強(qiáng)制對流空氣冷卻式空調(diào)冷凝器的設(shè)計

1、【論文】強(qiáng)制對流空氣冷卻式空調(diào)冷凝器的設(shè)計陳景銳        【摘要】本文介紹了強(qiáng)制對流空氣冷卻式空調(diào)冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點，并詳細(xì)論述了其設(shè)計過程，最后聯(lián)系實踐，制作出用于指導(dǎo)生產(chǎn)的工序指導(dǎo)卡。小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)【關(guān)鍵詞】空調(diào)冷凝器、設(shè)計、工序指導(dǎo)卡引言：換熱器是制冷空調(diào)系統(tǒng)中最重要的部件之一,其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的性能。因此,換熱器的研究一直是制冷空調(diào)領(lǐng)域中一個非?；钴S的研究方向。本文以冷凝器為例，對強(qiáng)制對流空氣冷卻式空調(diào)換熱器的設(shè)計進(jìn)行了初步探討。 一、 概述 冷凝器的功能是把由

2、壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體冷凝成液體，把制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量（即制冷量）與壓縮機(jī)耗功率相當(dāng)?shù)臒崃恐团湃胫車h(huán)境中。因此，冷凝器是制冷裝置的放熱設(shè)備，其傳熱能力將直接影響到整臺制冷設(shè)備的性能和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。冷凝器按其冷卻介質(zhì)可分為水冷式、空冷式和水/空氣混合式。由于空冷式冷凝器使用方便，尤其適合于缺水地區(qū)，在小型制冷裝置（特別是家用空調(diào)）中得到廣泛應(yīng)用?？绽涫嚼淠骺煞譃閺?qiáng)制對流式和自然對流式兩種。自然對流式冷凝器傳熱效果差，只用在電冰箱或微型制冷機(jī)中。下面僅討論強(qiáng)制對流式冷凝器。 二、  強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器都采用銅管穿整

3、體鋁片的結(jié)構(gòu)（因此又稱管翅式冷凝器）。其結(jié)構(gòu)組成主要為U形彎傳熱管、翅片、小彎頭、分叉管、進(jìn)（出）口管以及端板等（如圖1），其加工工藝流程如圖2。 下面簡要介紹一下各主要部分：1、U形彎傳熱管U形彎傳熱管俗稱大U彎，其材料一般為紫銅。為了減少金屬材料消耗量及減少冷凝器重量，在強(qiáng)度允許的條件下，應(yīng)盡量避免使用厚壁銅管。 U形彎傳熱管有光管和內(nèi)螺紋管兩種。由于內(nèi)螺紋管重量輕、成本不高，并且其內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較光管要增加23倍【1】。因此，現(xiàn)在光管已基本上被內(nèi)螺紋管代替了。2、  翅片除非客戶特別要求，否則翅片的材料一般為鋁。它有平片、波紋片和沖縫片三種形式，并且這三種形

4、式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也相差較大。對使用波紋片和沖縫片的管簇，其空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)目前尚無簡單準(zhǔn)確的計算式。實踐表明，采用波紋片和沖縫片時，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較一般平翅片分別大20%和60%以上【2】。由于空氣通過叉排管簇時的擾動程度大于順排，空氣通過叉排管簇時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較順排管簇高10%以上，因而，空冷式冷凝器的管簇排列以叉排為好。為了使彎頭的規(guī)格統(tǒng)一，一般管簇都按等邊三角形排列。為了使翅片有較高的翅片效率，保證彎頭的加工工藝要求，管中心矩 應(yīng)是傳熱管外徑的2.5倍。按等邊三角形叉排布置的翅片管簇，對每根而言，其翅片相當(dāng)于正六角形（如圖3）  為了有效利用空冷式冷凝器的傳熱面積，并且

