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空調器中管翅式換熱器的強化傳熱設計

點擊:1683 日期:[ 2014-04-26 21:39:21 ]
                        空調器中管翅式換熱器的強化傳熱設計                                 孫縈豪,馬軍華                   (南京佳力圖空調機電有限公司,江蘇南京211102)     摘 要:為了提高換熱效率,換熱器的結構從多方面進行了強化傳熱設計。介紹了如今應用范圍比較廣泛的幾個設計理念,并對其進行分析總結。     關鍵詞:換熱器;強化傳熱;換熱效率     中圖分類號:TH122  文獻標志碼:B  文章編號: 1671-5276(2011)02-0164-03     0 引言     提高空調器效率的方法有很多,如高效變頻壓縮機的采用,冷凝器和蒸發器的優化設計,先進節流元件的采用,控制系統的優化等等。雖然變頻壓縮機和電子膨脹閥的使用將大大提高系統的能效比,但冷凝器和蒸發器換熱效率的高低也直接決定了整個系統的能效水平。現將針對空調器“兩器”的優化設計進行初步的討論。這些優化措施包括空氣側的換熱強化,制冷劑側的強化傳熱,盤管的設計優化等多個方面。     1 空氣側的強化傳熱     在空調器中,換熱器多數采用銅管套翅片的結構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鋁翅片,排成2至8排制成管束。冷熱水在管內為蛇形往復流動,空氣在管外翅片間穿行,同時被加熱或冷卻。翅片采用整體式翅片形式,翅片片型有平板型、皺紋型(其中,波紋板應用最多)及開縫型(如條縫型、百葉窗型等),(圖1)。從20世紀90年代開始,百葉窗型的翅片在歐洲得到了大力發展。     1.1 換熱器性能影響的結構參數     1.1.1 翅片間距     關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. 5 mm,排間距為31. 75 mm情況下的14種平板翅片盤管的情況。試驗結果得到: 4排管時,換熱性能與翅片間距無關;每排管的壓力降也與管排數無關。然而對1排或2排管,規律有所不同。ReDc>5 000時,渦流的影響占據了重要位置,翅片間距的影響可忽略。當ReDc<5 000時,熱交換性能隨翅片間距的減小而增大。Wang等人的試驗也證實了此觀點,同時還證實了對多排百葉翅片和波紋翅片換熱器具有相同規律。研究發現:較高的空氣流速和較大的管排數都會導致渦流區域的產生,因此,翅片間距對換熱系數的影響均可忽略。     1.1.2 換熱器翅片表面性能的改進     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境中,其表面會形成Al2O3·H2O氧化層粉末,帶來機器壽命減少和環境污染兩方面的問題;此外,濕工況作業時,空氣中的水分冷凝,附著在翅片上形成“水橋”,導致風阻增加,能耗加大。表面涂膜處理是解決問題的有效方法,空調熱交換器表面涂膜處理技術是20世紀90年代發展起來的新技術,主要進行耐蝕性涂膜處理和親水性涂膜處理。     進行翅片表面涂膜處理后,空氣側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行了研究,他發現,采用親水涂層翅片后,濕工況下的壓降降低到原來的40% ~50%;且空氣側的熱傳遞系數增加了2~3個百分點。K.Hong和R. L.Webb發現,對波紋片、開縫片和百葉片3種翅片形式,在2. 5 m /s迎面風速時,帶親水涂覆層時的濕工況和干工況下的壓降比均為1. 2。即對濕盤管,在百葉翅片和波紋翅片上采用親水涂覆層,當迎面風速為2. 5m /s時,可使濕工況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     對于平板型翅片:在管排數較大、翅片間距較小,且雷諾數較低時,管排數對換熱特性的影響才顯著起來。當ReDc<3 000時,由于邊界層的影響,換熱因子將隨管排數的增加而減小;管排數對摩擦阻力因子的影響相對較小。然而當ReDc>3 000時,管排數對換熱的影響將減小。     對于波紋形翅片:低雷諾數下,管排數對換熱系數和摩擦系數沒有明顯的影響;而在高雷諾數下,換熱系數會隨著管排數的增加而增加。     對于開縫型翅片:低雷諾數下,管排數對換熱系數有顯著的影響,換熱因子會隨著管排數的增加而急劇降低;管排數對摩擦因子的影響相對較小。     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. 51 mm時的換熱系數比Dc=10. 23mm的稍高;但Dc=10. 23 mm的壓降卻比Dc=8. 51mm的要大10% ~15%。     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;并能夠減小壓降損失。