第五章 制冷机的热.ppt

1、第五章 制冷机的热交换设备,本章主要介绍制冷机中的主要换热设备蒸发器和冷凝器的分类、结构、换热方式及换热系数的计算式,5-1热交换设备中的传热过程,一. 换热器的基本传热计算 凡是两物体间有温度差，彼此就会发生热量的传递。换热器的主要任务是两种或两种以上的流体在其中进行热交换。 两流体之间进行热交换，其换热的基本方式：导热、对流、辐射。 导热：物体各部分直接接触而发生的热量传递。,式中 -导热系数；-管壁厚度；F-传热面积；/-导热热阻；t-传热温差。,对流：指流体各部分发生位移而引起与它接触的固体壁之间的热量转移。 式中 -对流放热系数。 辐射：是靠电磁波来传递热量的。 在工程上的实际换热现

2、象，往往是导热、对流、辐射同时起作用。在一般的制冷工程设计中，因两流体的温差较小，辐射传递的热量比较小，一般可忽略不计，只考虑导热和对流。 制冷系统中的热交换器的传热方式：沸腾、冷凝、强制对流、自然对流、导热等。 制冷系统中需要交换热量的两种流体分别处于固体壁面的两侧。这种换热器称为表面式换热器。,二. 传热的基本方程式,1通过平壁的传热 冷热两种流体通过金属表面进行热交换，设热、冷流体的温度为 t1、t2，金属表面的厚度为，金属壁面的导热系数为，在金属两侧壁面的温度分别为t1和t2，热流体与金属壁面之间的放热系数1，冷流体侧放热系数2。,（1）单位时间内通过面积F的传热量 （5-1） （5-

3、2） （5-3） 将以上三式相加，得： （5-4）,kW （5-5） 令 w/m2k K-传热系数。 （5-6）,（2）单位面积的传热量热流密度 w/k （3）传热系数K K的物理意义： 传热系数在数值上等于温差为1，面积为1 的传热率。 1/K称为传热热阻。,如果壁面上附有油垢或水垢，其厚度为2、3，则 （5-7）,2通过圆管传热,设圆管长 ，内、外径分别为 、 ，相应的半径为 和 ，管壁材料的导热系数，管内侧流体的换热系数为 ，管外侧流体的换热系数为 ，管子内、外侧流体的温度分别为 和 。,（1）单位时间传热量Q 因圆管内、外表面积不相等，所以传热系数有内、外之分，即 、 。 以外表面积

4、为基准： kW (5-8),（2）单位长度的传热密度 w/m （5-9） （5-10） （3）传热系数 通过圆筒壁的导热：看成厚度为 ，表面积为 的平壁。 将上式由 到 积分后得到： (1),、 分别是内、外壁面的温度。 内侧对流： （2） 外侧对流： （3） 整理上面三式： （5-11）,（5-12） 传热系数 （5-13） （5-14）,如果 时，工程计算中可简化为 （5-15） 或 （5-16）,如果考虑污垢热阻 （5-17） 或 （5-18） 其中表示内表面的污垢系数，表示外表面的污垢系数。,（4）热流密度 当 、 已知时，才能求出 、 及 ，而 ，因此 和 不能直接求取，用迭代法或图

5、解法求取。 （5-19） （5-20） 式中 是以外表面为基准的热流密度； 是管外流体温度 与管外污垢层外表面温度 的对数平均温差； 是 与管内流体温度的对数平均温差。,用迭代法解这一组方程式，即可求得 和 ，进而求出传热系数的数值。 图解法求解：以 为纵坐标，温度t为横坐标。根据管外流体温度 和管内、外流体间的总对数平均温差 确定点a和点b，从点a和点b出发，分别画出代表公式（5-19）和公式（5-20）的曲线。曲线的交点即为要求的 和 。,3通过肋壁传热,根据 ，传热量Q不仅与传热系数K有关，而且还与传热面积F有关。提高K可使Q增大，而提高流体流速可使K增大，但流动阻力也将提高。因此，通过

6、提高流速来增加传热系数K是有限的。同样提高传热面积F也可以使Q增加。工程上利用表面肋化来扩大传热面积。 当管子内、外侧的放热系数相差悬殊时，在对流换热系数较小的一侧加肋片，以强化传热。,肋片的总面积为 。包括肋根部的面积 和肋的外表面积 。通过肋片管外表面积的换热量等于肋片的换热量与肋基管无肋片处表面积上换热量之和。 即：,（5-21）,5-2 蒸发器,一. 蒸发器的分类 1. 根据被冷却介质的种类进行分类： （1）冷却液体载冷剂的蒸发器 （液体冷却器） 这类蒸发器有：壳管式、立管式、螺旋管式和蛇管式等多种型式。 （2）冷却空气的蒸发器 分为空气自然对流-冷却排管（墙排管和顶排管） 空气强制对

7、流-利用风机使空气循环，称为冷风机或空气冷却器。 （3）冷却固体物的接触式蒸发器 例：冰淇淋机，块冰机，平板冻结器等的蒸发器。,二. 按供液方式的不同分类 （1）再循环式蒸发器 高压液体经节流阀后首先进入气液分离器中，在其中分离蒸气后，将液体送入蒸发器中。 优点：可使传热面尽量与液体制冷机相接触，热交换效果好。 缺点：充灌量过大，润滑油难于返回压缩机。 （2）干式蒸发器（非满液式蒸发器） 从膨胀阀直接向蒸发器供液。节流后，一部分液体变成气体，这部分闪发气体也进入蒸发器中。优点：充灌量小；缺点：传热效果较差。,（3）满液式蒸发器 优点：结构简单，制造方便，传热性能好； 缺点：制冷剂充灌量大，有静

