化工设计之空调器中管翅式换热器的强化传热设计

1、学号：课程论文学 院 化学化工学院 专 业 化学工程与工艺 年 级 化学工程与工艺班 姓 名 题 目 空调器中管翅式换热器的强化传热设计 成 绩 2015 年 6 月 15 日目 录1.空气侧的强化传热11.1换热器性能影响的结构参数11.1.1翅片间距11.1.2换热器翅片表面性能的改进21.1.3管排数21.1.4管径31.1.5不同类型翅片的使用场合32.制冷剂侧的强化传热42.1使用内螺纹管42.2使用椭圆管43.盘管设计的优化43.1合理的回路设计53.2不对称盘管设计54.结论5参考文献5空调器中管翅式换热器的强化传热设计 摘 要：为了提高换热效率,换热器的结构从多方面进行了强化传

2、热设计。介绍了如今应用范围比较广泛的几个设计理念,并对其进行分析总结。 关键词：换热器、空调制冷、传热设计Abstract：In order to improve the efficiency of heat transfer, the structure of heat exchanger is enhanced by heat transfer design. This paper introduces some design ideas which are widely used today, and analyzes and summarizes them.Keywords：Heat

3、exchanger、Air conditioning refrigeration、Heat transfer design前言 提高空调器效率的方法有很多,如高效变频压缩机的采用,冷凝器和蒸发器的优化设计,先进节流元件的采用,控制系统的优化等等。虽然变频压缩机和电子膨胀阀的使用将大大提高系统的能效比，但冷凝器和蒸发器换热效率的高低也直接决定了整个系统的能效水平。现将针对空调器的优化设计进行初步的讨论。这些优化措施包括空气侧的换热强化,制冷剂侧的强化传热,盘管的设计优化等多个方面。1.空气侧的强化传热 在空调器中,换热器多数采用铜管套翅片的结构形式组成的传热管束。传热管束是用直径较小的紫铜管穿上

4、铝翅片,排成2至8排制成管束。冷热水在管内为蛇形往复流动,空气在管外翅片间穿行,同时被加热或冷却。翅片采用整体式翅片形式,翅片片型有平板型、皱纹型(其中,波纹板应用最多)及开缝型(如条缝型、百叶窗型等),(图1)。从20世纪90年代开始,百叶窗型的翅片在欧洲得到了大力发展。1.1换热器性能影响的结构参数1.1.1翅片间距关于翅片间距对换热性能的影响, Rich研究了管径为13.34mm,管间距为27.5mm,排间距为31.75 mm情况下的14种平板翅片盘管的情况。试验结果得到: 4排管时,换热性能与翅片间距无关；每排管的压力降也与管排数无关。然而对1排或2排管,规律有所不同。ReDc>

5、5 000时,涡流的影响占据了重要位置,翅片间距的影响可忽略。当ReDc<5 000时,热交换性能随翅片间距的减小而增大1。Wang等人的试验也证实了此观点，同时还证实了对多排百叶翅片和波纹翅片换热器具有相同规律。研究发现:较高的空气流速和较大的管排数都会导致涡流区域的产生，因此，翅片间距对换热系数的影响均可忽略。1.1.2换热器翅片表面性能的改进铝翅片换热器在使用中存在如下问题：首先,铝翅片工作在干湿交替的环境中,其表面会形成Al2O3·H2O氧化层粉末,带来机器寿命减少和环境污染两方面的问题；此外,湿工况作业时,空气中的水分冷凝,附着在翅片上形成水桥，导致风阻增加，能耗加大

6、。表面涂膜处理是解决问题的有效方法，空调热交换器表面涂膜处理技术是20世纪90年代发展起来的新技术，主要进行耐蚀性涂膜处理和亲水性涂膜处理。 进行翅片表面涂膜处理后，空气侧的阻力特性会得到极大改观。Mimaki(1987)对带亲水涂层的换热器进行了研究，他发现，采用亲水涂层翅片后，湿工况下的压降降低到原来的40% 50%；空气侧的热传递系数增加了23个百分点2。K.Hong和R. L.Webb发现，对波纹片、开缝片和百叶片3种翅片形式，在2.5m/s迎面风速时,带亲水涂覆层时的湿工况和干工况下的压降比均为1.23。即对湿盘管，在百叶翅片和波纹翅片上采用亲水涂覆层，当迎面风速为2.5m/s时，可

7、使湿工况下压降损失分别降低45%和15%。因此，涂覆层对百叶翅片的影响要比对波纹翅片的影响大。1.1.3管排数对于平板型翅片：在管排数较大、翅片间距较小，且雷诺数较低时，管排数对换热特性的影响才显著起来。当ReDc<3 000时，由于边界层的影响，换热因子将随管排数的增加而减小；管排数对摩擦阻力因子的影响相对较小。然而当ReDc>3 000时，管排数对换热的影响将减小4。 对于波纹形翅片：低雷诺数下，管排数对换热系数和摩擦系数没有明显的影响；而在高雷诺数下，换热系数会随着管排数的增加而增加5。对于开缝型翅片：低雷诺数下，管排数对换热系数有显著的影响，换热因子会随着管排数的增加而急剧

