化工設(shè)計(jì)之空調(diào)器中管翅式換熱器的強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì)

1、學(xué)號：課程論文學(xué) 院 化學(xué)化工學(xué)院 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 年 級 化學(xué)工程與工藝班 姓 名 題 目 空調(diào)器中管翅式換熱器的強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì) 成 績 2015 年 6 月 15 日目 錄1.空氣側(cè)的強(qiáng)化傳熱11.1換熱器性能影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)11.1.1翅片間距11.1.2換熱器翅片表面性能的改進(jìn)21.1.3管排數(shù)21.1.4管徑31.1.5不同類型翅片的使用場合32.制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱42.1使用內(nèi)螺紋管42.2使用橢圓管43.盤管設(shè)計(jì)的優(yōu)化43.1合理的回路設(shè)計(jì)53.2不對稱盤管設(shè)計(jì)54.結(jié)論5參考文獻(xiàn)5空調(diào)器中管翅式換熱器的強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì) 摘 要：為了提高換熱效率,換熱器的結(jié)構(gòu)從多方面進(jìn)行了強(qiáng)化傳

2、熱設(shè)計(jì)。介紹了如今應(yīng)用范圍比較廣泛的幾個(gè)設(shè)計(jì)理念,并對其進(jìn)行分析總結(jié)。 關(guān)鍵詞：換熱器、空調(diào)制冷、傳熱設(shè)計(jì)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 提高空調(diào)器效率的方法有很多,如高效變頻壓縮機(jī)的采用,冷凝器和蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì),先進(jìn)節(jié)流元件的采用,控制系統(tǒng)的優(yōu)化等等。雖然變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥的使用將大大提高系統(tǒng)的能效比，但冷凝器和蒸發(fā)器換熱效率的高低也直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的能效水平。現(xiàn)將針對空調(diào)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的討論。這些優(yōu)化措施包括空氣側(cè)的換熱強(qiáng)化,制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱,盤管的設(shè)計(jì)優(yōu)化等多個(gè)方面。1.空氣側(cè)的強(qiáng)化傳熱 在空調(diào)器中,換熱器多數(shù)采用銅管套翅片的結(jié)構(gòu)形式組成的傳熱管束。傳熱管束是用直徑較小的紫銅管穿上

4、鋁翅片,排成2至8排制成管束。冷熱水在管內(nèi)為蛇形往復(fù)流動(dòng),空氣在管外翅片間穿行,同時(shí)被加熱或冷卻。翅片采用整體式翅片形式,翅片片型有平板型、皺紋型(其中,波紋板應(yīng)用最多)及開縫型(如條縫型、百葉窗型等),(圖1)。從20世紀(jì)90年代開始,百葉窗型的翅片在歐洲得到了大力發(fā)展。1.1換熱器性能影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)1.1.1翅片間距關(guān)于翅片間距對換熱性能的影響, Rich研究了管徑為13.34mm,管間距為27.5mm,排間距為31.75 mm情況下的14種平板翅片盤管的情況。試驗(yàn)結(jié)果得到: 4排管時(shí),換熱性能與翅片間距無關(guān)；每排管的壓力降也與管排數(shù)無關(guān)。然而對1排或2排管,規(guī)律有所不同。ReDc>

5、5 000時(shí),渦流的影響占據(jù)了重要位置,翅片間距的影響可忽略。當(dāng)ReDc<5 000時(shí),熱交換性能隨翅片間距的減小而增大1。Wang等人的試驗(yàn)也證實(shí)了此觀點(diǎn)，同時(shí)還證實(shí)了對多排百葉翅片和波紋翅片換熱器具有相同規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):較高的空氣流速和較大的管排數(shù)都會導(dǎo)致渦流區(qū)域的產(chǎn)生，因此，翅片間距對換熱系數(shù)的影響均可忽略。1.1.2換熱器翅片表面性能的改進(jìn)鋁翅片換熱器在使用中存在如下問題：首先,鋁翅片工作在干濕交替的環(huán)境中,其表面會形成Al2O3·H2O氧化層粉末,帶來機(jī)器壽命減少和環(huán)境污染兩方面的問題；此外,濕工況作業(yè)時(shí),空氣中的水分冷凝,附著在翅片上形成水橋，導(dǎo)致風(fēng)阻增加，能耗加大