8、液高度影响，使蒸发温度提高，对于溶油的制冷剂，油难排出。 （4）淋激式蒸发器 优点：减小制冷剂充灌量，可以消除静液高度的影响； 缺点：设备费用高。,二.干式蒸发器,制冷剂在管内一次完全气化的蒸发器称为干式蒸发器。 干式蒸发器属于非满液式。干式蒸发器可以分成冷却液体型和冷却空气型。 1冷却液体型干式蒸发器 制冷剂在管内流动，而载冷剂在管束外的空间内流动，筒体内装有若干块隔板（折流板），以增加载冷剂横掠管束的流速。折流板的个数取决于载冷剂的流速。 制冷的液体从下部进入，蒸发后的制冷剂气体从上部排出。只要保证管内的流速大于一定值（4m/s），就可以保证润滑油顺利地返回压缩机中。,传热管有两种形式：

9、（1）用直的光管或具有纵向肋片的内翅片管。 这种型式的蒸发器的不足之处在于：制冷剂在管内分配不均匀。因为制冷剂经节流后，实际上为气液混合状态，由于液体的比重较蒸气大得多，因此进入底部几排管子的制冷剂的含液量多，而进入上面几排管子的含气量多，形成气液分离现象。 （2）采用U形管作为传热管。 为了弥补干式蒸发器中采用直管的不足，传热管采用U形管。 这种类型的蒸发器，在载冷剂侧泄漏比较严重。泄漏主要发生在折流板外周与壳体之间，以及折流板的管孔与管子之间。泄漏会使载冷剂侧的放热系数减小。,2冷却空气型干式蒸发器,这种类型的蒸发器，其传热管可以是光管及肋片管。空气的流动分为自然对流与强制对流。 空气自然

10、对流的蒸发器称为冷却排管，安装在冷库的顶部和墙壁上，来直接冷却库内的空气。 冷却排管的缺点：（1）由于被冷却的空气是自然对流，其放热系数很低，所以冷却排管整体的传热系数很小；（2）为满足一定的制冷量，所需的传热面积很大，管材的消耗量大；（3）冷却排管中制冷剂的充灌量很大，同时由于液柱的影响使传热温差相应减小；（4）融霜操作烦复，不利于自动化操作。,由于排管的传热系数很低，为了强化传热，冷库多采用空气强制对流的蒸发器。 直接蒸发式空气冷却器或称作冷风机。在这种蒸发器中，制冷剂在管内蒸发，空气在风机作用下从管外流过。肋片为套片或绕片。蒸发器的传热系数与空气流速、肋片结构及管子的排列有关。 优点：（

11、1）结构紧凑，占地面积小；（2）降温速度快；（3）管理方便，易于实现运行过程的自动化。,由于蒸发管组在低温下冷却空气时，水分有可能在肋片和管子上冻结成霜，影响空气的流通。因此低温下使用的蒸发器应采用较大的片距，通常取612mm。当蒸发器用于空气调节或蒸发温度在水的凝固点以上时，肋片和管子上不会结霜，此时可用较小的片距，一般为24mm，最小可取1.6mm。 自然对流的蒸发器，为减少空气流经管组时的流动阻力，片距通常比强制对流型大。,与满液式蒸发器相比，干式蒸发器有一系列的优点：（1）充灌量小，系统中不需要储液器或只要小的储液器，从而使整台机器的重量和体积减小；（2）便于把蒸发器中的润滑油排回压缩

12、机；（3）由于载冷剂在管外流动，故冷量损失较小，且可以减缓冻结的危险。缺点：受管内制冷剂的润湿程度的影响，干式蒸发器的传热系数较低。 带折流板的干式蒸发器还有下列缺点：（1）折流板与壳体之间以及折流板与管子之间存在间隙，易使制冷剂发生泄漏，影响传热效果。（2）当出口蒸发温度不变时，入口蒸发温度由于流动阻力的存在而增高，因而使传热温差减小。（3）折流板的结构及装配工艺比满液式蒸发器复杂，管外只能用化学方法清洗。,直接蒸发式空气冷却器由4排、6排或8排肋片管组成，管材一般采用直径为1016mm的铜管，外套整体铝片。如图示。分液器与毛细管是保证液态制冷剂能够均匀地分配给各路肋片管的主要部件。由于来自

13、膨胀阀的制冷剂是湿蒸气，当安装不当时，会导致某些肋片管通过的气态制冷剂过多，液态制冷剂过少，这种不均匀性会影响传热效果。分液器的作用就是解决分液不均匀。 采用分液器的目的：将有膨胀阀来的气液混合物均匀混合后再输送到各个管路中。 分液器的结构有：（1）离心式分液器；（2）碰撞式分液器；（3）降压式分液器；（4）文氏管型分液器。,三. 满液式蒸发器,满液式蒸发器结构紧凑，传热效果好，易于安装，使用方便。这种满液式蒸发器，传热表面基本上与液态制冷剂相接触，也可以有13排管子露在液面以上，也可以使制冷剂蒸气中夹带的液体进一步气化。 在氨满液式蒸发器中，氨液通过浮球阀后由壳体下部进入蒸发器。在正常情况下

14、壳体与管子间都充满氨液，故称为满液式。但充液面不宜过高，应有13排管子露出液面，以防制冷剂液体被吸入压缩机中。在蒸发器中产生的氨蒸气进入顶部气室中，将其中挟带的液滴分离后，由气室上部被抽入压缩机中。,氨卧式蒸发器的壳体底部都焊有一个集油器，氨液中的润滑油可以从放油管放出。为了指示壳体内氨的液位，在气室和壳体间焊有一钢管，根据钢管外表面结霜的高度即可判断液面位置。氨卧式蒸发器的传热管为无缝钢管，壳体的长径比一般为48之间。 氟里昂卧式蒸发器的构造与氨蒸发器相似，但传热管一般多采用低螺纹铜管。另外，由于氟里昂与润滑油间能相互溶解，因而壳体底部不设集油器。 氟里昂蒸发器中的充液量应少于氨，这是由于润