5、保證焊接工藝要求，沿空氣流動方向的管排數(shù)一般為14排【3】。為了增加銅管與翅片的接觸面積，進(jìn)而增加整個冷凝器的換熱面積，一般將翅片孔外沿翻邊。翅片的翻邊保證了翅片的間距，同時也保證了脹管工藝。圖4為翅片翻邊示意圖。為了提高換熱器的傳熱效果，必須避免或減小翅片與管面之間的接觸熱阻，使翅片與管面間保證良好接觸，因此一般會采用機(jī)械脹管方法，其脹緊量一般為0.080.15【4】。 三、 冷凝器的設(shè)計計算1、設(shè)定有關(guān)參數(shù)【5】取當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)P=98.07kpa，冷凝溫度 ,蒸發(fā)溫度 ，進(jìn)口空氣干球溫度 ，進(jìn)出口空氣溫差 ，則出口空氣干球溫度 ，制冷量 ，選用R22作為冷媒。翅片采用沖縫普通鋁片

6、，管簇排列形式為正三角形叉排，鋁片厚度=0.105，翻邊高度 ,傳熱管采用7×0.25×0.1內(nèi)螺紋紫銅管【6】，則孔中心距 。假定迎面風(fēng)速 ，有效單管長即兩端板距 。          2、設(shè)計計算（1） 平均溫度及對數(shù)平均溫差   （2）冷凝熱負(fù)荷查R22冷凝負(fù)荷系數(shù)圖【7】，當(dāng) 、 時，其冷凝負(fù)荷系數(shù) ，因此冷凝熱負(fù)荷 （3） 肋化系數(shù)每米管長翅片側(cè)面面積【8】         &

7、#160;  /m每米管長翅片間管面面積（即翻邊面積）          =0.0212/m則每米管長總外表面積    = 0.2805 + 0.0212 = 0.3017/m每米管長總內(nèi)表面積/m所以肋化系數(shù) （4）迎風(fēng)面積查干空氣物理性質(zhì)表，在大氣壓力P=98.07kpa、空氣平均溫度tm39oC條件下，其性質(zhì)如下：在進(jìn)風(fēng)溫度ta135oC 條件下，則冷凝器所需空氣的體積流量 所以 迎風(fēng)面積  （5） 迎風(fēng)面高度（即翅片長度）  

8、（6）迎風(fēng)面上管排數(shù)  （7）最窄截面風(fēng)速                 （8）冷凝器的總傳熱系數(shù)目前，對冷凝器的總傳熱系數(shù)的計算主要有三種方法：（1）通過公式                來求；（2）直接取經(jīng)驗值（比如有的書上直接取 K=35W/(.k)） ；（3）通過經(jīng)驗

9、公式 來求。第一種方法計算精確，但過于復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用；第二種方法簡單有效，但必須有在同一廠家較長的工作經(jīng)驗；第三種方法適用范圍廣并且比較簡單，適合工程應(yīng)用。下面將利用第三種方法來求K值。但由于該公式?jīng)]有考慮沖縫翅片和內(nèi)螺紋管對K值的影響，因此我針對此問題進(jìn)行了粗略的研究比較，即利用計算K值的理論公式，當(dāng)=15并且忽略其分母的中間三項，分別讓o和i一步步增加，以此得出它們對K值的影響。其結(jié)果如圖5和圖6。 圖5表明了在肋化系數(shù)=15時管外傳熱系數(shù)o對K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開始時，o每增加10%，K值可增加7%以上，但隨著o的繼續(xù)增加，K值的增加逐步呈下降趨勢。但在o的增加不超過1

10、00%情況下， o每增加10%，K值平均增加6%左右。  圖6表明了在肋化系數(shù)=15時管內(nèi)傳熱系數(shù)i對K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開始時，i每增加10%，K值可增加2%以上。和管外傳熱系數(shù)對K值的影響一樣，隨著i的繼續(xù)增加，K值的增加呈下降趨勢。當(dāng)i的增加達(dá)到250%時，i每增加10%，K值只增加0.5%左右。在i的增加超過200%但不超過300%情況下，i每增加10%，K值平均增加0.8%左右。前面第二部分已經(jīng)提到過，采用沖縫片和內(nèi)螺紋傳熱管時，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)o和制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)i分別較一般平翅片和光管大 60%和23倍以上。因此，計算沖縫片加內(nèi)螺紋傳熱管的空冷式冷凝器的總傳熱系

