第六章 热交换过程及换热器

1、第第6章章热交换过程及换热器热交换过程及换热器蒸发器和冷凝器的结构蒸发器和冷凝器的结构传热特性传热特性蒸发器供液量自动调节蒸发器供液量自动调节传热强化与削弱传热强化与削弱换热器是换热器是制冷剂制冷剂与与外部热源介质外部热源介质之间发生热交换的设备之间发生热交换的设备，其特性对制冷机的性能有重要影响。其特性对制冷机的性能有重要影响。热交换过程热交换过程沸腾沸腾凝结凝结强制对流强制对流自然对流自然对流本章内容本章内容6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法传热过程传热过程：热量由壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧流体的过程。：热量由壁面一侧

2、的流体穿过壁面传给另一侧流体的过程。制冷机热交换设备中的传热：制冷机热交换设备中的传热：通过平壁通过平壁、圆管圆管以及以及肋壁肋壁的传热的传热-通过平壁的热流量，通过平壁的热流量，W；A-传热面积，传热面积，m2；k-传热系数，传热系数，W(m2K)。上式可改写成上式可改写成热流密度热流密度q的形式：的形式： q= /A =kt Wm2 6.1.1 通过平壁的传热通过平壁的传热对于无内热源、热导率对于无内热源、热导率为常数、厚度为为常数、厚度为两侧流体温度为两侧流体温度为tf1与与tf2、表面传热系数为、表面传热系数为h1与与h2的的单层单层无限大平壁的稳态传热过程，通过平壁的热流量可由下式计

3、算：无限大平壁的稳态传热过程，通过平壁的热流量可由下式计算：6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法传热过程可分成三个分过程：传热过程可分成三个分过程： 6.1.1 通过平壁的传热通过平壁的传热传热热阻：传热热阻：传热系数：传热系数：对于对于n层平壁层平壁，当各层材料的热导率分别为，当各层材料的热导率分别为1 1， 2 2 ， n n ，且为常数，厚度分且为常数，厚度分别为别为1，2 ， n ，层与层之间接触良，层与层之间接触良好，无接触热阻时，好，无接触热阻时，热阻计算公式为热阻计算公式为：高温流高温流体与壁体与壁面的对面的对流换热

4、流换热平平壁壁导导热热壁面向壁面向低温流低温流体的对体的对流换热流换热6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法 6.1.2 通过圆管的传热通过圆管的传热图图6-1 圆管壁的传热过程圆管壁的传热过程由于圆管的内、外表面积不相等，所以传热由于圆管的内、外表面积不相等，所以传热系数也有内、外之分。一般以圆管系数也有内、外之分。一般以圆管外表面面外表面面积积Ao为基准为基准，相应的热流量，相应的热流量为：为：单位管长传热密度单位管长传热密度l为为kl=kodo为为单位管长的传热系数单位管长的传热系数6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程

5、及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法 6.1.2 通过圆管的传热通过圆管的传热 以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数ko为为工程计算中，当圆管的内、外径之比工程计算中，当圆管的内、外径之比dodi2时，上式简化为：时，上式简化为：为圆管壁厚，为圆管壁厚，m；为圆管热导率，为圆管热导率，W(mK)；dm为圆管内、外直径的算为圆管内、外直径的算术平均值，术平均值，m；Am为圆管内、外表面面积的算术平均值，为圆管内、外表面面积的算术平均值，m2。计算表明，简化后的计算偏差小于计算表明，简化后的计算偏差小于4。6.1 6.1 制冷机中热交换设备的

6、传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法 6.1.2 通过圆管的传热通过圆管的传热换热器投入使用后，传热表面会产生污垢，增大传热热阻，污垢对传热的换热器投入使用后，传热表面会产生污垢，增大传热热阻，污垢对传热的影响通过污垢热阻考虑。影响通过污垢热阻考虑。计及污垢热阻的圆管传热系数公式为：计及污垢热阻的圆管传热系数公式为：内表面污垢热阻内表面污垢热阻（或污垢系数）（或污垢系数）外表面污垢热阻外表面污垢热阻（或污垢系数）（或污垢系数）6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法 6.1.2 通过圆管的传热通过圆管的传热

7、制冷剂侧污垢：制冷剂侧污垢：主要为润滑油的油膜及其他悬浮物的沉积；主要为润滑油的油膜及其他悬浮物的沉积；水侧污垢：水侧污垢：主要为盐类在换热表面上的结晶以及悬浮颗粒在换热表面上的沉积；主要为盐类在换热表面上的结晶以及悬浮颗粒在换热表面上的沉积；空气侧污垢：空气侧污垢：主要来自于空气中的悬浮颗粒在换热表面的沉积。主要来自于空气中的悬浮颗粒在换热表面的沉积。由于污垢生成过程的复杂性，目前尚无法用理论计算方法确定。由于污垢生成过程的复杂性，目前尚无法用理论计算方法确定。6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法 6.1.3 通过肋壁的传热通过

8、肋壁的传热在制冷及低温工程中，常遇到两侧表面传热系数相差较大的传热过程。例如：一侧是在制冷及低温工程中，常遇到两侧表面传热系数相差较大的传热过程。例如：一侧是单相液体强迫对流换热或相变换热单相液体强迫对流换热或相变换热(沸腾或凝结沸腾或凝结)，其表面传热系数一般在，其表面传热系数一般在500 W(m2K)以上；另一侧是气体强迫对流换热或自然对流换热，表面传热系数一般在以上；另一侧是气体强迫对流换热或自然对流换热，表面传热系数一般在50 W(m2K)以下。此时，强化传热主要是增强表面传热系数较小一侧壁面的对流换热。以下。此时，强化传热主要是增强表面传热系数较小一侧壁面的对流换热。由于增大流速所起

