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專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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影響風機盤管換熱器傳熱性能的因素分析

點擊:1946 日期:[ 2014-04-26 21:14:35 ]
                           影響風機盤管換熱器傳熱性能的因素分析                                       畢明華                         (桂林航天工業高等專科學校,桂林541004)     摘要:從設計和生產工藝兩方面闡述了影響風機盤管換熱器傳熱性能的主要因素,針對風機盤管機組在運行 中換熱器的常見問題,分析原因并提出了相應的解決措施。     關鍵詞:風機盤管;技術發展;換熱器;傳熱     1 引言     風機盤管機組(風機盤管)是空調領域末端 設備中量大面廣的應用產品。隨著國民經濟的發 展和人民生活水平的提高,以及應用上明顯的優 勢,風機盤管在全國各地居住建筑和公共建筑中 得以廣泛采用,而且近年來它在技術上發展很快, 使空氣-水系統更加具有生命力。     換熱器(盤管)作為風機盤管機組實現熱量 交換的核心部件,其傳熱性能的好壞直接影響到機組的效率和成本。風機盤管的換熱器屬于整體串片肋片管式熱交換器,多采用銅管套鋁片的結構,銅管的管徑、管間距、管排數,肋片的片型、片間距以及迎面風速和漲管、清洗工藝等將直接影 響盤管的換熱性能。在實踐應用中,機組出現的如冷量不足、能耗偏大、運行后風量減小等問題, 大都與換熱器有關。為此,本文從設計和生產工 藝兩個方面,對風機盤管換熱器傳熱性能的主要影響因素作了初步探討,供有關人員參考。     2 影響傳熱性能的設計因素分析     強化傳熱一直是國內外熱交換器設計的主要方向。提高風機盤管換熱器傳熱性能的主要措施是提高空氣側對流換熱能力。其中主要的一項工作是對肋片型式及肋片材料的改進;另一項工作是熱交換器的管排數以及肋片間距等結構參數的 研究。     2. 1 肋片型式     換熱器肋片型式不同,傳熱效果就會不同。為了提高傳熱性能,近年來風機盤管換熱器的肋 片型式有了很大發展,目前除平板型外,還有波紋片、沖縫型肋片等。干工況下,迎面風速為2. 5~ 3. 0m/s時,波紋片的換熱性能可比平片高出 25%左右;而沖縫型肋片比波紋片的表面傳熱系數可高出60%[1]。波紋片、沖縫型肋片與平片相比,增加了氣流的紊流度,提高了空氣側的對流換熱系數。但是在獲得好的熱交換特性的同時,不可避免地增加了空氣流動阻力和動力消耗。尤其是沖縫型肋片,在濕工況時,冷凝水易聚積在條縫間,造成風量明顯減少。而且,條縫片容易被積塵堵塞,長期運行后,堵塞情況會更嚴重,使冷量大幅度下降。因此提高沖縫型肋片換熱效率的關鍵在于減小其空氣阻力。由此可見,新的肋片型式 雖然可以使機組結構更為緊湊,但也有不足之處, 設計時要結合風機盤管在空調系統中的工況條件,將換熱與阻力損失全面考慮。                           2. 2 肋片間距     肋片間距是影響換熱器傳熱面積和結構尺寸的直接因素,還關系到風機盤管運行時的風側壓力損失。較小的肋片間距雖然增大了換熱器的外表面積,但同時會使得風側阻力加大。圖1給出同樣規格的波紋片換熱器在迎面風速為2. 5m/s 時不同片距對應空氣阻力的比較分析,可見隨著肋片間距的減小,阻力則逐漸增加,濕工況下這種 影響會更加明顯。                            有些產品為了安全起見通過減小肋片間距而增加換熱面積,這樣做除了造成浪費材料以外,還可能會降低機組的實際換熱量。如圖2所示,在給定的換熱器尺寸和風機運行曲線下,壓力損失的提高必然會引起空氣流速的降低,并使空氣與 肋片壁面之間的傳熱溫差減弱,這樣冷量不但不增加反而會有減少的趨勢[2]。合理的片距正是綜合了熱交換面積和空氣側換熱系數這兩方面的因素而確定的。 此外,不同的片型配有合理的片距才能得到較大的供冷量和風量[3],否則將是不經濟的。     