11、數(shù)時，我們可以在經(jīng)驗公式后面再乘以1.36和1.24【9】，即      （9） 冷凝器所需的傳熱面積 （10）所需有效傳熱管總長 （11）空氣流通方向上的管排數(shù)取整數(shù)n=2排   （12）翅片寬度 冷凝器的實際有效傳熱管長為L=nlN=2×0.398×18=14.328m,實際傳熱面積為A=L·ao=14.328×0.3017=4.323,較傳熱計算所需傳熱面積大5.4%，能滿足冷凝負(fù)荷的傳熱要求。此外，冷凝器的實際迎面風(fēng)速與所取迎面風(fēng)速相一致。 四、工序指導(dǎo)卡的制作【10

12、】  1、沖壓工序指導(dǎo)卡（1）翅片孔徑、脹頭及擴(kuò)頭的大小取翅片孔徑=7.3 【11】，脹緊量0.15，則脹頭大小為        7.3+0.15 -(0.25+0.1)×2=6.75        取7.1擴(kuò)頭【12】 （2）翅片片數(shù)每片翅片的側(cè)面面積        =0.01632每片翅片的翻邊面積       &

13、#160;  =0.00136每片翅片的總面積則翅片片數(shù)（3） U形傳熱管開料尺寸【13】 詳細(xì)參數(shù)見附圖1。  2、焊接工序指導(dǎo)卡（見附圖2）附圖1  冷凝器沖壓工序指導(dǎo)卡附圖2     冷凝器焊接工序指導(dǎo)卡【1】參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)?！?】參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)。 【3】 有的書上是26排或28排，此處僅以科龍型冷凝器為參考依據(jù)。（注：如果排數(shù)大于4排，過自動焊時就很難保證焊接質(zhì)量。）【4】 此數(shù)據(jù)是依據(jù)科龍型冷凝器的工藝參數(shù)計算得出的，折算成接觸率就是0.4%2.05%左右，與小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)里的0%2%接近

14、，但與有的書上的2.5%5%相差較遠(yuǎn)?！?】 相關(guān)參數(shù)的假定是以國家標(biāo)準(zhǔn)和科龍型冷凝器為參考依據(jù)的。【6】 7×0.25×0.1表示銅管外徑為7，管壁厚度為0.25，齒高0.1?！?】 請參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)或相關(guān)文獻(xiàn)?！?】 【9】 1+（60%÷10%）×6%=1.36，1+（3÷10%）×0.8%=1.24 【10】該卡的形式是以科龍空調(diào)公司熱交換車間的工序指導(dǎo)卡為參考依據(jù)的。 【11】 該數(shù)值是依照科龍型冷凝器的工藝參數(shù)選定的。科龍熱交換器所用的翅片的孔徑只有7.3和9.88兩種，分別對應(yīng)7和9.52兩種銅管?！?2】該數(shù)

15、值是依照科龍型冷凝器的工藝參數(shù)選定的。 【13】 此為經(jīng)驗公式，其中l(wèi)表示兩端板距，0.96是銅管的收縮率，30是經(jīng)驗數(shù)值。  【摘要】本文介紹了強(qiáng)制對流空氣冷卻式空調(diào)冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點，并詳細(xì)論述了其設(shè)計過程，最后聯(lián)系實踐，制作出用于指導(dǎo)生產(chǎn)的工序指導(dǎo)卡。【關(guān)鍵詞】空調(diào)冷凝器、設(shè)計、工序指導(dǎo)卡引言：換熱器是制冷空調(diào)系統(tǒng)中最重要的部件之一,其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的性能。因此,換熱器的研究一直是制冷空調(diào)領(lǐng)域中一個非?；钴S的研究方向。本文以冷凝器為例，對強(qiáng)制對流空氣冷卻式空調(diào)換熱器的設(shè)計進(jìn)行了初步探討。 一、 概述 冷凝器的功能是把由壓縮機(jī)