9、的作用有限，且会增加风机的耗能，一般采用加肋方式扩展换热面由于增大流速所起的作用有限，且会增加风机的耗能，一般采用加肋方式扩展换热面积以增大肋侧热流量，从而使两侧对流换热相匹配，是强化传热的有效措施。积以增大肋侧热流量，从而使两侧对流换热相匹配，是强化传热的有效措施。图图6-2 通过肋壁的传热过程通过肋壁的传热过程稳态传热情况下，稳态传热情况下，肋侧的热流量肋侧的热流量为：为：A1-未加肋侧的面积，未加肋侧的面积，A2-加肋侧的加肋侧的肋基肋基面积，面积，A2-肋片面积，肋片面积，A2-肋侧总面积，肋侧总面积，A2=A2+A2； tw2-肋基温度，肋基温度， t”w2-肋片平均温度，肋片平均温

10、度，- -肋壁材料肋壁材料的热导率，为常数，的热导率，为常数， ho-肋侧表面传热系数，为常数，肋侧表面传热系数，为常数，f-肋片效率肋片效率6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法 6.1.3 通过肋壁的传热通过肋壁的传热通过肋壁的传热热流量计算公式为：通过肋壁的传热热流量计算公式为：肋片总效率：肋片总效率：以以肋侧总面积肋侧总面积为基准，传热计算公式为：为基准，传热计算公式为：肋化系数肋化系数=A=A2 2/A/A1 1加肋后，加肋后，肋侧肋侧的对流换热热阻是的对流换热热阻是1/(ho)，而未加肋时为，而未加肋时为1/ho，加肋后

11、热阻减，加肋后热阻减小的程度与小的程度与()有关。由肋化系数定义易知有关。由肋化系数定义易知1，其大小取决于肋高与肋间距。增加肋，其大小取决于肋高与肋间距。增加肋高可以加大高可以加大，但增加肋高会使肋片效率，但增加肋高会使肋片效率f降低。减小肋间距也可以加大降低。减小肋间距也可以加大 ，但肋间距，但肋间距过小会增大流体的流动阻力。一般肋间距应过小会增大流体的流动阻力。一般肋间距应大于两倍边界层最大厚度，当涉及结露和结大于两倍边界层最大厚度，当涉及结露和结霜工况时，肋间距还应适当增大。工程上，霜工况时，肋间距还应适当增大。工程上，当当hi/ho=35时，一般选择时，一般选择较小的低肋；当较小的低

12、肋；当hi/ho10时，选择时，选择较大的高肋。较大的高肋。6.1 6.1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法 6.1.3 通过肋壁的传热通过肋壁的传热引入污垢系数后，以引入污垢系数后，以肋侧总表面面积肋侧总表面面积为基准的传热系数为：为基准的传热系数为：对于带肋的圆管，当对于带肋的圆管，当dodi1；s-考虑强迫对流和大空间核态沸腾按百分比进行叠加的系数。考虑强迫对流和大空间核态沸腾按百分比进行叠加的系数。1 单组分制冷剂在单组分制冷剂在管内管内的流动沸腾换热的流动沸腾换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热在在20世

13、纪世纪80年代初，随着对制冷剂管内流动沸腾换热研究的不断深入，不断改进和年代初，随着对制冷剂管内流动沸腾换热研究的不断深入，不断改进和完善管内流动沸腾模型，提出了一些适用于多种制冷剂的半经验通用关联式。影响完善管内流动沸腾模型，提出了一些适用于多种制冷剂的半经验通用关联式。影响较大的有：较大的有：1982年，夏年，夏(Shah)提出的通用关联式；提出的通用关联式；1986年，冈戈尔年，冈戈尔(Gungor)和温特和温特劳劳(Winteron) 提出的通用关联式；提出的通用关联式；1987年，凯特里卡年，凯特里卡(Kandlikar) 提出了经过改进提出了经过改进的具有更高精度的通用关联式。涉及

14、的工质有水、的具有更高精度的通用关联式。涉及的工质有水、R11、R12、R1381、R113、R114、R152a、 R134a、氮、氖等，凯特里卡的关联式可表示为：、氮、氖等，凯特里卡的关联式可表示为：(6-28)1 单组分制冷剂在单组分制冷剂在管内管内的流动沸腾换热的流动沸腾换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热近年来，蒸发器中广泛采用微细内肋管。管内的微肋数目一般为近年来，蒸发器中广泛采用微细内肋管。管内的微肋数目一般为60-70，肋高为，肋高为0.1-0.2 mm，螺旋角为，螺旋角为10-30其中对传热性能和流动阻力性能影响最大的参数其中对传热性能和流动阻力性

15、能影响最大的参数为为肋高肋高。微细内肋管有两个突出的微细内肋管有两个突出的优点优点：与光管相比它可以使管内蒸发表面传热系数增加：与光管相比它可以使管内蒸发表面传热系数增加1.63倍，压降的增加却只有倍，压降的增加却只有12倍，即传热的增强明显大于压降的增加；微肋管倍，即传热的增强明显大于压降的增加；微肋管与光管相比，单位长度的重量增加得很少，同样换热负荷下材料耗量少。与光管相比，单位长度的重量增加得很少，同样换热负荷下材料耗量少。对流换热增强因子：对流换热增强因子：微肋管表面传热系数与其当量直径光滑管的表面传热系数的微肋管表面传热系数与其当量直径光滑管的表面传热系数的比值，是评价高效强化传热管

16、的指标之一。比值，是评价高效强化传热管的指标之一。由于一些形状复杂的强化传热管的实际传热面积难以准确确定，所以在一般对流由于一些形状复杂的强化传热管的实际传热面积难以准确确定，所以在一般对流换热增强因子中，强化传热管的表面传热系数是按等内径、同样长度光管定义的换热增强因子中，强化传热管的表面传热系数是按等内径、同样长度光管定义的名义表面传热系数，而不是按实际换热面积定义，故增强因子实际上包括了对换名义表面传热系数，而不是按实际换热面积定义，故增强因子实际上包括了对换热面积扩展导致的强化传热作用。热面积扩展导致的强化传热作用。2单组分制冷剂在单组分制冷剂在板式换热器板式换热器中的流动沸腾换热中的