15、滑油溶解在氟里昂液体中，当氟里昂蒸发时就会产生起泡现象，使液面上升。为了保证吸入压缩机的氟里昂蒸气有一定的过热度，有的令载冷剂从蒸发器上部的管子进入。为了减少氟里昂蒸气逸出时带出的液滴，在管簇上部还装有挡液板。,立管式冷水箱型蒸发器也是满液式蒸发器。 这种蒸发器只用于氨制冷机。蒸发器的每一个管组上都装有上、下两个水平集管。沿集管的轴向焊有直径较小、两端略弯的主管，中间焊接一个直径稍大的直立管，管中插有中间进液管，如图9-19所示。 立管式冷水箱型蒸发器的主要缺点是：立管与上、下集管的焊点较多。螺纹管式冷水箱型蒸发器克服了这一缺点。在这种蒸发器中，用螺纹管代替立管。为了充分利用螺纹管中的空间，采

16、用内、外两组螺纹管。这种结构使上、下集管的焊点减少。,满液式蒸发器的缺点：（1）当载冷剂为淡水时，如壳体内蒸发温度由于负荷变化而降低到0以下时，管内的水可能结冰，致使传热管涨裂；（2）当蒸发压力较低时，液体在壳体内的静液柱使底部温度升高，传热温差减小；（3）对于与润滑油互溶的制冷剂，如使用满液式蒸发器，则难于回油；（4）制冷剂的充灌量较大；（5）用于船舰上时，由于液面摇摆容易造成冲缸事故。 为了克服上述缺点，有时将制冷剂从蒸发器底部抽出，用泵输送到壳体的顶部后喷淋下来。这种蒸发器又称为淋激式蒸发器，它也可以看作是一种用泵输送的再循环式蒸发器，只是氟里昂在蒸发管的管外流动。 采用淋激式蒸发器后，

17、壳体中的液位可以很低，消除了因为高液位造成的液体上、下部温度的不均匀，并减少了制冷剂的充灌量，但增加了泵和管系。,四.再循环式蒸发器,再循环式蒸发器中制冷剂需经几次循环才能完全气化。由蒸发管出来的两相混合物进入分离器，分离出蒸气和液体。蒸气被吸入压缩机内，液体再次进入蒸发管中蒸发。 在再循环式蒸发器的管子中，液体所占的体积约为管内总容积的50%，因而管子内表面得到良好的润湿。 对于重力型再循环式蒸发器，其气液分离器应设置在顶部。如果液体用泵循环，就不一定这样布置，此时最好将气液分离器安装在压缩机附近，这样管路损失可以小一些。如图9-15所示。在图9-15所示的回路中，气液分离器有水平的和垂直的

18、两种。不管采用哪一种型式的气液分离器，都必须保证泵入口处的液柱高度，同时要有充分的空间进行气液分离。制冷剂在气液分离器内的流速应低于0.5m/s。 与干式蒸发器相比，再循环式蒸发器的主要优点是：蒸发管子的内壁完全湿润，因而有高的换热系数。其主要缺点是：体积大，需要的制冷剂多。在用泵输送液体的再循环式蒸发器中，有密封泵等设备。,5-3 冷凝器,一. 冷凝器的种类 按冷却介质的种类分类： 1水冷式冷凝器 用水作为冷却介质的冷凝器称为水冷式冷凝器。 立式壳管式冷凝器、卧式壳管式冷凝器、套管式冷凝器、螺旋板式冷凝器、壳盘管式冷凝器等。 2空气冷却式冷凝器 用空气作为冷却介质的冷凝器。制冷剂在管内冷凝，

19、空气在管外流动。空气侧采用风机，使空气受迫流动的称为强制通风空气冷却式冷凝器。不用风机的称自然对流空气冷却式冷凝器。 3.淋激式和蒸发式冷凝器 冷却介质同时用空气和水的冷凝器。制冷剂在管内冷凝，管外同时受到水和空气的冷却。,二.空气冷却式冷凝器,空气冷却式冷凝器完全不需要冷却水，而是利用空气使气态制冷剂冷凝。 空气冷却式冷凝器用于电冰箱、冷藏柜、小型空调器等。空气冷却式冷凝器多为蛇形管式结构。制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动。制冷剂放出的热量被空气带走。根据空气的流动情况可以分为自然对流冷却和强制对流冷却。 为了增强空气侧的放热系数，必须将管子外表面进行肋化。由铜管制成蛇形管所组成的。管子的排

20、列型式为错排。盘管上缠绕或套有肋片。空气流动利用风机作强迫流动，通过管壁与冷却空气进行热交换，液体由下部导出。 空气冷却式冷凝器一般适用于冷凝压力较低的制冷剂，如R-22。一般用于小型氟里昂机组中。,1自然对流空气冷却式冷凝器,自然对流空气冷却式冷凝器依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂放出的热量带走。这种冷凝器的传热效果低于强制流动空气冷却式冷凝器。因而通常仅用于家用电冰箱和小型制冷装置。由于不用风机，节省了风机的耗电量，还避免了风机运转时的噪声。这种冷凝器的传热系数低。 图9-20为丝管式自然对流空气冷却式冷凝器，丝管式冷凝器有一根蛇形管，通常采用外径为4.56mm的邦迪管。蛇形管的两侧

21、焊接外径为1.21.5mm的镀铜钢丝。钢丝的间距为57mm。蛇形管上、下两相邻管的中心距为3550mm。,图9-21是箱体表面式冷凝器。这种冷凝器是将水平管组胶合在冰箱箱体后面的板上形成的。冷凝时放出的热量通过管壁传给板，再由板向空气散发。 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管式冷凝器。,2强制通风空气冷却式冷凝器 强制通风空气冷却式冷凝器由一组或几组蛇形管组成。制冷剂蒸气进入蛇形管后自上而下地流动，冷凝后的液体从底部排出。也有制冷剂蒸气沿蛇形管上下往返几次，最后从底部排出。图2-22为空气冷却式冷凝器的一种结构形式。 强制通风用的风机常用轴流式风机