16、排出的高溫高壓制冷劑氣體冷凝成液體，把制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量（即制冷量）與壓縮機(jī)耗功率相當(dāng)?shù)臒崃恐团湃胫車h(huán)境中。因此，冷凝器是制冷裝置的放熱設(shè)備，其傳熱能力將直接影響到整臺制冷設(shè)備的性能和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。冷凝器按其冷卻介質(zhì)可分為水冷式、空冷式和水/空氣混合式。由于空冷式冷凝器使用方便，尤其適合于缺水地區(qū)，在小型制冷裝置（特別是家用空調(diào)）中得到廣泛應(yīng)用?？绽涫嚼淠骺煞譃閺?qiáng)制對流式和自然對流式兩種。自然對流式冷凝器傳熱效果差，只用在電冰箱或微型制冷機(jī)中。下面僅討論強(qiáng)制對流式冷凝器。 二、  強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器都采用銅管穿整體鋁片

17、的結(jié)構(gòu)（因此又稱管翅式冷凝器）。其結(jié)構(gòu)組成主要為U形彎傳熱管、翅片、小彎頭、分叉管、進(jìn)（出）口管以及端板等（如圖1），其加工工藝流程如圖2。 下面簡要介紹一下各主要部分：1、U形彎傳熱管U形彎傳熱管俗稱大U彎，其材料一般為紫銅。為了減少金屬材料消耗量及減少冷凝器重量，在強(qiáng)度允許的條件下，應(yīng)盡量避免使用厚壁銅管。 U形彎傳熱管有光管和內(nèi)螺紋管兩種。由于內(nèi)螺紋管重量輕、成本不高，并且其內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較光管要增加23倍【1】。因此，現(xiàn)在光管已基本上被內(nèi)螺紋管代替了。2、  翅片除非客戶特別要求，否則翅片的材料一般為鋁。它有平片、波紋片和沖縫片三種形式，并且這三種形式的表

18、面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也相差較大。對使用波紋片和沖縫片的管簇，其空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)目前尚無簡單準(zhǔn)確的計算式。實踐表明，采用波紋片和沖縫片時，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較一般平翅片分別大20%和60%以上【2】。由于空氣通過叉排管簇時的擾動程度大于順排，空氣通過叉排管簇時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較順排管簇高10%以上，因而，空冷式冷凝器的管簇排列以叉排為好。為了使彎頭的規(guī)格統(tǒng)一，一般管簇都按等邊三角形排列。為了使翅片有較高的翅片效率，保證彎頭的加工工藝要求，管中心矩 應(yīng)是傳熱管外徑的2.5倍。按等邊三角形叉排布置的翅片管簇，對每根而言，其翅片相當(dāng)于正六角形（如圖3） 為了有效利用空冷式冷凝器的傳熱面積，并且保證焊接

19、工藝要求，沿空氣流動方向的管排數(shù)一般為14排【3】。為了增加銅管與翅片的接觸面積，進(jìn)而增加整個冷凝器的換熱面積，一般將翅片孔外沿翻邊。翅片的翻邊保證了翅片的間距，同時也保證了脹管工藝。圖4為翅片翻邊示意圖。為了提高換熱器的傳熱效果，必須避免或減小翅片與管面之間的接觸熱阻，使翅片與管面間保證良好接觸，因此一般會采用機(jī)械脹管方法，其脹緊量一般為0.080.15【4】。 三、 冷凝器的設(shè)計計算1、設(shè)定有關(guān)參數(shù)【5】取當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)P=98.07kpa，冷凝溫度 ,蒸發(fā)溫度 ，進(jìn)口空氣干球溫度 ，進(jìn)出口空氣溫差 ，則出口空氣干球溫度 ，制冷量 ，選用R22作為冷媒。翅片采用沖縫普通鋁片，管簇排