17、流动沸腾换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热随着板式换热器的应用向制冷系统的扩展，制冷剂在其内的流动沸腾研究引起了随着板式换热器的应用向制冷系统的扩展，制冷剂在其内的流动沸腾研究引起了一定关注，但除了各生产厂家的一些为用户提供选型的资料外，迄今尚无通用关一定关注，但除了各生产厂家的一些为用户提供选型的资料外，迄今尚无通用关联式。有关换热器的一些专门著作，提到的沸腾计算方法基本是基于水流动沸腾联式。有关换热器的一些专门著作，提到的沸腾计算方法基本是基于水流动沸腾的一些经典计算方法，如前述陈氏方法，尚缺乏对制冷剂的专门试验数据支持。的一些经典计算方法，如前述陈氏方法，尚

18、缺乏对制冷剂的专门试验数据支持。在尚不多见的文献中，在尚不多见的文献中，2002年年Hsieh等对等对R134a、R410a在人字形板片板式换热器在人字形板片板式换热器内流动沸腾的实验数据关联式可作为设计计算参考，关联式如下：内流动沸腾的实验数据关联式可作为设计计算参考，关联式如下：h-沸腾表面传热系数，沸腾表面传热系数，W(m2K)；Bo-沸腾特征数，见式沸腾特征数，见式(6-28)；hl-液液相单独流过时的表面传热系数，由下式计算：相单独流过时的表面传热系数，由下式计算：液相雷诺数液相雷诺数当量直径当量直径液相普朗特数液相普朗特数液相粘度液相粘度壁温下的壁温下的液相粘度液相粘度3 单组分制

19、冷剂在单组分制冷剂在满液式蒸发器满液式蒸发器中的沸腾换热中的沸腾换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热制冷剂在水平光管束外大空间内沸腾时，广为采用的计算式仍为制冷剂在水平光管束外大空间内沸腾时，广为采用的计算式仍为米海耶夫米海耶夫大容器饱和沸腾公式，沸腾表面传热系数为大容器饱和沸腾公式，沸腾表面传热系数为h0为：为：q-热流密度；热流密度；系数系数a和指数和指数b与制冷剂种类及热流密度有关，由对制冷剂的实验得出。与制冷剂种类及热流密度有关，由对制冷剂的实验得出。当热流密度当热流密度q2 100 Wm2 时：时： 对于对于R717：a=103，b=0.25当热流密度当热

20、流密度q2 100 Wm2 时：时： 对于对于R717：a=4.4 (1+0.77t0)，b=0.7，t0为蒸发温度。为蒸发温度。 对于低肋管，氟利昂的沸腾表面传热系数与光管时相近。对于低肋管，氟利昂的沸腾表面传热系数与光管时相近。4 表面式蒸发器表面式蒸发器空气侧强制对流换热空气侧强制对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热干工况：干工况：表面式蒸发器换热过程中，湿空气的含湿量保持不变的工况。由于叉排表面式蒸发器换热过程中，湿空气的含湿量保持不变的工况。由于叉排管束对流换热性能好于顺排，目前表面式蒸发器多采用叉排。管束对流换热性能好于顺排，目前表面式蒸发器多采用叉

21、排。对平直套片叉排的蒸发器，对平直套片叉排的蒸发器，当排数为当排数为4-8排时排时，管外对流换热的，管外对流换热的传热因子传热因子由著名的由著名的麦克奎勋麦克奎勋(McQuistion)关联式计算：关联式计算： (1)干工况干工况j-传热因子传热因子；Red-以管外径为特征尺度的空气雷诺数；以管外径为特征尺度的空气雷诺数；a-空气的密度，空气的密度，kgm3 , cp为空气的比定压热容；为空气的比定压热容；do-管外径，管外径，m；a -空气的粘度，空气的粘度，Pa.s；At-总外表面面积总外表面面积，m2 ；Ao-光管管束的外表面面积，光管管束的外表面面积，m2；umax-翅片间最大流速，翅

22、片间最大流速，m/s；St-斯坦顿数，斯坦顿数，研究强制对流的准数。研究强制对流的准数。 4 表面式蒸发器表面式蒸发器空气侧强迫对流换热空气侧强迫对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热当排数小于当排数小于4时，上式应进行排数修正，计算式为（时，上式应进行排数修正，计算式为（ N为管排数）：为管排数）：在做换热器设计计算时，还应求得在做换热器设计计算时，还应求得肋片效率肋片效率。平直套片的肋片效率可由下。平直套片的肋片效率可由下式计算：式计算：其中，其中，f-肋片材料的热导率，肋片材料的热导率，w(m.K)；肋片厚肋片厚度度，m；h -肋片的折合高度，肋片的折合高度

23、，m。 双曲正切函数双曲正切函数th x =（exex）/（exex） 4 表面式蒸发器表面式蒸发器空气侧强迫对流换热空气侧强迫对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热折合高度折合高度h可按下式计算：可按下式计算：对长方形翅片：对长方形翅片：其中其中A和和B是长方形的长边与短边，是长方形的长边与短边，A=B时则为正方形。时则为正方形。对六角形翅片：对六角形翅片：其中其中A和和B分别是六角形的长对边距离与短对边距离。分别是六角形的长对边距离与短对边距离。4 表面式蒸发器表面式蒸发器空气侧强迫对流换热空气侧强迫对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的

24、对流传热 (2)湿工况湿工况湿工况：湿工况：当湿空气流过表面式蒸发器时，如翅片表面温度低于空气的露点温度，当湿空气流过表面式蒸发器时，如翅片表面温度低于空气的露点温度，空气中含有的水蒸气将在翅片表面上凝结，一般也称为结露。空气中含有的水蒸气将在翅片表面上凝结，一般也称为结露。湿工况对换热的影响湿工况对换热的影响:（1）由于液膜的波动，流经蒸发器的表面传热系数将增大；）由于液膜的波动，流经蒸发器的表面传热系数将增大；（2）在显热对流换热的同时发生水蒸气凝结的潜热传递。）在显热对流换热的同时发生水蒸气凝结的潜热传递。（3）然而，湿工况时翅片效率明显下降，最大可下降然而，湿工况时翅片效率明显下降，最

