哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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翅片式盤管換熱器的設計改進及實驗研究

點擊:2439 日期:[ 2014-04-20 00:59:04 ]
 摘要:分別從改變翅片厚度和換熱管規格2個方面對翅片式換熱盤管整體換熱性能和成本的影響進行分析和實驗研究。結果表明,只減小翅片厚度或減小換熱管規格均會導致換熱器的整體換熱性能下降,若保持相同換熱量,則可能需要用更多的換熱原材料,而這會導致換熱器成本的增加。
    關鍵詞:換熱器;翅片;換熱管;盤管;性能;性價比;經濟效益
    翅片式換熱盤管作為一種基本的換熱設備,由于其具有結構簡單、標準化程度高、換熱效果好等特點,在空氣調節設備中扮演的角色越來越重要。隨著制冷空調行業的迅速發展,翅片式換熱盤管的使用量越來越大。相關資料顯示,國內風機盤管機組的銷售量從2002年的137.8萬套發展至2008年的317.2萬套;組合式空調機組的銷售量從2002年的2.8萬臺發展至2008年的7萬多臺;風柜2008年的銷售量為16.1萬臺[1],2009年出現過少許下跌現象,但2010年后又出現異常亢奮的發展態勢。
    隨著制冷空調行業的迅猛發展,制冷空調產品的原材料需求急劇加大,同時,受到國際大環境的影響,各種換熱原材料價格一路飆升。據了解,制冷空調產品所用的主要換熱原材料銅、鋁等價格自2009年起一直呈現上升趨勢,2011年年初銅價同比2009年上漲了約2.2倍,鋁的價格上漲了約1.5倍;同時,制造所需的鋼鐵、水電等價格也在上漲。這些因素直接導致了制冷空調產品生產成本近幾年的迅猛增加。
    如何緩解原材料價格上漲帶來的經營壓力是新形勢下擺在制冷空調產品生產企業面前嚴峻而又迫切的課題。為此,國內眾多制冷空調產品生產企業紛紛開展了產品的優化、改進工作,期望能從產品零配件的選用到材料的用材、用量等多方面尋找降低制造成本的機會。這些工作的開展,一方面進一步推動了制冷空調產品研究的深入發展,另一方面也確實給部分生產企業帶來了緩解壓力的良好效果。
    翅片式換熱盤管作為制冷空調產品中主要的換熱設備,理所當然地進入了諸多制冷空調產品生產企業的優化改進之列。其中,比較常見的改進方案是將換熱盤管的原材料用量減少,如將翅片厚度改薄、換熱管規格改小、換熱管厚度改薄等措施,認為這樣就達到了降成本的目的。如果設計者對這些改進措施導致的換熱性能的影響研究得不透徹,設計得不夠合理,最終的結果可能是適得其反:不僅達不到降成本的目的,甚至就連原有的換熱性能也達不到了。
    為此,筆者將重點對翅片式換熱盤管的一些改進進行實驗研究,主要研究翅片厚度和換熱管規格對換熱器換熱性能的影響,尋找相應的規律,以供用戶及制冷空調行業設計人員參考。
    1·翅片式換熱盤管的結構形式
    制冷空調產品用的翅片式盤管換熱器結構形式有多種,有銅翅片式換熱盤管、鋁翅片式換熱盤管、不銹鋼翅片換熱盤管等,近幾年還出現了其他特殊材料的換熱盤管,其中鋁翅片式換熱盤管由于具有性價比好、工藝簡單等特點在市場中備受青睞。為了研究方便,筆者將著重以鋁翅片式換熱盤管器作為分析對象(見圖1),但是需要說明的是,取得的換熱規律同樣適用于其他類型的換熱盤管。
             
    鋁翅片式盤管換熱器的換熱結構是將換熱銅管按照設計要求有序地穿入事先準備好的鋁翅片管孔內,并通過脹管工藝將換熱管與鋁翅片的管孔緊密地脹接在一起(見圖2)。為了分析方便,可假設鋁翅片與換熱管的脹接間隙的空氣熱阻為零。
              
    2·翅片式盤管換熱器的工作原理通常,翅片式盤管工作時,換熱管內是冷水(供冷)或熱水(供熱),換熱管外是被風機強制驅動的需要冷卻或升溫的空氣(見圖3)。
              
    熱力學第二定律[2]揭示了熱力過程的方向性,熱能的傳播條件必須是傳播物體間存在一定的溫差,否則熱能不能自發地在物體間進行傳播。
    Q=KFΔt(1)
    式中:Q為換熱器的傳熱量(W);Δt為傳熱溫差(℃);F為傳熱面積(m2);K為傳熱系數(W/(m2·K))。
    從式(1)可以看出,對于同一換熱位置,換熱物質間的溫差越大,熱能傳播效率越高、越充分。反之,則熱能傳播效率越低、越不充分。
    3 實驗條件
    文中涉及的各種性能實驗均在國家機構認可的焓差實驗室中進行,按照GB/T19232—2003《風機盤管機組》規定的試驗工況參數要求,供冷量的性能實驗工況見表1[3]。
              
