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空冷式冷凝器
空冷式冷凝器也称风冷式冷凝器，制冷剂在管内冷凝，制冷剂放出的热量被空气带走。这种冷凝器中有自然对流空气冷却式冷凝器和强制对流空气冷却式冷凝器。由于空气的对流传热系数很低（25～35 W/m·2K），空冷式冷凝器的传热效率不如水冷式，冷凝温度与冷凝压力均较高。
另外，在换热负荷一定的情况下，空冷式冷凝器所需传热面积比水冷式冷凝器大，故而设备体积和质量均庞大，占地大。但是可冷热两用，初投资低，系统维护管理相对简单。空冷式冷凝器在工程实际中的应用十分广泛，既可用于制冷系统，也广泛应用于空调系统。其大的优点是不需冷却水，因此特别适用于缺水地区或者供水困难的场合，在小型制冷空调领域应用尤为广泛。
3）蒸发式冷凝器
蒸发式冷凝器是以蒸发冷凝和显热交换为基础，制冷剂放出的热量同时由冷却水和空气带走。制冷剂在管内流动，冷却水在管外喷淋蒸发时吸收气化潜热，使管内制冷剂冷却和冷凝。蒸发式冷凝器中，省去了冷却水在冷凝器中的显热传递阶段，使冷凝温度更接近空气的湿球温度，可比水冷式冷凝器系统低3～5℃，从而大大降低压缩机的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系统的1/3左右。
我国蒸发式冷凝器的开发和应用相对滞后，以往多应用于大型的氨制冷系统。近年来，由于电力资源紧张和水资源匮乏，蒸发式冷凝器作为一种节能节水型换热设备，其研究和应用得到了广泛重视，促进了蒸发式冷凝器产品技术的成熟和进一步应用。目前，已有一些生产厂家在结构上对其进行了完善，使之应用于中央空调机组。
对于那些需要进行控制的冷冻空调系统和运行环境恶劣的场合，蒸发式冷凝器更容易满足工艺控制要求。工程应用表明，采用该产品替代传统的“水冷式冷凝器+凉水塔”方式，增加的初投资一般能在一年左右即可收回，经济效益明显。
2、冷凝器中常用的强化传热翅片管
传热过程是热量从一种流体通过固体壁面传给另一种流体的过程。工程实际中，强化换热器的换热性能主要从强化两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热过程入手。常用的强化传热技术有:
(1)表面涂层；
(2)粗糙表面；
(3)扩展表面；
(4)各种内外螺纹管；
(5)扰流元件；
(6)添加物；
(7)冲击传热。在各种强化传热技术中，在壁面上加装翅片，作为增强传热的一个主要手段，在工程中得到广泛应用。翅片管式换热器具有传热、结构紧凑等特点，已被广泛地应用于制冷空调装置、航空航天设备、太阳能集热器和电子设备等各个领域中。在冷凝器中的应用尤为普遍。
翅片管的种类很多，而且还在不断涌现新的品种，在这方面的研究也较多[4～6]。大体上可按加工工艺、翅片形状、材质、用途等几个方面对翅片管进行分类。在冷凝器中，常用的翅片管有以下几种形式。
1）内螺纹管
2）整体型螺旋翅片管
3）螺旋槽管
螺纹类翅片管、套片式翅片管、波纹管、螺旋扭曲管、螺旋绕片管等传热元件在冷凝器中得到了广泛的应用，传热效果得到了显著提高。除此之外，新齿形传热管还在不断出现。与光管相比，它们具有下述共同特点：
(1)不同形状的翅片均可使传热壁面变得粗糙，从而破坏静止的层流边界层，提高对流换热系数，使换热得到不同程度的强化；
(2)在负荷一定的条件下，冷凝器所需面积可大大减小；
(3)根据大多数人的常识，粗糙的翅片管表面容易引起结垢；事实上，由于粗糙表面引起的紊流破坏了静止的附面层，会使污垢难于附着；即使有污垢附着，污垢也呈现离散的鳞片状，设备运行中温度的变化使管子发生膨胀和收缩，会因污垢与管壁材料间的胀差巨大而引起剥离，在介质的冲击下自行脱落。而光管垢层为圆柱体，无任何自脱力。因此，翅片管的结垢情况并不比光管严重多少。
冷凝器的应用范围十分广阔，特别是在制冷空调系统中。冷凝器作为主要的传热设备之一，其性能的好坏直接影响到装置的总体工作性能。因此，冷凝器传热过程的强化得到了越来越广泛的重视。
为了提高冷凝设备的整体性能，通过管子形状或表面性质的改造来强化传热过程以提高冷凝器的效率，已成为国内外冷凝器发展的一种趋势。柏恩翅片管换热器所采用的紧凑型串片式管片系统，它是一种新型的传热元件。其独特的片型结构和加工工艺流程，使得空冷器产品具有更加紧凑的外形尺寸，更高的换热效率和更轻的重要。