25、大可下降30。使结露时的总传热系数比干工况时高出使结露时的总传热系数比干工况时高出3050。由于表面传热系数的增加与翅片效率的降低起着相反的作由于表面传热系数的增加与翅片效率的降低起着相反的作用，因而用，因而总传热系数比干工况时只增加总传热系数比干工况时只增加10左右左右。4 表面式蒸发器空气侧强迫对流换热表面式蒸发器空气侧强迫对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热湿工况对压降的影响：湿工况对压降的影响：结露时由于析出的水分附着在翅片表面上，使空气流过蒸发器的阻力大为增加结露时由于析出的水分附着在翅片表面上，使空气流过蒸发器的阻力大为增加, 当液膜连结成为当液膜连

26、结成为“液桥液桥”时，对传热和流动均不利。因而，湿工况下工作的表面时，对传热和流动均不利。因而，湿工况下工作的表面换热器，肋片间距应大于干工况时的肋片间距。在风机功率不变条件下，空气阻换热器，肋片间距应大于干工况时的肋片间距。在风机功率不变条件下，空气阻力的增加使湿工况下的风量明显低于干工况下的风量。力的增加使湿工况下的风量明显低于干工况下的风量。解决办法：解决办法：采用亲水膜表面处理技术，在翅片表面上涂覆亲水性的涂层，包括特殊的树脂漆、采用亲水膜表面处理技术，在翅片表面上涂覆亲水性的涂层，包括特殊的树脂漆、合成硅石和一些表面活性添加剂。涂覆的方法是对整个翅片管束进行整体浸涂。合成硅石和一些表

27、面活性添加剂。涂覆的方法是对整个翅片管束进行整体浸涂。这些涂覆层的作用是尽可能减小水和翅片表面的润湿角，这些涂覆层的作用是尽可能减小水和翅片表面的润湿角，使凝结水膜极易从翅片使凝结水膜极易从翅片表面流下表面流下。与不涂覆的翅片比较，经涂覆处理后的翅片表面，其湿工况时的阻力。与不涂覆的翅片比较，经涂覆处理后的翅片表面，其湿工况时的阻力可减小可减小40。4 表面式蒸发器空气侧强迫对流换热表面式蒸发器空气侧强迫对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热结霜结霜对传热和压降的影响：对传热和压降的影响：当蒸发器表面温度低于水的凝固点时，从湿空气中析出的凝结水还会凝固在表当蒸发器

28、表面温度低于水的凝固点时，从湿空气中析出的凝结水还会凝固在表面上形成霜层，表面结霜后对蒸发器性能的影响主要为：面上形成霜层，表面结霜后对蒸发器性能的影响主要为：（1）在肋片外表面附加了霜层的导热热阻；在肋片外表面附加了霜层的导热热阻；（2）结霜使肋片间的空气通流截面变窄，在风机功率一定的情况下，由于阻结霜使肋片间的空气通流截面变窄，在风机功率一定的情况下，由于阻力增大，风量减小，使空气与霜层表面间的对流换热减弱，其影响更大。力增大，风量减小，使空气与霜层表面间的对流换热减弱，其影响更大。对于翅片管式蒸发器，霜层厚度随时间的变化可由下式估算：对于翅片管式蒸发器，霜层厚度随时间的变化可由下式估算：

29、umax-最窄截面中的质量流速，最窄截面中的质量流速，kg(m2s)；-空气的相对湿度；空气的相对湿度；Ct-温度系数温度系数Ct=0.940.97，；，；-结霜时间，结霜时间，h。5 其他条件下的单相对流换热其他条件下的单相对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热 (1)空气自然对流换热空气自然对流换热 自然对流表面传热系数远小于强迫对流，在计算此类空气冷却器空气侧表面传热自然对流表面传热系数远小于强迫对流，在计算此类空气冷却器空气侧表面传热系数时，系数时，必须同时考虑空冷器表面与外界的辐射换热必须同时考虑空冷器表面与外界的辐射换热。因为在室温条件下，辐射换。因为

30、在室温条件下，辐射换热与自然对流换热处于同一数量级，如计算冷库内冷却排管与空气间的换热时，辐热与自然对流换热处于同一数量级，如计算冷库内冷却排管与空气间的换热时，辐射换热所占的比例就较大，有时可占总换热量的射换热所占的比例就较大，有时可占总换热量的4050。管板式和吹胀式蒸发器：管板式和吹胀式蒸发器： 冰箱中常见的管板式和吹胀式蒸发器，可以看作是一种复杂的翅片式换热器，其冰箱中常见的管板式和吹胀式蒸发器，可以看作是一种复杂的翅片式换热器，其肋化系数仍可定义为蒸发器外表面面积与管外表面面积之比。一般冰箱的管板式蒸肋化系数仍可定义为蒸发器外表面面积与管外表面面积之比。一般冰箱的管板式蒸发器，其肋化

31、系数在发器，其肋化系数在3.54.5之间，而吹胀式蒸发器的肋化系数在之间，而吹胀式蒸发器的肋化系数在4.56.0之间。目之间。目前尚无精确计算该类蒸发器外表面的自然对流换热和辐射换热通用的计算方法，主前尚无精确计算该类蒸发器外表面的自然对流换热和辐射换热通用的计算方法，主要仍依赖经验数据，一般家用冰箱采用的管板式与吹胀式蒸发器的表面传热系数在要仍依赖经验数据，一般家用冰箱采用的管板式与吹胀式蒸发器的表面传热系数在1114 W(m2K)之间之间(未结霜状态未结霜状态)。5 其他条件下的单相对流换热其他条件下的单相对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热 (2)管内管内