20、列形式為正三角形叉排，鋁片厚度=0.105，翻邊高度 ,傳熱管采用7×0.25×0.1內(nèi)螺紋紫銅管【6】，則孔中心距 。假定迎面風(fēng)速 ，有效單管長即兩端板距 。         2、設(shè)計計算（1） 平均溫度及對數(shù)平均溫差  （2）冷凝熱負(fù)荷查R22冷凝負(fù)荷系數(shù)圖【7】，當(dāng) 、 時，其冷凝負(fù)荷系數(shù) ，因此冷凝熱負(fù)荷 （3） 肋化系數(shù)每米管長翅片側(cè)面面積【8】        

21、60;  /m每米管長翅片間管面面積（即翻邊面積）          =0.0212/m則每米管長總外表面積    = 0.2805 + 0.0212 = 0.3017/m每米管長總內(nèi)表面積/m所以肋化系數(shù) （4）迎風(fēng)面積查干空氣物理性質(zhì)表，在大氣壓力P=98.07kpa、空氣平均溫度tm39oC條件下，其性質(zhì)如下：在進(jìn)風(fēng)溫度ta135oC 條件下，則冷凝器所需空氣的體積流量所以 迎風(fēng)面積 （5） 迎風(fēng)面高度（即翅片長度） （

22、6）迎風(fēng)面上管排數(shù) （7）最窄截面風(fēng)速                （8）冷凝器的總傳熱系數(shù)目前，對冷凝器的總傳熱系數(shù)的計算主要有三種方法：（1）通過公式                來求；（2）直接取經(jīng)驗值（比如有的書上直接取 K=35W/(.k)）&#

23、160;；（3）通過經(jīng)驗公式 來求。第一種方法計算精確，但過于復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用；第二種方法簡單有效，但必須有在同一廠家較長的工作經(jīng)驗；第三種方法適用范圍廣并且比較簡單，適合工程應(yīng)用。下面將利用第三種方法來求K值。但由于該公式?jīng)]有考慮沖縫翅片和內(nèi)螺紋管對K值的影響，因此我針對此問題進(jìn)行了粗略的研究比較，即利用計算K值的理論公式，當(dāng)=15并且忽略其分母的中間三項，分別讓o和i一步步增加，以此得出它們對K值的影響。其結(jié)果如圖5和圖6。圖5表明了在肋化系數(shù)=15時管外傳熱系數(shù)o對K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開始時，o每增加10%，K值可增加7%以上，但隨著o的繼續(xù)增加，K值的增加逐步呈下降趨勢

24、。但在o的增加不超過100%情況下， o每增加10%，K值平均增加6%左右。 圖6表明了在肋化系數(shù)=15時管內(nèi)傳熱系數(shù)i對K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開始時，i每增加10%，K值可增加2%以上。和管外傳熱系數(shù)對K值的影響一樣，隨著i的繼續(xù)增加，K值的增加呈下降趨勢。當(dāng)i的增加達(dá)到250%時，i每增加10%，K值只增加0.5%左右。在i的增加超過200%但不超過300%情況下，i每增加10%，K值平均增加0.8%左右。前面第二部分已經(jīng)提到過，采用沖縫片和內(nèi)螺紋傳熱管時，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)o和制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)i分別較一般平翅片和光管大 60%和23倍以上。因此，計算沖縫片加內(nèi)螺紋傳熱管的空

25、冷式冷凝器的總傳熱系數(shù)時，我們可以在經(jīng)驗公式后面再乘以1.36和1.24【9】，即     （9） 冷凝器所需的傳熱面積 （10）所需有效傳熱管總長 （11）空氣流通方向上的管排數(shù)取整數(shù)n=2排 （12）翅片寬度冷凝器的實際有效傳熱管長為L=nlN=2×0.398×18=14.328m,實際傳熱面積為A=L·ao=14.328×0.3017=4.323,較傳熱計算所需傳熱面積大5.4%，能滿足冷凝負(fù)荷的傳熱要求。此外，冷凝器的實際迎面風(fēng)速與所取迎面風(fēng)速相一致。 四、工序指導(dǎo)卡的制作【10】 1、沖壓工序指導(dǎo)卡（1）翅片孔徑、脹頭及擴(kuò)頭的大小取翅片孔徑=7.3 【11】，脹緊量0.15，則脹頭大小為        7.3+0.15 -(0.25+0