закрутки лепестков (только в случае изготовления образца по предлагаемому способу): угол закрутки вокруг собственной оси =360°, угол наклона лепестка к поверхности заготовки =90° (перед закруткой лепестки выпрямлялись).

Стабильность теплообмена при изменении направления потоков теплоносителей, омывающих оребрения, оценивалась по величине изменения температуры на входе и выходе из теплообменников при изменении углов обдува лепестков потоком теплоносителя. Температура измерялась при установившемся режиме теплообмена. В обоих случаях испытания теплообменных поверхностей вода подавалась с равномерным расходом при температуре 14°С. Результаты экспериментов приведены в таблице.

Таблица
Способ изготовления теплообменной поверхности	Угол потока теплоносителя, относительно лепестков, град.	Температура, °С
На входе	На выходе	Разность температур
1	2	3	4	5
Прототип	0	12	21	9
15	12	42	30
30	12	47	35
45	12	49	37
60	12	46	34
75	12	38	36
90	12	26	t4
Предлагаемый способ	0	12	49	37
15	12	48	36
30	12	50	38
45	12	50	38
60	12	49	37
75	12	51	39
90	12	51	39

Как видно из таблицы, диапазон изменения температур у теплообменной поверхности, полученной по прототипу, составляет от 9°С до 37°С (изменяется на 28°С), в то время как у теплообменной поверхности, изготовленной по предлагаемому способу, диапазон температур на выходе составляет от 36°С до 39°С (изменяется только на 3°С).

Таким образом, результаты проведенных сравнительных испытаний прототипа и нового технического решения показывают на повышение стабильности работы теплообменной поверхности в условиях изменения потока теплоносителя, омывающего теплообменную поверхность, имеющую оребрение в виде скрученных лепестков.

В сравнении с известными способами получения теплообменных поверхностей [Патент РФ № 2067738, от 02.02.1993, Манастырлы Г.К., Тейерман В.А. Теплообменная поверхность//Бюллетень изобретений № 28, 1996], предлагаемый способ позволяет повысить стабильность теплообмена за счет создания равных условий омывания лепестков при изменении направления потоков теплоносителя. Кроме того, повышается коэффициент теплоотдачи между оребренной поверхностью и теплоносителем в результате увеличения турбулентности потока.