    4 翅片厚度對傳熱性能及成本的影響
    4.1 換熱性能分析
    為了更好地分析鋁翅片的換熱規律,筆者在某個盤管中任取某個鋁翅片進行分析,得出的換熱規律同樣適用于其余鋁翅片。
    圖4所示為鋁翅片的換熱模擬圖。筆者將鋁翅片剖面從緊貼換熱管的根部起到翅片末稍(沿換熱管表面的垂直方向)均勻地分成10小段。根據表1的換熱工況要求,進入換熱管內的冷水溫度為7℃,冷水在管內發生熱交換。通常地,冷水與換熱管間的換熱溫差為2~4℃,換熱管與翅片的換熱溫差為2~4℃,為了分析方便,暫定冷水到翅片間的總換熱溫差為6℃,則可得出鋁翅片根部的溫度為13℃,鋁翅片根部與環境空氣(27℃)之間的溫度差為14℃。隨著鋁翅片與環境空氣間不斷進行換熱,沿著翅片剖面0→10方向將形成一個鋁翅片與環境空氣間的溫差梯度,如圖4中的類似三角形狀0ab所示,其中位置0點的換熱溫差最大,換熱最好;位置10點的換熱溫差最小,換熱最差。如果鋁翅片從根部送來的冷量不充足,則隨著鋁翅片與環境空氣間不斷換熱,甚至出現冷量還未能傳到翅片末稍10點位置,翅片與環境空氣間的溫差就趨近于0℃的情況。此時翅片上該點位置以后的翅片部分由于沒有溫差將不再發生熱量傳播,即成為多余物料,同時增加空氣流動阻力。
              
    通過以上分析可知,為了提高翅片的換熱效率,須從以下方面進行改進:
    1)提高翅片上各點與環境空氣間的平均換熱溫差;
    2)加大通過翅片單位截面上的冷量。以一臺普通的風機盤管機組FP200為實驗對象(機組結構及其主要結構參數分別見圖5和表
    2)驗證以上分析。
              
              
    擬定實驗方案如下:
    1)實驗對象為同一臺風機盤管機組FP200,通過更換不同翅片式盤管換熱器,進行換熱性能實驗和對比分析。
    2)翅片式盤管換熱器只改變翅片厚度,其余保持不變。根據現場條件,樣機采用的鋁翅片厚度分別為0.145 mm,0.127 mm,0.115 mm和0.105 mm四種規格。
    3)均在表1規定的名義測試工況條件下進行實驗。
    4)實驗中,分別記錄各種換熱管同一區域翅片中部位置5的溫度及機組供冷量。
             
    圖7和圖8所示為實驗中記錄的相關溫度及供冷量情況。
             
    由圖可以看出,機組供冷量隨著翅片變薄而減小,這主要由于厚翅片比薄翅片在相同位置上的單位橫截面通過的冷量較多,改變了翅片各點與環境空氣間的溫差,提高了翅片各點的換熱效率,從而使得機組供冷量發生了明顯的變化。即在換熱翅片數量相同的情況下,厚翅片比薄翅片的換熱效率高,換熱更充分。
    4.2 成本分析
    圖9所示為換熱器翅片厚度對換熱器成本(銅材為8萬元/噸,鋁材為2萬元/噸)及供冷量的影響。由圖可以看出,若以0.145 mm的鋁翅片換熱器為基準,隨著翅片厚度的變薄,換熱器材料成本減少,同時供冷量相應減少。
    假如以上各材料原料價格不變,并且要求換熱器的總換熱量不變,只減薄翅片厚度的做法對降低產品成本幾乎沒有作用。為了實現相同供冷量并解決由于翅片變薄導致平均換熱效率下降的問題,甚至為此需要付出更多的翅片材料(如增加更多的翅片數量),從而最終可能導致機組整體材料成本不減反增。
    由于換熱器中原材料價格的變化會影響鋁材與銅管材料在換熱器中的成本比例,因而原材料價格的變化可能會導致換熱器整體的成本變化與供冷量變化比例不太一樣的情況(見圖10)。
             