32、强制对流换热强制对流换热制冷机管内的流动多数为湍流，可采用广为应用、形式简单的迪图斯制冷机管内的流动多数为湍流，可采用广为应用、形式简单的迪图斯-玻尔玻尔特特(Dittus-Boelter)公式进行计算，公式为：公式进行计算，公式为：-流体的热导率，流体的热导率，w(mK)；di-管内径，管内径，m；定性温度取流体平均温度。计算定性温度取流体平均温度。计算Re时，取时，取u为流体的平均速度，为流体的平均速度，ms。上式的适用范围是上式的适用范围是Ref104以及以及Prf=0.72 500。如果管道截面不是圆形，特性尺度应取其当量直径如果管道截面不是圆形，特性尺度应取其当量直径do，但对偏离圆

33、断面形状，但对偏离圆断面形状较远的通道，最好采用专用关联式。较远的通道，最好采用专用关联式。流体在螺旋管内或螺旋形槽道内流动时，换热过程有所增强，其表面传热系流体在螺旋管内或螺旋形槽道内流动时，换热过程有所增强，其表面传热系数可先按式数可先按式(6-36)计算，再乘以校正系数：计算，再乘以校正系数：(636)螺旋管的曲率半径，螺旋管的曲率半径，m。5 其他条件下的单相对流换热其他条件下的单相对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器内的对流传热蒸发器内的对流传热 (3)管束外管束外横向绕流时的对流换热横向绕流时的对流换热对于对于光管束光管束强制对流，当流体流动方向与管轴线垂直，强制对流，当流体流动

34、方向与管轴线垂直，Ref=200200000时，平均的表面传热系数可按下列关联式计算：时，平均的表面传热系数可按下列关联式计算： 空气：空气：顺排管束顺排管束 叉排管束叉排管束 液体：液体：顺排管束顺排管束 叉排管束叉排管束由于前排对后排的扰动，管束表面传热系数随管排数由于前排对后排的扰动，管束表面传热系数随管排数n增加而增大，当增加而增大，当n10时可时可忽略不计。对于沿流动方向有忽略不计。对于沿流动方向有n排排管子的管束，上述公式应乘以管排校正系数管子的管束，上述公式应乘以管排校正系数n n，见表见表6-3。5 其他条件下的单相对流换热其他条件下的单相对流换热6.2.2 6.2.2 蒸发器

35、内的对流传热蒸发器内的对流传热 (3)管束外管束外横向绕流时的对流换热横向绕流时的对流换热当流体在具有折流板的壳管式换热器管束外流动时，对镗削筒体，表面传当流体在具有折流板的壳管式换热器管束外流动时，对镗削筒体，表面传热系数为：热系数为：筒体不镗削时，表面传热系数略低，计算公式为：筒体不镗削时，表面传热系数略低，计算公式为：计算时取流体的平均温度为定性温度；取管外径为特性尺度；计算时取流体的平均温度为定性温度；取管外径为特性尺度；Ref按壳体中按壳体中心线附近管间横流截面上的流速与折流板缺口处流速的几何平均值计算。心线附近管间横流截面上的流速与折流板缺口处流速的几何平均值计算。以上介绍的对流换

36、热计算式并以上介绍的对流换热计算式并不能涵盖所有，应根据具体对不能涵盖所有，应根据具体对象参阅必要的设计参考资料。象参阅必要的设计参考资料。1 流动压降流动压降6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算 (1) 干式壳管式蒸发器干式壳管式蒸发器在蒸发器中，被冷却介质的流动阻力直接影响制冷系统的运行工况，因而也影响在蒸发器中，被冷却介质的流动阻力直接影响制冷系统的运行工况，因而也影响着系统的经济性。下面对几种典型蒸发器涉及到的流动压降计算作简要介绍。着系统的经济性。下面对几种典型蒸发器涉及到的流动压降计算作简要介绍。管外液体载冷剂纵向混合流动，使用圆缺形管外液体载冷剂纵向混合流动，

37、使用圆缺形折流板时，纵向流速折流板时，纵向流速ub是折流板缺口中的流是折流板缺口中的流速，如图速，如图6-24所示。所示。管外液体载冷剂的管外液体载冷剂的纵向纵向流速流速ub图图6-24干式壳管式蒸发器壳侧的流通截面干式壳管式蒸发器壳侧的流通截面qv-体积流量，体积流量，m3s；Ab-折流板折流板的缺口面积，的缺口面积，m2。若折流板的缺口高度为若折流板的缺口高度为H，其，其中包含有中包含有nb根传热管根传热管(图中，图中，nb=5)，管外径为，管外径为do，则，则Kb-折流板缺口面积的折算系数折流板缺口面积的折算系数6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算管外液体载冷剂的管外

38、液体载冷剂的横向横向流速流速uc图图6-24干式壳管式蒸发器壳侧的流通截面干式壳管式蒸发器壳侧的流通截面qv-体积流量，体积流量，m3s；Ac-壳体直径附近的横向流通面积，壳体直径附近的横向流通面积，m2。横向流速横向流速uc为壳体中心线附近为壳体中心线附近的流速，即：的流速，即：nc为壳体直径附近的管数；为壳体直径附近的管数；L为折流板间距，为折流板间距，m。在蒸发器。在蒸发器两端，为了安装进、出口管而使折流板的间距较大，两端，为了安装进、出口管而使折流板的间距较大，L应取应取Li(图图6-24)的加权平均值。的加权平均值。6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算载冷剂压降载

39、冷剂压降载冷剂压降由四部分组成：载冷剂压降由四部分组成：流经进、出口管接头时的阻力流经进、出口管接头时的阻力，流经折流板缺口时流经折流板缺口时的阻力的阻力，与管子平行流动时的阻力与管子平行流动时的阻力以及以及横掠管束时的阻力横掠管束时的阻力。流经每块折流板缺口时的阻力：流经每块折流板缺口时的阻力：流体横掠管束时的阻力：流体横掠管束时的阻力：层流层流(Re100)时：时：f-阻力系数阻力系数s-管子的中心距管子的中心距湍流时：湍流时：其余两项阻力按一般的公式计算。其余两项阻力按一般的公式计算。6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算制冷剂压降制冷剂压降制冷剂在管内流动沸腾的压力降

