【論文】強制對流空氣冷卻式空調(diào)冷凝器的設(shè)計教學內(nèi)容

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善?！菊撐摹繌娭茖α骺諝饫鋮s式空調(diào)冷凝器的設(shè)計-【論文】強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。HYPERLINK/t_1?i=rW2dhh1AWnzFbQ%3D%3D&p=mm_16723764_0_0&n=11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

2、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，對強制對流空氣冷卻式空調(diào)換熱器的設(shè)計進行了初步探討。一、概述冷凝器的功能是把由壓縮機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）與壓縮機耗功率相當?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)備的性能和運行的經(jīng)濟性。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骺煞譃閺娭茖α魇胶妥匀粚α魇絻煞N。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中。

3、下面僅討論強制對流式冷凝器。二、強制對流空氣冷卻式冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點強制對流空氣冷卻式冷凝器都采用銅管穿整體鋁片的結(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（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HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn1【1】。因此，

4、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HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn2【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

5、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，并且保證焊接工藝要求，沿空氣流動方向的管排數(shù)一般為14排HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn1【3】。為了增加銅管與翅片的接觸面積，進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，因此一般會采用機械脹管方法，其脹緊量一般為0.080.

6、15HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn2【4】。三、冷凝器的設(shè)計計算1、設(shè)定有關(guān)參數(shù)HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn3【5】取當?shù)卮髿鈮簭奝=98.07kpa，冷凝溫度,蒸發(fā)溫度，進口空氣干球溫度，進出口空氣溫差，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70.250.1內(nèi)螺紋紫銅管HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn4【6】，則孔中心距。假定迎面風速，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）

7、冷凝熱負荷查R22冷凝負荷系數(shù)圖HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn1【7】，當、時，其冷凝負荷系數(shù)，因此冷凝熱負荷（3）肋化系數(shù)每米管長翅片側(cè)面面積HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn1【8】/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：在進風溫度ta135oC條件下，則冷凝器所需空氣的體積流量所以迎風面積（5）迎風面高度（即

8、翅片長度）（6）迎風面上管排數(shù)（7）最窄截面風速（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行了粗略的研究比較，即利用計算K值的理論公式，當=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

9、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i的增加達到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

10、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數(shù)時，我們可以在經(jīng)驗公式后面再乘以1.36和1.24HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn1【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=20.39818

11、=14.328m,實際傳熱面積為A=Lao=14.3280.3017=4.323,較傳熱計算所需傳熱面積大5.4%，能滿足冷凝負荷的傳熱要求。此外，冷凝器的實際迎面風速與所取迎面風速相一致。四、工序指導(dǎo)卡的制作HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn1【10】1、沖壓工序指導(dǎo)卡（1）翅片孔徑、脹頭及擴頭的大小取翅片孔徑=7.3HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_08506808508108206708508708509

12、5093094081068092094095075l_ftn1【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擴頭HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn2【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=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HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085

13、087085095093094081068092094095075l_ftn1【13】詳細參數(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HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref1【1】參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)。HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref2【2】參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)。HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref1【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。）HYPERLINK/blo

14、g/getBlog.dol_ftnref2【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，但與有的書上的2.5%5%相差較遠。HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref3【5】相關(guān)參數(shù)的假定是以國家標準和科龍型冷凝器為參考依據(jù)的。HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref4【6】70.250.1表示銅管外徑為7，管壁厚度為0.25，齒高0.1。HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref1【7】請參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)或相關(guān)文獻。HYPER

15、LINK/blog/getBlog.dol_ftn1【8】HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftnref1【9】1+（60%10%）6%=1.36，1+（310%）0.8%=1.24HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftnref1【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。HYPE

16、RLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftnref1【11】該數(shù)值是依照科龍型冷凝器的工藝參數(shù)選定的?？讫垷峤粨Q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。HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftnref2【12】該數(shù)值是依照科龍型冷凝器的工藝參數(shù)選定的。HYPERLINK/blog/get

17、Blog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftnref1【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?！菊勘疚慕榻B了強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)域中一個非常活躍的研究方向。本文以冷凝器為例，對強制對流空氣冷卻式空調(diào)換熱

18、器的設(shè)計進行了初步探討。一、概述冷凝器的功能是把由壓縮機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）與壓縮機耗功率相當?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)備的性能和運行的經(jīng)濟性。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。空冷式冷凝器可分為強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中。下面僅討論強制對流式冷凝器。二、強制對流空氣冷卻式冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點強制對流空氣冷

19、卻式冷凝器都采用銅管穿整體鋁片的結(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（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HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn1【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

20、。它有平片、波紋片和沖縫片三種形式，并且這三種形式的表面?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HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn2【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

21、的翅片管簇，對每根而言，其翅片相當于正六角形（如圖3）為了有效利用空冷式冷凝器的傳熱面積，并且保證焊接工藝要求，沿空氣流動方向的管排數(shù)一般為14排HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn1【3】。為了增加銅管與翅片的接觸面積，進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，因此一般會采用機械脹管方法，其脹緊量一般為0.080.15HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn2【4】。三、冷凝

22、器的設(shè)計計算1、設(shè)定有關(guān)參數(shù)HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn3【5】取當?shù)卮髿鈮簭奝=98.07kpa，冷凝溫度,蒸發(fā)溫度，進口空氣干球溫度，進出口空氣溫差，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70.250.1內(nèi)螺紋紫銅管HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn4【6】，則孔中心距。假定迎面風速，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）冷凝熱負荷查R22冷凝負荷系數(shù)圖HYPERLINK/blog/getBlog.do

23、l_ftn1【7】，當、時，其冷凝負荷系數(shù)，因此冷凝熱負荷（3）肋化系數(shù)每米管長翅片側(cè)面面積HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftn1【8】/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：在進風溫度ta135oC條件下，則冷凝器所需空氣的體積流量所以迎風面積（5）迎風面高度（即翅片長度）（6）迎風面上管排數(shù)（7）最窄截面風速（8）冷凝器的總傳熱系數(shù)目前，對冷

24、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行了粗略的研究比較，即利用計算K值的理論公式，當=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。

25、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i的增加達到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?/p>

26、數(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數(shù)時，我們可以在經(jīng)驗公式后面再乘以1.36和1.24HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn1【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=20.39818=14.328m,實際傳熱面積為A=Lao=14.3280.3017=4.323,

27、較傳熱計算所需傳熱面積大5.4%，能滿足冷凝負荷的傳熱要求。此外，冷凝器的實際迎面風速與所取迎面風速相一致。四、工序指導(dǎo)卡的制作HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn1【10】1、沖壓工序指導(dǎo)卡（1）翅片孔徑、脹頭及擴頭的大小取翅片孔徑=7.3HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn1【11】，脹緊量0.

28、15，則脹頭大小為7.3+0.15-(0.25+0.1)2=6.75取7.1擴頭HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn2【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=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HYPERLINK/blog/getBlog.do?bid=fks_085068085081082067085087085095093094081068092094095075l_ftn1【1

29、3】詳細參數(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HYPERLINK/photo/vccblhPuOcoxveVmp9yHZg=/2012827558459120394.jpgt_blankHYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref1【1】參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)。HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref2【2】參看小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)。HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref1【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。）HYPERLINK/blog/getBlog.dol_ftnref2【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