22、。小型冷凝器常与压缩机、贮液器和电机装在同一底板上，风扇用电机驱动，这样就构成了压缩冷凝机组。小的冷凝机组可以安装在室外靠近蒸发器的地方。例如：安装在小型冷库的顶部。大一些的冷凝器需远置安装，以保证有充分的空气进行冷却。例如：安装在建筑物的屋顶上。,三. 水冷式冷凝器,1立式壳管式冷凝器 立式壳管式冷凝器的结构如图9-25所示。外壳是由钢板卷焊成的圆筒，筒体的两端焊有管板，板间焊接或胀接有许多根无缝钢管。冷却水从上部通入管内，吸热后排入下部的水池中。为了使水能均匀地配给每根钢管，冷凝器顶部装有配水箱。,冷却水从水箱中通过分配口均匀地把水分配到各个管口。在每一根无缝钢管的口上，设有一个带斜槽的导

23、流管嘴，使水沿管子内壁成螺旋线状流动。这样水在管内壁能很好地形成一层水膜。（1）可延长冷却水的热交换时间；（2）可提高冷却效率；（3）可节省水量。进入水池的水可以通过水泵输送到冷却水塔中，经冷却后再循环使用。 制冷剂蒸气从壳体的上部进入管间，凝结后的液体从下部导出。 冷凝器外壳还设有液面指示器、放空气阀、安全阀、平衡管（均压管）、放油阀、压力表接头等。,由于系统内存在有不凝性气体和空气，在冷凝器中制冷剂的蒸气被凝结下来，而不凝性气体和空气则聚集在冷凝器的上部，占据了一定的传热面积，影响冷凝器的传热效果。也会使冷凝压力升高。因此应定期地从冷凝器中将这些不凝性气体排放出去。通过放空气管与放空气器相

24、连接。 均压管（气体平衡管）是冷凝器与贮液器上部相连接的管子，以利液体能顺利地流入贮液器中。 立式壳管式冷凝器的优点：垂直安装，占地面积小，可露天安装，节省机房面积；水质要求较低，清除水垢方便。缺点：耗水量大，笨重，搬运不方便，制冷剂泄漏时不易发现。,2卧式壳管式冷凝器,筒体内装传热管（氨制冷剂为钢管通常为2532mm、氟为铜管），壳体两端焊有管板，将传热管组用胀管或焊接固定在管板上，两端有用铸铁铸造的端盖。盖内有带有分水筋。把全部管束分隔成几个管组（也称为几个流程）,水的流速约为12m/s。冷却水从一端封盖的宣布进入后，将顺序通过每个管组，最后从同一侧封盖的上部流出。这样可以提高管内冷却水的

25、流动速度，增加冷却水侧的吸热系数。同时，由于冷却水的行程较长，冷却水进出口的温差也可有较大的提高。因此可使冷却水用量较少。,制冷剂蒸气从上部进入管间间隙，凝结后由底部排出。氨卧式壳管式冷凝器的最底部还设有集油包。 壳体的上部设有安全阀、平衡管、放空气管、压力表接头，侧盖上还设有放空气和水的旋塞。运行时打开上部的放空气旋塞，排放出水中的空气，使管内充满冷却水。停止运转或修理时，打开下部的旋塞，放出冷凝器内部的水。 卧式壳管式冷凝器的优点：传热系数较高，冷却水耗量少，结构紧凑；缺点：对冷却水的水质要求较高。清除水垢时不方便。 如采用氟里昂制冷剂，由于氟里昂侧的放热系数低，所以在铜管外表面进行肋化，

26、采用滚压翅片管或绕片管，同时在冷凝器的底部没有放油管。 另外冷凝器中还设有低熔点合金的易熔塞。当严重缺水或其它原因停止供水时，冷凝器中的冷凝压力骤增，冷凝温度也上升，当冷凝器中的温度高于70时，则合金熔化，放出制冷剂，防止发生爆炸的危险。,3套管式冷凝器,用于制冷量小于25KW的小型氟里昂机组中。 套管式冷凝器由两根或几根大小不同的管子组成。大管子内套小管子，小管子可以是一根或数根。如图9-27所示，为用两种不同直径的无缝钢管套在一起盘成长圆形的套管式冷凝器。冷却水在中间管内流动，下进上出。工质在管间内凝结，上进下出，进行逆流式换热，传热效果好。 在套管式冷凝器中，制冷剂同时受到冷水及管外空气

27、的冷却，因而它的传热效果好。 套管式冷凝器用于氟里昂机组时，内管常用滚压肋片管。这种结构常用在水冷却式空调柜中。氨制冷机中套管式热交换器主要用作过冷器。 优点：结构简单，制造方便，冷凝效果好，可套在压缩机外面，节省制冷机组的占地面积；缺点：单位面积的金属耗量大，清洗水垢困难，对水质要求高。,4. 壳-盘管式冷凝器,壳-盘管式冷凝器是由一根或几根盘管装在一个壳体内构成的。壳-盘管式冷凝器的结构如图9-28所示。 冷凝器管内通水，管外是制冷剂。制冷剂蒸气从顶部进入壳体后在管外冷却并凝结，冷凝后的液体汇集在壳体底部后引出。用壳-盘管式冷凝器时，不可在系统中充灌过多的制冷剂，否则太多的制冷剂回减少有效