40、包括制冷剂在管内流动沸腾的压力降包括沿程阻力沿程阻力pl及及局部阻力局部阻力pm，即：，即：f-沿程阻力系数；沿程阻力系数； l -传热管的长度，传热管的长度，m；di-管内径，管内径，m；ug为制冷剂饱和蒸气为制冷剂饱和蒸气的流速，的流速，ms；g-制冷剂饱和蒸气的密度，制冷剂饱和蒸气的密度，kgm3；R-两相流动阻力换算两相流动阻力换算系数，与制冷剂的种类及质量流速有关系数，与制冷剂的种类及质量流速有关. Reg-对应于单根管内平均流速的制冷对应于单根管内平均流速的制冷剂饱和蒸气雷诺数，特征尺度为管内径。剂饱和蒸气雷诺数，特征尺度为管内径。实验表明，沿程阻力约占总阻力的实验表明，沿程阻力约

41、占总阻力的2050，因而总阻力为：，因而总阻力为：6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算（2）表面式蒸发器空气流动压降表面式蒸发器空气流动压降空气横向流过整体翅片管式换热器时，流动压降可由下式计算：空气横向流过整体翅片管式换热器时，流动压降可由下式计算：qm,max-最小流通断面处空气的单位面积质量流量，最小流通断面处空气的单位面积质量流量，kg(m2s)；n-管排数；管排数；-以平均温度为定性温度的空气密度，以平均温度为定性温度的空气密度，kgm3；f-摩擦阻力系数，由下式计算：摩擦阻力系数，由下式计算：-空气的粘度，空气的粘度，Pa.s；do-光管外径，光管外径，m；s1

42、-管间距，管间距，m；s-肋片间距，肋片间距，m；de-当量直径，按下式计算：当量直径，按下式计算：Ao、Af分别为单位长度光管面积及单位管长的肋片面积，分别为单位长度光管面积及单位管长的肋片面积，m2；nf-单位管长的肋单位管长的肋片数。片数。6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算2. 蒸发器设计的一般原则蒸发器设计的一般原则设计满液式蒸发器时，先设计满液式蒸发器时，先给定制冷剂种类，压缩机型式、压缩机的额定运行工况给定制冷剂种类，压缩机型式、压缩机的额定运行工况，并按这些给定的条件确定蒸发器的并按这些给定的条件确定蒸发器的传热面积和结构传热面积和结构。几个主要参数的选择：

43、几个主要参数的选择： 1)结构型式：结构型式：满液式蒸发器中，制冷剂液体由底面或侧面进入，产生的蒸气满液式蒸发器中，制冷剂液体由底面或侧面进入，产生的蒸气从上部引出。为了使蒸气中的液滴分离出来，小型蒸发器常在壳体上部焊接一从上部引出。为了使蒸气中的液滴分离出来，小型蒸发器常在壳体上部焊接一个气包，大型蒸发器则在上部留出一定的分离空间或装有分离挡板等液滴分离个气包，大型蒸发器则在上部留出一定的分离空间或装有分离挡板等液滴分离装置。蒸发器运转时应有装置。蒸发器运转时应有13排管子露在液面以上，以防止液滴带出。这几排排管子露在液面以上，以防止液滴带出。这几排管子会被蒸气带上来的液体润湿，仍能起传热管

44、的作用。在氨蒸发器中一般采管子会被蒸气带上来的液体润湿，仍能起传热管的作用。在氨蒸发器中一般采用钢管，在氟利昂蒸发器中常采用低螺纹铜管。用钢管，在氟利昂蒸发器中常采用低螺纹铜管。 2)盐水或水流速度的选择：盐水或水流速度的选择：氨蒸发器常用于冷却盐水，由于盐水对钢管的腐蚀性氨蒸发器常用于冷却盐水，由于盐水对钢管的腐蚀性较大，故选用较低的流速，约较大，故选用较低的流速，约0.51.5 ms。氟利昂蒸发器用于冷却淡水，蒸发管采。氟利昂蒸发器用于冷却淡水，蒸发管采用低螺纹管或锯齿形柱片管，水在管内的流速约为用低螺纹管或锯齿形柱片管，水在管内的流速约为2.02.5 ms。 3)水在蒸发器内的温降：水在

45、蒸发器内的温降：水在蒸发器内的温降一般在水在蒸发器内的温降一般在45之间。温降过大会使之间。温降过大会使水与制冷剂之间的传热温差减小，传热面积增大。温降过小会使水流量增大，水泵水与制冷剂之间的传热温差减小，传热面积增大。温降过小会使水流量增大，水泵耗功增加。耗功增加。 (1)满液式蒸发器满液式蒸发器6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算2. 蒸发器设计的一般原则蒸发器设计的一般原则 (2)干式壳管式蒸发器干式壳管式蒸发器设计时应给定额定工况下的制冷量，然后根据以下原则选择主要参数。设计时应给定额定工况下的制冷量，然后根据以下原则选择主要参数。 1)制冷剂质量流速的选择：制冷剂

46、质量流速的选择：质量流速愈大，制冷剂在管内蒸发时的换热系数愈高，质量流速愈大，制冷剂在管内蒸发时的换热系数愈高，因而传热性能提高，但制冷剂在管内的阻力也增加，这将使制冷剂的进出口的温差因而传热性能提高，但制冷剂在管内的阻力也增加，这将使制冷剂的进出口的温差增大。在制冷剂出口温度不变的前提下，制冷剂入口温度的提高将使制冷剂与载冷增大。在制冷剂出口温度不变的前提下，制冷剂入口温度的提高将使制冷剂与载冷剂之间的对数平均温差减小。因此，剂之间的对数平均温差减小。因此，存在一个最佳质量流速存在一个最佳质量流速，此时单位面积的热流，此时单位面积的热流量为最大值。因为最佳质量流速与管子的规格及流程数等因素有