8、降低；管排数对摩擦因子的影响相对较小6。1.1.4管径对于平板型翅片，管径越大的，造成管后的无效面积也越大。换热系数随着换热管管径的减小而稍有增大。比如，对于单排管和双排管，Dc=8.51mm时的换热系数比Dc=10.23mm的稍高；但Dc=10.23mm的压降却比Dc=8.51mm的要大10% 15%7。对于其他的翅片类型(波纹形翅片、条缝形翅片、百叶窗翅片)，采用小管径，同样可以减小管排的拖曳作用，从而增大管外换热系数；并能够减小压降损失。如：对百叶窗翅片，当迎面风速Vf<1.5m/s时,采用小管径的多排管结构有利于提高换热器的换热性能,并能够减小10%的压降损失。1.1.5不同类型

9、翅片的使用场合热交换系数大的翅片能够在相同容积和造价下提高热交换器的热交换能力，但是阻力的增加在固定的风机运行曲线下会降低空气的流量。空气流量的降低有两方面的的不利因素：1)降低的空气流速会降低热交换系数； 2)在表冷器中空气温度的提高，使相同起始温差下的LMTD降低。因此，设计人员应充分了解所选换热器的翅片形式，并根据使用场合不同区别对待。a)在干工况下，尽量采用换热系数大的翅片形式，如开缝翅片，其中弧形百叶窗翅片形式换热特性更为突出；但由于开缝翅片的阻力较大，因此，在需要相同换热量时，尽量选用迎风面积较大的,而不是排数较大的，以充分利用增强型翅片的优点，而不增加它的风机功率。b)在湿工况下

10、，开缝翅片的阻力增加较多，系统风量会减少，此时，可考虑采用波纹形翅片换热器，且翅片间距不宜太小。c)当翅片换热器需要在干、湿工况下交替运行时，可在翅片表面添加亲水性镀膜，它对换热性能影响极小，但可极大地降低湿工况下空气流动阻力，对百叶翅片的效果更佳。在此情况下，可尽量采用百叶型翅片。d)尽量选用小管径的翅片换热器，其换热特性和阻力特性较大管径的均有所改善。 e)新风机组和风机盘管换热器采用不同的翅片形式，如可用新风负担室内全部湿负荷，换热器采用波纹片的；而风机盘管采用开缝翅片，完全在干工况下工作。2.制冷剂侧的强化换热 制冷剂侧的强化传热也是换热器优化的一个重要方面，采用内螺纹铜管和使用椭圆管

11、是制冷剂侧强化传热的主要手段。2.1使用内螺纹管与普通光管相比，内螺纹管的内表面积增大，同时制冷剂流动时沿螺旋槽旋转产生扰动，以及由于表面张力使液膜变薄等原因，传热系数增大。增大的程度随内螺纹肋形的不同而有所不同，山型齿内螺纹管的内表面传热系数是光管的1.5倍左右；梯型是光管的2倍左右；小顶角型是光管的2.5倍左右；细高齿型是光管的3倍左右8。2.2使用椭圆管目前，由于工艺水平的限制，换热器的铜管都采用圆管，但椭圆翅片管比圆管翅片管性能更加优越正在受到重视。虽然目前家用空调器换热器使用椭圆管仍停留在实验室研究阶段，但根据研究结果可以预见椭圆管换热器一定会有广阔的发展前景。文献9的研究结果表明对

12、于给定的换热器，椭圆管换热器比圆管换热器需要较小的换热面积和较小的风机能耗；在相同的迎面风速下，椭圆翅片管比圆翅片管的空气侧换热系数大37倍，另外，换热系数相同时，椭圆翅片管的压降也小于圆管换热器。3.盘管设计的优化在采用了高效换热元件后，盘管设计的优化也是提高换热器换热效率的重要步骤。盘管的优化设计包括回路设计，不对称盘管设计等多种方法。3.1合理的回路设计冷凝器和蒸发器回路设计是个需要综合考虑换热性能和阻力性能的问题.制冷剂在管中的流动速度越大，制冷剂管内的换热系数也就越大，因此很多房间空调器的两器均是采用单回路设计。但是这样的设计沿程损失大，制冷剂的压力下降较大，随着换热器长度的增加，这

13、个问题会更加严重，并且单回路设计中，由于换热温差越来越小，回路后部的换热能力已经变得非常糟糕。因此，回路设计必须对回路的阻力进行精确的计算(冷凝器的压力以饱和温度下降1e为上限，蒸发器以饱和温度下降2e为上限)10，若阻力损失过大，应采用多个回路，并增大空气和冷媒之间的换热温差。3.2不对称盘管设计对于多排管换热器来讲，每排的换热量是不同的。对于双排冷凝器，当两排的铜管和翅片完全相同时，迎风侧的换热量约占总换热量的70%，背风侧换热量只占30%左右，背风侧的换热能力没有得到充分的发挥，因此国内外有些空调产品采用不对称结构设计的方法，通过稍微降低盘管迎风侧的换热能力而增强背风侧换热能力，从而增强

14、整个盘管的换热能力。不对称结构设计包括前后排翅片类型不同，翅片间距不同，铜管直径不同以及铜管类型不同以及上述方法的相互搭配等。为了增强背风侧盘管的换热能力，可采用盘管的不对称结构设计：迎风侧翅片采用大间距的平片，背风侧采用小间距的冲缝片；迎风侧使用光管，背风侧使用内螺纹管；迎风侧使用小管径铜管，背风侧使用大管径铜管。通过组合搭配试验，以得最佳的换热效果。4.结语换热器的设计是空调制冷系统优化的重要组成部分。从空气侧的换热强化，制冷剂侧的强化传热，盘管的设计优化等几个方面对换热器的优化进行讨论，只要合理考虑这些因素，就可以有效地提高空调机换热器的换热能力。参考文献:1Chi-ChuanWang,

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