6、。表面涂膜處理是解決問題的有效方法，空調(diào)熱交換器表面涂膜處理技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，主要進(jìn)行耐蝕性涂膜處理和親水性涂膜處理。 進(jìn)行翅片表面涂膜處理后，空氣側(cè)的阻力特性會得到極大改觀。Mimaki(1987)對帶親水涂層的換熱器進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)，采用親水涂層翅片后，濕工況下的壓降降低到原來的40% 50%；空氣側(cè)的熱傳遞系數(shù)增加了23個(gè)百分點(diǎn)2。K.Hong和R. L.Webb發(fā)現(xiàn)，對波紋片、開縫片和百葉片3種翅片形式，在2.5m/s迎面風(fēng)速時(shí),帶親水涂覆層時(shí)的濕工況和干工況下的壓降比均為1.23。即對濕盤管，在百葉翅片和波紋翅片上采用親水涂覆層，當(dāng)迎面風(fēng)速為2.5m/s時(shí)，可

7、使?jié)窆r下壓降損失分別降低45%和15%。因此，涂覆層對百葉翅片的影響要比對波紋翅片的影響大。1.1.3管排數(shù)對于平板型翅片：在管排數(shù)較大、翅片間距較小，且雷諾數(shù)較低時(shí)，管排數(shù)對換熱特性的影響才顯著起來。當(dāng)ReDc<3 000時(shí)，由于邊界層的影響，換熱因子將隨管排數(shù)的增加而減??；管排數(shù)對摩擦阻力因子的影響相對較小。然而當(dāng)ReDc>3 000時(shí)，管排數(shù)對換熱的影響將減小4。 對于波紋形翅片：低雷諾數(shù)下，管排數(shù)對換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)沒有明顯的影響；而在高雷諾數(shù)下，換熱系數(shù)會隨著管排數(shù)的增加而增加5。對于開縫型翅片：低雷諾數(shù)下，管排數(shù)對換熱系數(shù)有顯著的影響，換熱因子會隨著管排數(shù)的增加而急劇

8、降低；管排數(shù)對摩擦因子的影響相對較小6。1.1.4管徑對于平板型翅片，管徑越大的，造成管后的無效面積也越大。換熱系數(shù)隨著換熱管管徑的減小而稍有增大。比如，對于單排管和雙排管，Dc=8.51mm時(shí)的換熱系數(shù)比Dc=10.23mm的稍高；但Dc=10.23mm的壓降卻比Dc=8.51mm的要大10% 15%7。對于其他的翅片類型(波紋形翅片、條縫形翅片、百葉窗翅片)，采用小管徑，同樣可以減小管排的拖曳作用，從而增大管外換熱系數(shù)；并能夠減小壓降損失。如：對百葉窗翅片，當(dāng)迎面風(fēng)速Vf<1.5m/s時(shí),采用小管徑的多排管結(jié)構(gòu)有利于提高換熱器的換熱性能,并能夠減小10%的壓降損失。1.1.5不同類型

9、翅片的使用場合熱交換系數(shù)大的翅片能夠在相同容積和造價(jià)下提高熱交換器的熱交換能力，但是阻力的增加在固定的風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線下會降低空氣的流量?？諝饬髁康慕档陀袃煞矫娴牡牟焕蛩兀?)降低的空氣流速會降低熱交換系數(shù)； 2)在表冷器中空氣溫度的提高，使相同起始溫差下的LMTD降低。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解所選換熱器的翅片形式，并根據(jù)使用場合不同區(qū)別對待。a)在干工況下，盡量采用換熱系數(shù)大的翅片形式，如開縫翅片，其中弧形百葉窗翅片形式換熱特性更為突出；但由于開縫翅片的阻力較大，因此，在需要相同換熱量時(shí)，盡量選用迎風(fēng)面積較大的,而不是排數(shù)較大的，以充分利用增強(qiáng)型翅片的優(yōu)點(diǎn)，而不增加它的風(fēng)機(jī)功率。b)在濕工況下

10、，開縫翅片的阻力增加較多，系統(tǒng)風(fēng)量會減少，此時(shí)，可考慮采用波紋形翅片換熱器，且翅片間距不宜太小。c)當(dāng)翅片換熱器需要在干、濕工況下交替運(yùn)行時(shí)，可在翅片表面添加親水性鍍膜，它對換熱性能影響極小，但可極大地降低濕工況下空氣流動(dòng)阻力，對百葉翅片的效果更佳。在此情況下，可盡量采用百葉型翅片。d)盡量選用小管徑的翅片換熱器，其換熱特性和阻力特性較大管徑的均有所改善。 e)新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管換熱器采用不同的翅片形式，如可用新風(fēng)負(fù)擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷，換熱器采用波紋片的；而風(fēng)機(jī)盤管采用開縫翅片，完全在干工況下工作。2.制冷劑側(cè)的強(qiáng)化換熱 制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱也是換熱器優(yōu)化的一個(gè)重要方面，采用內(nèi)螺紋銅管和使用橢圓管