28、的传热面积。壳-盘管式冷凝器结构简单，适用于小型的制冷装置，主要用在氟里昂机组中，因为氟里昂系统中盘管的材料为铜，容易加工。但壳-盘管式冷凝器无法机械清洗，应当使用符合水质要求的水，并定期进行化学清洗。,5. 螺旋板式冷凝器,螺旋板式冷凝器由两个螺旋体加上顶盖和连接管构成。两个螺旋体形成两条螺旋形通道，如图9-29所示。 两种介质在螺旋形通道内逆向流动，一种介质由螺旋中心流入，从周边流出；另一种介质由周边流入，从中心流出。 螺旋板式冷凝器周边处的管接头应切向连接。为了增加螺旋板的刚度，在通道内每隔一定的距离便设有支撑。当冷凝器承受的压力较高时，应在其外围焊接加强筋。与壳管式冷凝器比较，螺旋板式

29、冷凝器不但体积小，重量轻，而且传热系数高。,四. 蒸发式和淋激式冷凝器,1蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器的结构如图9-32所示。 水冷式冷凝器需要的冷却水量较大，在缺水的地区则不能使用。所以采用冷却水用量少的蒸发式冷凝器。 风机在顶部的称为吸入式。吸入式气流均匀地通过冷凝器管，传热效果好。但风机在高温高湿的条件下运转，易发生故障。 风机在侧面的称为压送式（吹入式）。压送式的气流流动不太均匀，传热效果也差，但风机工作条件好。 蒸发式冷凝器对制冷剂蒸气的冷却除用冷却水的显热外，主要是利用其汽化潜热来带走制冷剂的热量。所以，这种冷凝器的冷却水用量比壳管式要少得多。,也有的蒸发式冷凝器，在挡水板的上部增加

30、一排或两排肋管。使来自制冷压缩机的过热蒸气首先在次部分地冷却，达到接近pk下的饱和温度，然后再进入冷凝盘管中冷凝为液体。 优点：新鲜水的消耗量少，体积小，占地面积小，可安装在机房或设备间的屋顶。 缺点：冷却水循环时温度较高，清理水垢困难。,2. 淋激式冷凝器,淋激式冷凝器由无缝钢管组成的蛇形管，工质蒸气由下部进入，液体由焊接在蛇形管一端的支管及时导出，然后流入贮液器中。冷凝器的上部有一放空气集管，它与蛇形管顶部和贮液器的放空气管相连接。 冷却水自上而下的淋浇在蛇形管组外表面。为了使水能均匀地分布，在蛇形管组上部装有配水箱和V型配水槽。冷却水从配水箱流入水槽中，经水槽下面的缝隙流到蛇形管的顶端，

31、成膜层流下，落入水池中，再经冷却水塔循环使用。 制冷剂蒸气冷凝是依靠水在蛇形管外的蒸发吸热，蒸发后的水蒸汽由自由流动的空气带走。为避免太阳的直接照射，一般设有通风的罩棚，四周侧设有百叶窗。百叶窗还起着减少冷却水量损失的作用。 优点：结构简单，加工方便，对水质要求低，水垢易清除。 缺点：占地面积大，冷却水循环量大。,5-4 蒸发器、冷凝器内的传热过程的影响因素,一. 影响蒸发器中传热强度的因素 （一）制冷剂蒸发时的放热强度 1.制冷剂在蒸发器中发生的变化实际上是一个沸腾过程，习惯上称为蒸发。把制冷剂气化吸热的设备称为蒸发器。 制冷剂蒸发时的放热强度与沸腾状态有关 2.制冷剂蒸发时的放热强度与沸腾

32、液体的物理性质有关 如导热系数、重度、比热、粘度和蒸发潜热等与换热有关的物理性质参数。 3制冷剂蒸发是的放热强度与液体对加热表面的润湿能力有关 4制冷剂蒸发时的放热强度与蒸发器的结构型式密切相关,（二）被冷却液体或空气侧的放热强度 在蒸发器传热壁的被冷却介质一侧的放热强度，主要取决于被冷却的液体或空气的流动速度。放热系数的值随着流速的增大而增大。但是流速的增加会使设备中的流动阻力损失加大。从而增加液泵或风机的功率消耗，并使盐水对设备的腐蚀加剧。蒸发器中盐水的流速适宜在0.60.8m/s。,（三）传热面的污脏程度 传热面如被油、污垢覆盖后，造成很大的热阻。如油膜厚度0.1mm时产生的热阻相当于3

33、3mm厚的钢壁的热阻。此外，由于油膜的存在还能妨碍制冷剂液体润湿传热表面的能力，促使传热表面上形成气膜，从而严重地降低了传热效率。 在盐水冷却器中，盐水能腐蚀管子，长期使用后在盐水侧的表面会发生铁锈。这也会造成很大的热阻。因此在盐水管路系统中，应尽可能采用闭式循环，以减少盐水和空气的接触，从而减轻盐水对管子的腐蚀。另外还可采用添加防腐剂等保护措施。,二冷凝器中的传热过程的影响因素,1制冷剂的凝结放热 （1）膜状凝结 当冷凝液体能够很好地润湿壁面时，则蒸气在冷壁面上凝结成一层液体薄膜，并在重力作用下向下流动。蒸气凝结时放出的热量必须通过这层液膜才能传到冷表面上去。 （2）珠状凝结 当冷凝液不能润

34、湿壁面时，则蒸气凝结成的液体在壁面上不能形成液膜，而形成个别的小液珠，这些小液珠逐渐发展增大，直至沿壁面滚下。这种凝结现象称为“珠状凝结”。 由于珠状凝结时，蒸气可直接与壁面接触，因此在相同条件下（温差：即冷凝温度与壁面温度之差），珠状凝结放热系数比膜状凝结大10倍左右。 在冷凝器中，实际上是两种凝结方式都会出现，但主要是膜状凝结。机器刚开始运行时是珠状凝结，随后即为膜状凝结。所以珠状凝结出现是短暂的。因此工业设备中设计计算凝结放热时，是按膜状凝结来考虑的。,2. 影响制冷剂蒸气凝结放热的因素,冷壁面越高，液膜的平均厚度越厚，其平均放热系数越小。 当冷凝温差增大时，凝结液量增多，膜层加厚，放热