    通過圖10不難發現,當銅材原料價格與鋁材原料價格比例大于1:0.25時,即鋁材原料的價格占比越小,換熱器成本的下降速度越小于供冷量的減少速度,因而,此時不宜采用只減薄鋁翅片厚度的方式去實現降低成本的目的。
    5 換熱管規格對換熱性能及成本的影響
    采用類似上述的分析方式,同樣地將換熱管從有第一片翅片的位置開始沿著冷水的進水方向至換熱管末端出水口,將換熱管均勻地分成10小段(見圖11)。根據表1的要求,進入換熱管初始端的冷水溫度為7℃,為了分析方便,暫定取冷水與換熱管的換熱溫差為2℃,換熱銅管與翅片根部間的換熱溫差為4℃,則換熱管初位置0′處的溫度約為9℃,對應的翅片根部溫度為13℃,此位置上的換熱管與翅片根部間的溫差達到4℃。隨著換熱管與鋁翅片間換熱的不斷進行,換熱管沿著水流(0′→10′)方向同樣形成一個換熱管與翅片間的溫差梯度,見圖11中類似三角形狀0′cd所示,其中位置0′點的換熱溫差最大,換熱最好;位置10′點的換熱溫差最小,換熱最差。
             
    對于相同長度的換熱管,水流量變小,即供冷量變小,則隨著換熱管與翅片間的不斷換熱,甚至出現冷量還未傳到換熱管出口處(10′點)換熱管與翅片的溫差就趨近于0℃的情況,則換熱管上該點位置以后的換熱管換熱效率將非常低,甚至不再傳遞熱量,同樣成了多余物料。
    通過以上分析可知,類似提高翅片換熱效率的思路,可以從以下方面進行改進:
    1)加大換熱管各點與翅片間的換熱溫差;
    2)提高輸送到換熱管單位截面上的冷量。同樣以風機盤管機組FP200為實驗對象驗證以上分析。
    擬定實驗方案如下:
    1)實驗對象為同一臺風機盤管機組(見表2),更換不同的翅片式換熱器,通過實驗進行對比分析。
    2)換熱器采用相同厚度的翅片(0.105 mm),但采用不同規格的換熱管。根據現場條件,樣機采用的換熱管規格分別為Φ12.7mm×0.3mm,Φ9.52mm×0.3mm,Φ7.94mm×0.3mm和Φ7.0mm×0.26mm四種規格。
    3)均在表1規定的名義測試工況條件下進行實驗。
    4)實驗中分別記錄各種換熱管對應位置上的溫度及機組供冷量。
    在制造過程中,盤管換熱管外表面已被翅片管孔翻邊完全脹接并覆蓋(見圖3),現場沒有辦法測量換熱管與翅片間的溫差,圖12所示為換熱管上0′點、5′點和10′點在翅片管孔翻邊外側對應位置的測點與環境空氣間的溫差。
    為了更方便尋找換熱管規格變化對換熱器換熱性能的影響,盡量將4種換熱管的外表面積設計成基本相當,同時要求換熱管的厚度也基本相同,以便在換熱管原材料使用量基本相同的情況下,通過改變換熱管規格分析帶來的換熱性能影響。為此,在設計時,各種盤管結構做了少許變化(見表3)。
              
    由圖12可以看出,4種換熱器在進口壁面處與外部空氣間的溫差近似相同,但在換熱管中部(5′點),4種換熱器的溫差出現了少許差異,其中換熱管規格越小溫差越小;在接近換熱管出口處(10′點),4種換熱器與外部空氣間的溫差的差異更加明顯。值得注意的是,溫度傳感器的包扎對測點位置的換熱及溫度的測量會帶來少許影響與誤差。由圖13可以看出,隨著換熱管管徑的變小,總體上換熱性能呈現出下降趨勢。這主要是由于換熱管單位截面上冷水提供的冷量變小,導致換熱管上各相應位置上換熱溫差出現明顯差異,換熱管整體平均換熱效率發生改變,從而出現換熱器總體換熱性能的差異變化。
    同理,若想保持換熱器相同的換熱性能,只減小換熱管內徑的做法也難以達到降低產品成本的目的。為了實現相同供冷量并解決由于換熱管內徑變小而導致平均換熱效率下降的問題,甚至為此增加換熱管材料,從而最終可能會導致材料成本不減反增。
    6 結束語
    通常情況下,在設計翅片式盤管換熱器時,減薄翅片厚度或減小換熱管內徑均會導致換熱器的整體換熱性能下降,若想實現相同的換熱性能,可能需要花費更多的換熱原材料彌補因上述改動導致的換熱器平均換熱效率下降的損失,這可能會增加材料成本。因而,對于翅片式換熱盤管的設計,設計人員必須結合換熱器的整體實際情況,對換熱器材料變化導致的換熱效率與成本之間的相互影響進行分析,從翅片厚度、翅片密度、換熱管規格、換熱管排數[4]、管間距、迎風面積、水路數、進出水溫差[5]等多方面因素進行綜合分析,擬定合適的匹配的設計優化方案。
參考文獻
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