11、是制冷劑側(cè)強(qiáng)化傳熱的主要手段。2.1使用內(nèi)螺紋管與普通光管相比，內(nèi)螺紋管的內(nèi)表面積增大，同時(shí)制冷劑流動(dòng)時(shí)沿螺旋槽旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擾動(dòng)，以及由于表面張力使液膜變薄等原因，傳熱系數(shù)增大。增大的程度隨內(nèi)螺紋肋形的不同而有所不同，山型齒內(nèi)螺紋管的內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是光管的1.5倍左右；梯型是光管的2倍左右；小頂角型是光管的2.5倍左右；細(xì)高齒型是光管的3倍左右8。2.2使用橢圓管目前，由于工藝水平的限制，換熱器的銅管都采用圓管，但橢圓翅片管比圓管翅片管性能更加優(yōu)越正在受到重視。雖然目前家用空調(diào)器換熱器使用橢圓管仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但根據(jù)研究結(jié)果可以預(yù)見橢圓管換熱器一定會有廣闊的發(fā)展前景。文獻(xiàn)9的研究結(jié)果表明對

12、于給定的換熱器，橢圓管換熱器比圓管換熱器需要較小的換熱面積和較小的風(fēng)機(jī)能耗；在相同的迎面風(fēng)速下，橢圓翅片管比圓翅片管的空氣側(cè)換熱系數(shù)大37倍，另外，換熱系數(shù)相同時(shí)，橢圓翅片管的壓降也小于圓管換熱器。3.盤管設(shè)計(jì)的優(yōu)化在采用了高效換熱元件后，盤管設(shè)計(jì)的優(yōu)化也是提高換熱器換熱效率的重要步驟。盤管的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括回路設(shè)計(jì)，不對稱盤管設(shè)計(jì)等多種方法。3.1合理的回路設(shè)計(jì)冷凝器和蒸發(fā)器回路設(shè)計(jì)是個(gè)需要綜合考慮換熱性能和阻力性能的問題.制冷劑在管中的流動(dòng)速度越大，制冷劑管內(nèi)的換熱系數(shù)也就越大，因此很多房間空調(diào)器的兩器均是采用單回路設(shè)計(jì)。但是這樣的設(shè)計(jì)沿程損失大，制冷劑的壓力下降較大，隨著換熱器長度的增加，這

13、個(gè)問題會更加嚴(yán)重，并且單回路設(shè)計(jì)中，由于換熱溫差越來越小，回路后部的換熱能力已經(jīng)變得非常糟糕。因此，回路設(shè)計(jì)必須對回路的阻力進(jìn)行精確的計(jì)算(冷凝器的壓力以飽和溫度下降1e為上限，蒸發(fā)器以飽和溫度下降2e為上限)10，若阻力損失過大，應(yīng)采用多個(gè)回路，并增大空氣和冷媒之間的換熱溫差。3.2不對稱盤管設(shè)計(jì)對于多排管換熱器來講，每排的換熱量是不同的。對于雙排冷凝器，當(dāng)兩排的銅管和翅片完全相同時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的換熱量約占總換熱量的70%，背風(fēng)側(cè)換熱量只占30%左右，背風(fēng)側(cè)的換熱能力沒有得到充分的發(fā)揮，因此國內(nèi)外有些空調(diào)產(chǎn)品采用不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，通過稍微降低盤管迎風(fēng)側(cè)的換熱能力而增強(qiáng)背風(fēng)側(cè)換熱能力，從而增強(qiáng)

14、整個(gè)盤管的換熱能力。不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括前后排翅片類型不同，翅片間距不同，銅管直徑不同以及銅管類型不同以及上述方法的相互搭配等。為了增強(qiáng)背風(fēng)側(cè)盤管的換熱能力，可采用盤管的不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：迎風(fēng)側(cè)翅片采用大間距的平片，背風(fēng)側(cè)采用小間距的沖縫片；迎風(fēng)側(cè)使用光管，背風(fēng)側(cè)使用內(nèi)螺紋管；迎風(fēng)側(cè)使用小管徑銅管，背風(fēng)側(cè)使用大管徑銅管。通過組合搭配試驗(yàn)，以得最佳的換熱效果。4.結(jié)語換熱器的設(shè)計(jì)是空調(diào)制冷系統(tǒng)優(yōu)化的重要組成部分。從空氣側(cè)的換熱強(qiáng)化，制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱，盤管的設(shè)計(jì)優(yōu)化等幾個(gè)方面對換熱器的優(yōu)化進(jìn)行討論，只要合理考慮這些因素，就可以有效地提高空調(diào)機(jī)換熱器的換熱能力。參考文獻(xiàn):1Chi-ChuanWang,

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