35、系数变小。 冷凝液的重度越大，向下流动的力越大，液膜就薄，放热系数就大。 如果蒸气流动方向和膜层流动一致时，由于摩擦的结果，将使膜层的流速增大，膜层的厚度减小，放热系数增加。 如果蒸气流动流速不大，且流动方向和膜层流动的方向相反，则膜层的流动要受到阻碍，使膜层的厚度增加，放热系数减小；但如果蒸气流速很大，以致能把液膜吹破时，放热系数就升高。 如果传热表面粗糙不平，则凝结的液膜流动阻力增加，冷凝的液体不能很快地向下流，从而是液膜的厚度加厚，放热系数相应降低。 横放单根管上的冷凝放热系数大于直立管的放热系数。 当蒸气中混有空气或其它不凝性气体时，则凝结时的放热系数明显地减小。 制冷剂中含油量对凝结

36、放热的影响与有那在制冷剂中的溶解度有关。,5-5制冷机热交换器的对数平均温差、对数平均焓差及介质换热系数,一对数平均温差及对数平均焓差,1. 对数平均温差,式中tmax为换热器两端冷、热流体间温差的最大值；tmin是最小值。 当,时，可用算术平均温差代替对数平均温差。即,对数平均温差的推导条件： 1）冷、热流体的热容量在整个换热面上均为常量； 2）传热系数K在整个传热面上不变； 3）换热器无散热损失； 4）沿换热面轴向的导热量可以忽略不计； 5）在换热器中，任何一种流体都不能既有相变又有单相介质换热。,2. 对数平均焓差 在冷却空气的干式蒸发器和蒸发式冷凝器中，空气既有单相换热，且因空气中的水

37、分在变化，所以也具有相变换热。不符合导出对数平均温差时的条件，计算时用以下两种方法予以考虑： 1) 计算公式仍为 但在计算传热系数时，应考虑水分相变产生的热传递。例如在冷风机中，将析湿系数引入传热系数K中，以考虑水蒸汽凝结时潜热传递的影响。,2) 引入对数平均焓差的概念,式中h和h的意义见图9-44。 单位时间传递的热量Q为 式中Khm称为平均的能量系数，单位是（kg/sm2）；F是传热面积。,二制冷剂冷凝和沸腾时的换热系数,（一）蒸气冷凝时的放热系数 在制冷机的冷凝器中，蒸气冷凝时都是“膜层”冷凝，因此用努谢尔特（Nusselt）公式计算蒸气冷凝时的放热系数。 1. 制冷剂在光管外表面凝结的

38、换热系数,式中：c，c-系数 对于垂直面呈波形流动时，c=1.13，c=1.18； 对于水平单管，c=0.725，c=0.65； l-特性尺度 对于垂直面取高度H；对于水平单管取外径d0，m； t-冷凝温度与壁面温度之差，； q-热流密度，W/m2； -物性参数，等于 。，和等参数取冷凝液膜温度下的数据。由于冷凝时冷凝液膜温度与冷凝温度十分接近，所以可以取冷凝温度下的数据； -冷凝液的导热率，； -冷凝液的密度，kg/m3； -潜热，J/kg； -冷凝液的动力粘度，Ns/m2； g-重力加速度，m/s2。,可改写为,b的数值见表5-2。 表5-2 b与冷凝温度tk的关系,2. 制冷剂在水平管束

39、外表面冷凝时的平均换热系数,式中nm为水平管束在垂直方向的平均管排数。 管束在垂直方向有Z列，每列的管子数分别为n1，n2，和nz。,对于水平低肋管，其外表面的冷凝换热系数为 式中：d0-基管外径，m； He-肋片管的当量高度，m； df-肋片外径，m； Ah，Ap，和Aof-分别表示1m长肋管的垂直部分表面积，水平部分表面积和肋的总外表面积，m2。 f-肋片效率；,式中为肋片厚度，为肋片材料的导热率。低肋片管的f约在0.70.8之间，低螺纹紫铜管的f等于1。,3. 制冷剂在水平管内冷凝时的换热系数,对于氟里昂制冷剂，管内冷凝时换热系数的计算式为 或 公式的适用于 时。Re按进口蒸气状态计算。

40、,对于R717，管内冷凝时的计算公式为 或 当制冷剂在水平蛇形管内冷凝时，上述四个公式乘以系数,二制冷剂沸腾时的换热系数,由传热学知：液体沸腾时，首先在传热面处发生气化，形成气泡，然后气泡不断脱离壁面上浮，造成强烈的气泡运动。壁面越容易形成气泡，气泡越容易脱离壁面，沸腾就越强烈，其放热系数越大。 所以放热系数除与液体的物性、表面粗糙度、液体对传热面的润湿能力等有关以外，还与热流密度、蒸发压力（相应的蒸发温度）等因素有关。 制冷剂沸腾时，其换热系数随热流密度的增加而增加。,1制冷剂在水平管束外大空间内沸腾时，沸腾换热系数为,系数a和b与制冷剂种类及热流密度有关。 当热流密度 时，R717：a=1

41、03，b=0.25 当热流密度 时，R717： ，b=0.7，为蒸发温度,2制冷剂在管内沸腾时，其换热系数与物性，热流密度，管内液体的质量流速及流向有关。 立管内沸腾时换热系数的计算式 对于R717， 式中： 是按内表面积计算的热流密度， 。 水平管内沸腾时，放热系数为 （5-40） （5-41） 式中： -质量流速， ； -按管内表面积计算的热流密度， ； -管内径，m； -系数。,式中： -为制冷剂的分子量。 对于R22和R717，e=10.1 c定义为 式中：t0-蒸发温度， tS-标准沸点， 公式（5-40）（5-41）的应用条件是： 当 时，用公式（5-40）；当 时，用公式（5-4