47、关，故最佳设计方量为最大值。因为最佳质量流速与管子的规格及流程数等因素有关，故最佳设计方案要通过多次计算和比较才能确定。案要通过多次计算和比较才能确定。考虑管内沸腾的压降后考虑管内沸腾的压降后，顺流布置的平均温差，顺流布置的平均温差大于逆流的平均温差，因此应尽可能使蒸发管的布置为顺流。大于逆流的平均温差，因此应尽可能使蒸发管的布置为顺流。 2)流程数的选择：流程数的选择：流程数的选择与管型有关。采用内肋管时，一般都选二流程的流程数的选择与管型有关。采用内肋管时，一般都选二流程的U型管结构，可以防止制冷剂转向时产生的气液分离现象。采用光管时，可选择四型管结构，可以防止制冷剂转向时产生的气液分离现

48、象。采用光管时，可选择四流程或六流程。流程或六流程。 3)载冷剂降温的选择：载冷剂降温的选择：在氟利昂水冷却器中，水侧的温降一般为在氟利昂水冷却器中，水侧的温降一般为46。 4)载冷剂侧折流板数的选择载冷剂侧折流板数的选择：为了保证载冷剂横向流过管束时有一定的流速：为了保证载冷剂横向流过管束时有一定的流速(0.51.0 ms)，必须沿筒体轴向布置一定数量的折流板。折流板数应根据载冷剂横，必须沿筒体轴向布置一定数量的折流板。折流板数应根据载冷剂横向流过管束时的平均流速决定。圆缺形折流板的缺口尺寸对管外侧载冷剂的换热效向流过管束时的平均流速决定。圆缺形折流板的缺口尺寸对管外侧载冷剂的换热效果影响很

49、大，缺口愈小传热效果愈好，但相应的阻力愈大，因此选择缺口尺寸时应果影响很大，缺口愈小传热效果愈好，但相应的阻力愈大，因此选择缺口尺寸时应作全面的考虑。作全面的考虑。6.2.3 6.2.3 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算2. 蒸发器设计的一般原则蒸发器设计的一般原则 (3)表面式蒸发器主要参数的选择表面式蒸发器主要参数的选择已知冷却器所处理的已知冷却器所处理的空气量、空气进出口参数空气量、空气进出口参数后，需要选取的主要参数有：后，需要选取的主要参数有： 1)结构参数：结构参数：管直径为管直径为1020 mm；肋化系数为；肋化系数为1015；肋片高度为；肋片高度为1012 mm；肋片厚度为；肋

50、片厚度为0.1050.4 mm；肋片间距为；肋片间距为1.84 mm，如结霜则可达，如结霜则可达68 mm；肋管排数一般取；肋管排数一般取4或或6排；每一回路的肋管长度不超过排；每一回路的肋管长度不超过12 m。 2)用于空气调节的冷却器：用于空气调节的冷却器：常采用正三角形排列的管束，制冷剂为氨时用常采用正三角形排列的管束，制冷剂为氨时用钢管钢肋片，制冷剂为氟利昂时用铜管，翅片为铝翅片。钢管钢肋片，制冷剂为氟利昂时用铜管，翅片为铝翅片。 3)空气流速：空气流速：流速较大时可提高换热系数，但空气阻力也增加，并产生空流速较大时可提高换热系数，但空气阻力也增加，并产生空气带水的现象。一般迎面风速取

51、气带水的现象。一般迎面风速取1.53ms，空气流经最窄截面的流速取，空气流经最窄截面的流速取36 ms。 3.蒸发器传热计算实例蒸发器传热计算实例参见教材参见教材p258-2706.3 6.3 冷凝器冷凝器功能：功能：冷凝器是制冷机中的主要热交换设备之一。高压过热制冷剂蒸气在冷凝器冷凝器是制冷机中的主要热交换设备之一。高压过热制冷剂蒸气在冷凝器中放出热量后，凝结成饱和液体或进一步被冷却为过冷液体。中放出热量后，凝结成饱和液体或进一步被冷却为过冷液体。凝结换热过程的热阻主要为凝结液膜的导热，因而使凝结液及时排除或液膜尽量凝结换热过程的热阻主要为凝结液膜的导热，因而使凝结液及时排除或液膜尽量变薄是

52、强化凝结换热的主要出发点。当凝结换热热阻大于或相当于冷却介质对流变薄是强化凝结换热的主要出发点。当凝结换热热阻大于或相当于冷却介质对流换热热阻时，有必要考虑强化制冷剂蒸气的凝结换热，氟利昂水冷式冷凝器即属换热热阻时，有必要考虑强化制冷剂蒸气的凝结换热，氟利昂水冷式冷凝器即属于此种情况。于此种情况。空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器水冷式冷凝器水冷式冷凝器蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器淋激式冷凝器淋激式冷凝器分类：分类：（按冷却方式分）（按冷却方式分）过过热热蒸蒸汽汽饱饱和和蒸蒸汽汽饱饱和和液液体体过过冷冷液液体体6.3.1 6.3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构1.空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器空气冷

53、却式冷凝器迄今仅用于氟利昂制冷机，多用于电冰箱、空气冷却式冷凝器迄今仅用于氟利昂制冷机，多用于电冰箱、冷藏柜、小型空调机组、汽车及铁路车辆用空调装置、冷藏冷藏柜、小型空调机组、汽车及铁路车辆用空调装置、冷藏运输式制冷装置等。随着分布式供冷供热系统的发展，空气运输式制冷装置等。随着分布式供冷供热系统的发展，空气冷却式冷凝器呈现向大负荷发展的态势。空气冷却式冷凝器冷却式冷凝器呈现向大负荷发展的态势。空气冷却式冷凝器多为蛇管式结构，制冷剂在管内流动凝结，空气在管外流动，多为蛇管式结构，制冷剂在管内流动凝结，空气在管外流动，制冷剂放出的热量被空气带走。制冷剂放出的热量被空气带走。自然通风自然通风空气冷