2. 3 管簇排數     保證傳熱面積的同時,機組的換熱器可以采用不同的排數。常見的有2排和3排, 2排多用于小型號的機組,較大的機組也有采用4排和6排的。雖然增加排數能增加換熱器的接觸系數, 但是排數的增加也將使空氣阻力增加。而且排數過多時,后面幾排還會因為水與空氣之間溫差過小而減弱傳熱作用,所以排數也不宜過多。另外排數對換熱器的維護與壽命影響也較大,通常排數超過6排就會妨礙清掃工作。     國內曾對風機盤管機組進行過改進設計,機組結構尺寸不變,所配風機及電機型號不變,僅將熱交換器由3排改為2排。實驗結果顯示空氣阻力約降低30%[4],而且可以通過增加的空氣流量來保證機組供冷量符合標準要求。可見, 2排管 熱交換器傳熱系數大、風側阻力小,而且大幅度減少了原材料的投入,這樣就為某些型號的風機盤管向小型化和輕型化發展提供了可能性。     2. 4 迎面風速     對于風機盤管機組來說,低的迎面風速雖能提高換熱器的接觸系數,但對傳熱性能總的影響不大,設計風速過低還會引起產品尺寸和初投資的增加。在實際工作中,往往把濕工況下熱交換器的傳熱系數整理成以下的經驗公式:                        式中υy是迎面風速,w表示管內水流速,ξ是析濕 系數,A、B、P、m、n是由實驗得出的系數和指數[5]。由式(1)可見,當其他條件不變時,提高υy 會加大換熱器的傳熱系數。這是因為風速的提高增加了空氣的湍動程度,增大了雷諾數,進而提高了空氣側的對流傳熱系數。但風速過高除了會降低接觸系數外,也會增加空氣阻力,并且可能由空氣把冷凝水帶進送風系統而影響送風參數。比較合適的迎面風速υy值是2~3m/s。     有的機組,雖然設計采用的迎面風速值比較合理,但實際的風速并不均勻,從而影響了換熱器的使用性能。針對這種情況一項研究采用了導流葉片來促使氣流均勻化。經測試表明,迎面風速分布要比未采用導流葉片時均勻,最大風速與最 小風速的差值減小了0.5倍左右。加裝導流葉片后由于通過管束的風速趨于均勻,換熱器的傳熱表面得到充分利用,換熱量提高約4~11%[6],可見這種方法具有一定的可行性。     此外,迎面風速的確定還與前面所述的片型片距以及肋片材料有關。     2. 5 肋片材料     風機盤管機組換熱器采用普通鋁質肋片,它在使用中存在如下問題:首先,肋片在干濕交替的工作中,其表面會形成氧化層,加大了傳熱熱阻其次,濕工況作業時,空氣中的水分冷凝附著在肋 片上,導致空氣阻力增加。     在風機盤管空調系統中,夏季供冷時換熱器作為表冷器往往對空氣進行冷卻減濕處理,產品設計也主要考慮供冷時的工況。圖3是4種國產風機盤管機組在干、濕工況下風量測定值的比較由圖可見因濕工況下空氣阻力增加,造成機組的 風量明顯低于干工況下的風量,而且有的產品風量下降25%左右。風量是空調工程設計中風機盤管機組選用計算的重要參數,這種干、濕工況下風量的顯著變化勢必影響到工程設計和空調效果。                       肋片材料采用預涂膜鋁箔是解決問題的有效 方法。預涂膜鋁箔是素材鋁箔經過脫脂、水洗、干 燥處理后,在其表面涂布專用涂料使其成為一種 極具親水性和耐腐蝕的材料。由于涂覆層的親水性作用,盡可能減小了水和肋片表面的潤濕角,使冷凝水極易從肋片表面流下。與普通材料的肋片 比較,經親水處理后的肋片表面在濕工況下的阻力可減小40%。使用了親水肋片材料的機組, 干、濕工況下風量也沒有太明顯的變化[7],更有利于工程中機組的選型和使用。除此之外,采用預涂膜鋁箔肋片材料有降低機組運行噪音,延長換熱器使用壽命的效果。     3 影響傳熱性能的生產工藝因素分析     風機盤管換熱器的傳熱性能除了設計因素的影響外,還必須有良好的生產工藝來保證。換熱器的生產過程主要有銅管裁切、銅管彎制、肋片沖壓、穿片組裝、漲管、清洗、焊接、試漏等,其中肋片沖壓、漲管、清洗是影響換熱器傳熱性能的關鍵工序,必須嚴格控制。     3. 1 肋片沖壓     肋片的質量是影響熱交換效率的最重要因素,其加工必須在專用沖床上用相應的沖片模具 進行,高性能的模具是肋片沖壓成型的前提。肋片沖壓模含有拉伸、沖孔、翻邊、壓波形(或沖 縫)、邊切、縱切、橫切等多個工位,具有結構復雜、精度高、沖壓速度快和壽命長等特點。