42、1）。 是质量临界流速，,当 时，也可用下式计算 （5-45） 式中： -制冷剂的质量流速， ； c-系数，与制冷剂的性质有关。对于R22，t0=30，c=1.64102； t0=10，c=2.02102； t0=+10，c=2.54102。,三无集态改变时的换热系数,在这种换热过程中，传热介质不发生集态改变。制冷机热交换器设备中冷却介质（水或空气）以及液体载冷剂的换热均属于这一类。过冷器（再冷却器）及回热器中制冷剂的放热过程也属于这一类。 1. 管内纵向流动 制冷机管内的流动多数为紊流，层流很少。 对于紊流，广泛采用的换热系数计算式为：,（5-46）,式中：-流体的导热率，； di-管子内径

43、，m； u-流体的流速，m/s； v-流体的运动粘性系数，m2/s； a-流体的导温系数m2/s。 公式（5-46）的适用范围是 以及 =0.72500。计算时取流体的平均温度为定性温度，管子内径di为特性尺度。如果管道截面不是圆形，特性尺度应取其当量直径de，,式中：F-通道截面积，m2； S-通道的周界，m。 流体在螺旋管内或螺旋形槽道内流动时，换热过程有所增加，其换热系数可先按公式（5-46）计算，再乘以校正系数 （5-48） 式中：di为管子的内径，R为螺旋管的曲率半径。,2. 管外横向流动（强制流动）,对于光管管束，流体的流动方向与管子的中心线垂直，时，第三排管子以后的平均换热系数可

44、以按下列准则计算 空气： 顺排管束 （5-49） 错排管束 （5-50） 液体： 顺排管束 （5-51） 错排管束 （5-52）,计算时取管子的外径d0为特性尺度。 取流体的平均温度为定性温度。 确定 时，取通道最窄截面上的流速u。 第一排和第二排管子的换热系数低于第三排以后管子的换热系数。对于沿流动方向有n排管子的管束，其平均换热系数也可先按公式（5-49）、（5-50）、（5-51）或（5-52）计算，再乘以管排校正系数 。 的数值见下表。,表5-3 管排校正系数,3. 管外纵向、横向流动,流体在具有折流板的壳管式热交换器外流动就属于这一情况。 当筒体镗削时，换热系数为 （5-53） 当筒

45、体不镗削时，换热系数的计算式为 （5-54） 计算时取管子的外径d0为特性尺度；取流体的平均温度为定性温度； 按壳体中心线附近管子之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；是流体的导热率，单位是 。,四肋片管束外空气横向流动时的换热系数,常用肋片：1）圆肋片；2）正方形肋片；3）六角形肋片。,1. 肋片管束用于蒸发器,（5-55） 式中：b-肋片间距，m； d0-肋片管外径，m； h-肋片高度，m； u-空气在管束最窄截面上的流速，m/s； -空气的导热率， 。 式（5-55）适用的范围是 。 常数c及n的数值为： 顺排：圆肋片 c=0.104， n=0.72 正方形肋片 c=0

46、.096， n=0.72 错排：圆肋片 c=0.223， n=0.65 正方形肋片 c=0.205， n=0.65 六角形肋片 c=0.205， n=0.65,对于错排的绕片管式蒸发器，换热系数的计算式为 （5-56） 用公式（5-55）和（5-56）计算时，取管子的外径为特性尺度；取空气的平均温度为定性温度。,2.肋片管束用于冷凝器,1）对于圆芯管圆肋片管束 （5-57） 式中s为管中心距，h为肋片高度，为流动方向管排校正系数。计算时取空气的平均温度为定性温度，管子的外径d0为特性尺度，按最窄截面上空气的流速计算。当空气流速u=57m/s时，与管排数n的关系如表5-4。 公式（5-57）中的

47、常数c为：正方形顺排 c=0.0896；三角形错排 c=0.1378。,表5-4 与管排数n 的关系,2)错排正方形肋片管束,空气的流向如图所示。 换热系数的计算公式为,式中：u-最窄截面上空气的流速，m/s； b-肋片间距，m； nf-每米长管子上的肋片数； A0-每米长管子无肋片部分的管子外表面积，m2； Af-每米长管上肋片的表面积，m2； v-空气的运动粘性系数，m2/s； -空气的导热率， 当量直径de为特性尺度，流体的平均温度为定性温度。符号s1、s2和s3的意义见上图。,3）顺排正方形肋片管束和错排六角形肋片管束,换热系数用下式计算 （5-59） 式中：c-系数；对正方形肋片管束

48、，c=0.30；对六角形肋片管束，c=0.45 u-最窄截面上空气的流速，m/s； b-肋片间距，m； nf-每米长管子上的肋片数； A0-每米长管子无肋片部分的管子外表面积，m2； Af-每米长管上肋片的表面积，m2； v-空气的运动粘性系数，m2/s； -空气的导热率，d0-管子外径，m。,3肋片效率,1)等厚度圆肋片的肋片效率 （5-60） 式中：m-肋片参数； -圆肋片的校正系数； R0-肋片的根圆半径，m。 肋片参数m为 （5-61） 式中：-析湿系数； -肋片厚度，m； -肋片的导热率， 。,校正系数按下式计算 （5-62） 式中：df表示肋片外径，d0表示管子外径。,2)正方形肋

49、片和六角形肋片的效率 （5-63） 式中：m为肋片参数，用公式（5-61）计算。 校正系数的计算公式为 （5-64） 对正方形肋片： 对六角形肋片： 其中Bf表示正方形肋片或六角形肋片二对边之间的距离，d0表示管子外径，见图9-45。,五丝管式冷凝器空气侧换热,丝管式冷凝器的几何尺寸如图所示。,计算空气侧的自然对流换热系数 （5-65） 式中：f-空气的导热率， ； db-管外径，m； sb-蛇形管上下相邻管的中心距，m； dw-钢丝外径，m； sw-钢丝节距，m； Prf-空气的普朗特准则数； Grf-空气的葛拉晓夫准则数； de-当量直径，m。,式中：g-重力加速度，g=9.81m/s2；