如:對百葉窗翅片,當迎面風速vf<1. 5m /s時,采用小管徑的多排管結構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 不同類型翅片的使用場合     熱交換系數大的翅片能夠在相同容積和造價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機運行曲線下會降低空氣的流量。空氣流量的降低有兩方面的的不利因素: 1)降低的空氣流速會降低熱交換系數; 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,設計人員應充分了解所選換熱器的翅片形式,并根據使用場合不同區別對待。     a)在干工況下,盡量采用換熱系數大的翅片形式,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,盡量選用迎風面積較大的,而不是排數較大的,以充分利用增強型翅片的優點,而不增加它的風機功率。     b)在濕工況下,開縫翅片的阻力增加較多,系統風量會減少,此時,可考慮采用波紋形翅片換熱器,且翅片間距不宜太小。     c)當翅片換熱器需要在干、濕工況下交替運行時,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)新風機組和風機盤管換熱器采用不同的翅片形式,如可用新風負擔室內全部濕負荷,換熱器采用波紋片的;而風機盤管采用開縫翅片,完全在干工況下工作。     2 制冷劑側的強化換熱     制冷劑側的強化傳熱也是換熱器優化的一個重要方面,采用內螺紋銅管和使用橢圓管是制冷劑側強化傳熱的主要手段。     2.1 使用內螺紋管     與普通光管相比,內螺紋管的內表面積增大,同時制冷劑流動時沿螺旋槽旋轉產生擾動,以及由于表面張力使液膜變薄等原因,傳熱系數增大。增大的程度隨內螺紋肋形的不同而有所不同,山型齒內螺紋管的內表面傳熱系數是光管的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;細高齒型是光管的3倍左右。     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越正在受到重視。雖然目前家用空調器換熱器使用橢圓管仍停留在實驗室研究階段,但根據研究結果可以預見橢圓管換熱器一定會有廣闊的發展前景。文獻[1]的研究結果表明對于給定的換熱器,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機能耗;在相同的迎面風速下,橢圓翅片管比圓翅片管的空氣側換熱系數大3~7倍;另外,換熱系數相同時,橢圓翅片管的壓降也小于圓管換熱器。     3 盤管設計的優化     在采用了高效換熱元件后,盤管設計的優化也是提高換熱器換熱效率的重要步驟。盤管的優化設計包括回路設計,不對稱盤管設計等多種方法。     3.1 合理的回路設計     冷凝器和蒸發器回路設計是個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速度越大,制冷劑管內的換熱系數也就越大,因此很多房間空調器的兩器均是采用單回路設計。但是這樣的設計沿程損失大,制冷劑的壓力下降較大,隨著換熱器長度的增加,這個問題會更加嚴重,并且單回路設計中,由于換熱溫差越來越小,回路后部的換熱能力已經變得非常糟糕。因此,回路設計必須對回路的阻力進行精確的計算(冷凝器的壓力以飽和溫度下降1℃為上限,蒸發器以飽和溫度下降2℃為上限),若阻力損失過大,應采用多個回路,并增大空氣和冷媒之間的換熱溫差。     3.2 不對稱盤管設計     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,當兩排的銅管和翅片完全相同時,迎風側的換熱量約占總換熱量的70%,背風側換熱量只占30%左右,背風側的換熱能力沒有得到充分的發揮,因此國內外有些空調產品采用不對稱結構設計的方法,通過稍微降低盤管迎風側的換熱能力而增強背風側換熱能力,從而增強整個盤管的換熱能力。不對稱結構設計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。為了增強背風側盤管的換熱能力,可采用盤管的不對稱結構設計:迎風側翅片采用大間距的平片,背風側采用小間距的沖縫片;迎風側使用光管,背風側使用內螺紋管;迎風側使用小管徑銅管,背風側使用大管徑銅管。通過組合搭配試驗,以得最佳的換熱效果。     4 結論     換熱器的設計是空調制冷系統優化的重要組成部分。從空氣側的換熱強化,制冷劑側的強化傳熱,盤管的設計優化等幾個方面對換熱器的優化進行討論,只要合理考慮這些因素,就可以有效地提高空調機換熱器的換熱能力。     參考文獻:略
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