隨著肋 片使用材料的減薄,對模具的精密性提出了更高的要求。以美國OAK、意大利GBS公司為代表的的高水平肋片模,精度達2μm,步距精度3μm,壽命5億次以上。國內廠家生產的模具雖然精度已 接近國外先進水平,但模具壽命有較大差距。     合理地使用和維護模具也非常重要。首先在 加工中一定要使用高質量的沖壓油。由于肋片材 料厚度很小容易拉裂,加工時要靠精密沖壓油來 潤滑,以保證肋片孔不出現裂紋。同時通過潤滑 和冷卻使價格昂貴的模具獲得更長的使用壽命。 此外,針對沖壓模在使用中出現的故障要具體分 析,模具維修中常被忽視的如模具的導向精度、導 料精度及模內彈簧使用狀況,會影響到模具的其 它各個部位,這必須引起足夠的重視。在生產中 實施定期的維護保養,把模具事故消滅于萌發狀 態,以達到延長模具壽命、保證肋片沖壓質量的目 的。     3. 2 漲管     換熱器加工經過穿片后,銅管與肋片之間是 松動的,必須通過漲管這一工序,使管片接觸緊 密,以減少接觸熱阻,達到提高傳熱效率這一目 的。這道工序不能保證,則不能保證換熱器的傳 熱面積。     漲管有水壓漲管及機械漲管兩種形式。水壓 漲管設備簡單,但存在易爆管、效率低、勞動強度 大等問題,而且對于大型號機組的換熱器不容易一次漲緊。有的廠家采用對換熱器進行分段漲管 的方法,這樣爆管更容易控制,使管片接觸更 好[8]。機械漲管以液壓為動力推動脹桿,通過脹 頭將銅管直徑脹大,使銅管和翅片緊密地結合在 一起,與水壓漲管相比效率較高。采用機械漲管 時,首先要保證漲頭的尺寸,針對不同廠家、不同 批次的銅管,必要時可采用不同公差的漲頭。當 限于生產條件采用手動漲管時,必須控制漲頭前 進速度,以保證漲管質量。     3. 3 清洗     換熱器生產過程中銅管彎制、肋片沖壓、漲管 等工序都使用潤滑油。肋片表面和銅管管內若存 在油污,將嚴重削弱換熱器的傳熱效率,并會在后 續的高溫焊接中使肋片發黃甚至變黑,影響到產 品的最終性能和質量。因此換熱器必須經過嚴格 清洗,以去除粘附在肋片上和銅管內外表面的潤 滑油殘留物,使熱交換器特別是銅管內壁潔凈無 油污。常規的操作是將換熱器置于三段清洗槽 內,用清洗劑除油并用清水漂洗,清洗后工件上無 油污和溶液,然后進行烘干。此外通過有效清洗 還可徹底清除附著的銅屑、灰塵等臟污,提高換熱 器工作的可靠性。     4 結束語     由以上分析可知,要保證風機盤管機組換熱 器的的傳熱性能,首先必須有合理的、先進的設計 方案,除此之外還要有良好的制作工藝。     設計人員應充分了解換熱器的肋片形式,并 根據使用場合不同而區別對待。對于只在干工況下工作的機組,換熱器可盡量采用換熱系數大的 肋片型式,如沖縫型肋片。此時迎面風速和排數 不宜過大,以充分利用增強型肋片的優點,而不增 加機組的風機功率。在濕工況下,換熱器可考慮 采用波紋型肋片,且肋片間距不宜太小;肋片宜使用親水性鋁箔材料,它對換熱性能影響不大,但可顯著地降低濕工況下空氣流動阻力、減小運行能耗。     換熱器的生產應盡可能采用新工藝、新技術, 同時每道工序必須嚴格管理,只有保證了加工質量,才能體現出產品的設計性能。 參考文獻 [1]吳業正.小型制冷裝置設計指導[M].北京:機械工 業出版社, 1998. [2]黃偉.表冷器換熱性能與肋片間距結構優化的試驗 研究[D].廣州:華南理工大學, 2003. [3]樊越勝,劉雄,李樹林,等.空調設備中開縫翅片換熱 器在濕工況下的性能分析[ J].流體機械, 2003, 31 (12): 58-61. [4]宋曉平.風機盤管機組設計問題探討[J].山西建筑, 2003, 29(2): 97-98. [5]邢振禧.空氣調節技術[M].北京:中國商業出版社, 2001. [6]于志敏.國產風機盤管機組現狀和性能研究分析 [J].機械工程師, 2001, 3(8): 43-44. [7]郁惟昌.關于風機盤管機組的標準及其他[J].暖通 空調, 2003, 33(2): 36-38. [8]蘇慶勇.單元式空調機、除濕機換熱器的加工工藝分 析[J].廣西機械, 1996(4). 
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