50、 -空气的体积膨胀系数，1/ t-传热温差，； v-空气的运动粘性系数，m2/s； de-当量直径，m。,式中：f-肋效率。 对冰箱用丝管式冷凝器，在常用结构参数及温度参数条件下，可取f=0.85。 公式（5-65）的定性温度为壁面与空气的平均温度。 因丝管式冷凝器的自然对流换热系数较小，所以换热器壁面的辐射换热不可忽略。辐射换热量约占总换热量的40%左右。,5-6冷凝器的设计计算,一. 水冷冷凝器 1. 给定条件 制冷机的额定工况（包括蒸发温度、冷凝温度）； 制冷量Q0； 冷凝器的额定负荷； 制冷剂的种类。 2. 水冷冷凝器设计时主要参数的选择 （1）冷凝器的结构型式 冷凝器的结构型式应根据

51、冷凝器的工作条件选择。中、小型氨制冷机可采用立式或卧式壳管式冷凝器；中等容量的氟里昂制冷机，可采用卧式低螺纹管的壳管式冷凝器；小型氟里昂制冷机可采用套管式冷凝器。在冷却水比较紧张的地区。可采用蒸发式冷凝器。,氨冷凝器的传热管用钢管制成。直径为25、32和38等直径的钢管；立式氨冷凝器采用直径38和51的钢管。壁厚=2.53.0mm。氟里昂冷凝器的传热管通常采用铜制的低螺纹管。其节距为1.341.60mm，肋高为1.31.5mm，肋化系数在34之间。 肋化系数:换热光管外侧加肋片后，肋管外表面积与管内面积的比值。,（2）冷却水流速的选择 冷却水的流速增加，水侧的换热系数增加，但冷却水在冷凝器中的

52、流动阻力也增加，并且对管子的腐蚀加快。 流速的选择一般按下表选取。 表5-5 冷凝器的设计水速，m/s,（3）冷却水进口温度t2和冷却水进口温度与冷凝温度之差（tk-t2）的选择 冷却水进口温度t2应根据当地气象资料取最高温季节的平均水温。冷却水进口温度与冷凝温度之差一般选为（tk-t2）=810。 （4）冷却水温升的选择 一般在卧式冷凝器中，取（t2-t2）=35，在立式氨冷凝器中，取（t2-t2）=24。 （5）冷凝器中水垢和油垢的污垢热阻 在冷凝器中污垢热阻按表5-1查取，或用试验确定。,3. 冷却水流动阻力p 冷却水在冷凝器内的总流动阻力用下式计算 （5-68） 式中：u-冷却水在管内

53、的流速，m/s； -冷却水的密度，kg/m3； l-单根传热管长度，m； di-管子内径，m； N-流程数； -沿程阻力系数。 对于水， 上式的适用范围是 。 管子外侧制冷剂的流动阻力一般不计。,二空气冷却冷凝器,1. 空气冷却冷凝器的选用与给定条件 空气冷却冷凝器主要用于中、小型氟里昂制冷机。 给定条件： 制冷机的额定工况（包括蒸发温度、冷凝温度）； 制冷量Q0； 冷凝器的额定负荷； 制冷剂的种类。 2. 设计中的主要参数的选择 （1）结构型式 空气冷却冷凝器选用带肋片的蛇形管冷凝器。冷凝器由36排蛇形管并联组成，氟里昂蒸气从上部的分配集管进入蛇形管内，凝结后的液体沿蛇形管流下，经液体集管流

54、入储液器中。 肋片管一般采用等边三角形排列。肋片的片距约为23.5mm，肋高712mm，肋化系数13。,（2）空气进口温度t2和温差（t2-t2）的选择 空气进口温度应根据当地高温季节的日平均气温计算。空气在冷凝器内的温升一般取10左右。 （3）管子列数的选择 在空气冷却冷凝器中，进口处空气与制冷剂的温差约为1315，出口处的温差约为35。考虑到空气流经管束时温度不断升高，对于后面几排管子而言，出口处的温差将更小，因此管子的排数不宜过多，一般取36排。 （4）迎面风速的选择 通常迎面风速在35m/s之间。,3. 空气流动阻力,空气在管外的流动阻力与管束的排列方式、肋片型式及气体的流动情况有关。

55、空气流经顺排平板肋片管冷凝器进行换热时，流动阻力按下式计算 （5-69） 式中：-空气密度，kg/m3； l-单根肋管的长度，m； de-当量直径，m； u-空气在最窄截面上的流速，m/s。 s1为管子中心距，b为肋片间距，h为肋片高度，为肋片厚度，d0是肋管外径。,对于错排平板肋片管束，流动阻力按下式计算 （5-70） 4. 风机所需的功率 风机产生的压头，除克服热交换器的阻力p以外，还要克服外部风道的阻力pt，因此所需的功率为 （5-71） 式中P为风机功率，是风机效率，qma是空气的质量流量，是空气的密度。,5-7蒸发器的设计计算,一满液式蒸发器 1. 满液式蒸发器的选用与给定条件 满液式蒸发器可用于封闭式盐水或水循环中。 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，并按给定的条件确定蒸发器的传热面积和结构。 2. 设计满液式蒸发器时，主要参数的选择 （1）结构型式 满液式蒸发器的总体结构及液体载冷剂在管内的流动方式与氨卧式冷凝器相似，不同的是制冷剂液体由底面或侧面进入，产生的蒸气从上部引出。,分离液滴的方法：小型蒸发器在壳体上部焊接一个气包； 大型蒸发器在上部留出一定的分离空间或装有分离挡板等分离装置。 为防止制冷剂蒸发时将液滴带出，在蒸发器运行时，应有13排管子露在液面以上。 氨蒸发器中一般采用钢管，