54、却式冷凝器空气冷却式冷凝器强制通风强制通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器类型：类型：6.3.1 6.3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构（1）自然通风自然通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂放出的热依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂放出的热量带走。其传热效果低于强制通风空气冷却式冷凝器，量带走。其传热效果低于强制通风空气冷却式冷凝器，但由于不用风机，节省了风机电耗，还避免了风机运但由于不用风机，节省了风机电耗，还避免了风机运转时的噪声，因而常用于电冰箱等小型制冷装置。转时的噪声，因而常用于电冰箱等小型制冷装置。丝管式冷凝器：丝管式冷凝器：丝管式冷凝器有一

55、根蛇形管，通常采丝管式冷凝器有一根蛇形管，通常采用外径为用外径为4.5-6 mm的的邦迪管（邦迪管（BundyPipe，钢带，钢带/铜箔铜箔双层卷焊，外表镀锌双层卷焊，外表镀锌(铝铝)合金，再涂合金，再涂PVF），），蛇形管蛇形管两侧两侧点焊外径为点焊外径为1.2-1.5 mm的镀铜钢丝。钢丝的间距的镀铜钢丝。钢丝的间距为为5-7 mm。蛇形管上、下两相邻管的中心距为。蛇形管上、下两相邻管的中心距为35-50 mm。 箱体表面式冷凝器：箱体表面式冷凝器：将水平管组胶合在冰箱箱体后面将水平管组胶合在冰箱箱体后面板上，冷凝时放出的热量通过管壁传给面板，再由面板上，冷凝时放出的热量通过管壁传给面板，

56、再由面板向空气散发。箱体表面式冷凝器的优点是箱体外无板向空气散发。箱体表面式冷凝器的优点是箱体外无突出的冷凝器，外表光洁平整，但其散热能力不如丝突出的冷凝器，外表光洁平整，但其散热能力不如丝管式冷凝器。管式冷凝器。由于空气自然对流换热强度不大，设计自然通风空气由于空气自然对流换热强度不大，设计自然通风空气冷却式冷凝器时不能忽视冷凝器表面的冷却式冷凝器时不能忽视冷凝器表面的辐射换热辐射换热。图图6-26 丝管丝管式冷凝器式冷凝器箱体表面箱体表面式冷凝器式冷凝器6.3.1 6.3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构（2）强制通风）强制通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器由一组或几组蛇形管组成，制冷剂蒸气

57、由一组或几组蛇形管组成，制冷剂蒸气进入蛇形管内自上而下流动，冷凝液体进入蛇形管内自上而下流动，冷凝液体从底部排出。也有制冷剂蒸气沿蛇形管从底部排出。也有制冷剂蒸气沿蛇形管上下往返几次，最后从底部排出的。图上下往返几次，最后从底部排出的。图6-27中制冷剂蒸气从上部的分配集管进中制冷剂蒸气从上部的分配集管进入蛇形管中，冷凝的液体沿管子流下，入蛇形管中，冷凝的液体沿管子流下，汇集于下面的集液管中。管外设有套片汇集于下面的集液管中。管外设有套片式肋片，以提高空气侧的传热效果。肋式肋片，以提高空气侧的传热效果。肋片厚约片厚约0.2 mm，片距在，片距在24 mm之间。之间。肋片立孔翻边，用涨管法扩张管

58、径，使肋片立孔翻边，用涨管法扩张管径，使之与肋片紧密接触，以减小接触热阻。之与肋片紧密接触，以减小接触热阻。强制通风常用轴流式风机。强制通风常用轴流式风机。压缩冷凝机组：压缩冷凝机组：将小型冷凝器与将小型冷凝器与压缩机、压缩机、储液器、风机及电动机储液器、风机及电动机装在同一底板上。装在同一底板上。小型冷凝机组可以安装在室内靠近蒸发小型冷凝机组可以安装在室内靠近蒸发器的地方，例如安装在小型冷库的顶部。器的地方，例如安装在小型冷库的顶部。大一些的冷凝器需远置安装，以保证有大一些的冷凝器需远置安装，以保证有充分的空气进行冷却，例如安装在屋顶充分的空气进行冷却，例如安装在屋顶上。上。6.3.1 6.

59、3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构（2）强制通风）强制通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器直片型风冷冷凝器直片型风冷冷凝器L型风冷冷凝器型风冷冷凝器6.3.1 6.3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构（2）强制通风）强制通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器U型风冷冷凝器型风冷冷凝器V型风冷冷凝器型风冷冷凝器6.3.1 6.3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构（2）强制通风）强制通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器在汽车空调系统中，广泛采用全铝制冷在汽车空调系统中，广泛采用全铝制冷凝器，有凝器，有管带式冷凝器管带式冷凝器和和平行流式冷凝平行流式冷凝器器两种。两种。管带式冷凝器：管带式冷凝器：这种冷凝器将铝

60、制扁椭这种冷凝器将铝制扁椭圆管弯成蛇形，铝翅片弯成波形圆管弯成蛇形，铝翅片弯成波形(或锯或锯齿形齿形)后后钎焊钎焊而成，如图而成，如图6-28。图图6-28 管带式冷凝器管带式冷凝器多孔扁管多孔扁管6.3.1 6.3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构（2）强制通风）强制通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器平行流式风冷冷凝器结构平行流式风冷冷凝器结构制冷剂流向进气出液9孔口琴管孔口琴管6.3.1 6.3.1 冷凝器的结构冷凝器的结构（2）强制通风）强制通风空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器平行流式风冷冷凝器结构平行流式风冷冷凝器结构9管管7管管6管管4管管集流管集流管集流管集流管进气进气出液出液隔片隔