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由于霉菌生长周期长，故实验采用人工加速霉变的方法使翅片管换热器表面生长霉菌。根据标准GB/ T 2423.162-1999，选用且空调中普遍生长的黑曲菌标准菌株(A TCC 16888，第4-5代) 进行人工加速培养。研究选用4个附带亲水层的人字波纹翅片管换热器，其结构采用紫铜管外嵌整体式铝合金翅片，如图1 所示。图中，s、b、l1 、l2 和θ分别为翅片间距、翅片厚度、翅片投影长度、翅片高度和波纹角。其中3个换热器进行翅片表面霉变处理，处理后霉菌面积分别约占换热器空气侧表面积的10 %、30 %和60 %，经过霉变处理后的照片如图1所示。
1)、轧制成型翅片管（extruded fin tube）；
2)、焊接成型翅片管（高频焊翅片管、埋弧焊翅片管）；
3)、滚压成型翅片管；
4)、套装成型翅片管；
5)、铸造翅片管；
6)、张力缠绕翅片管；
7)、镶片管。
换热器按照其工作原理可分为间壁式、混合式和蓄热式三类。
间壁式换热器,热流体和冷流体间有一固体壁面,两种流体被固体壁面隔开,彼此不接触,热量的传递必须通过壁面。
混合式换热器依靠冷、热流体的直接接触而进行换热,换热后理论上应变成同温同压的混合介质流出。
蓄热式换热器则依靠固体填充物组成的蓄热体传递热量,冷热流体依次交替的流过由蓄热体组成的流道。当热流体流过时,把热量储存于蓄热体中,其温度逐渐升高,而当冷流体流过时,蓄热体因放出热量温度逐渐降低,如此反复进行。
下面我们主要谈的是间壁式换热器，通过实验数据对其进行热力对比计算。
提高换热器换热性能的途径
传热方程是Q = KAΔt，很多研究者研究的主题方向是提高传热系数K。对强制循环空气冷却器,采取有效措施降低空气侧的传热热阻或在制冷剂侧采用选择供液方式,控制供液量,或采用传热管可明显提高传热系数。另外提高流体的流速可以增大传热系数,但流动阻力也相应增大,因此通过增大流体的流速以增强传热系数K 有一定的限度。此外增强传热可通过增加传热面积实现,但增加传热面积不应靠加大整体设备的尺寸来实现,而应从设备的自身结构来考虑。
增加传热面积总体上分为两种途径:管外表面的扩大和管内表面积的扩大。
目前管外表面积的增加主要是在管外加翅片或扩展表面即肋化表面,它是通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻,从而达到强化传热的目的。
可通过下列途径来增大设备单位体积的有效传热面积:
①传递面采用扩展面,如在对流传热系数较小一侧的热传递表面上附加翅片、筋片、销钉等;
②增大原有热传递表面,如将表面处理成憎水性覆盖层、多孔性覆盖层、双波纹状管等
③在换热器中管子的强化方面主要是异型管的开发,从而达到增加传热面积的目的。异型管的种类包括螺旋槽纹管、横纹槽管、缩放管、波节管、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管。
强化换热器换热的方法及热力计算
通过对翅片管式换热器的结构进行改进与优化设计,然后对其换热性能与改进前换热器进行对比计算,结果是改进后的换热器的传热系数得到了提高。
一、调整换热器的翅片间距,设计成为变翅片间距。
1、设计原理
本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统中的蒸发器(在0 ℃及其以下条件工作时,翅片盘管外表面温度等于或低于湿空气的露点温度时，由于在低温工况下工作的蒸发器表面存在结霜问题,且蒸发器前几排管子的结霜较严重,而后几排管子的结霜相对较轻,因而可采用变间距的翅片设置,亦即沿风向片距越来越小。霜开始形成时表面粗糙度增大,引起传热面积增大,同时气体流速也增大,从而导致在结霜初期传热系数K 增大,但随着霜层的不断增厚传热热阻增加,终导致传热系数K 减小,结霜对换热器性能的影响表现在降低其传热系数和增大其阻力两方面,合理的换热器结构应同时减小这两方面的影响。
当气流通过蒸发器时,由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面沉积,空气由于除湿作用相对湿度降低,沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的,如果采取变片距结构,可以在结霜条件下保持其较高的传热效率,并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时,实际上已构成了翅片的错列分布,当空气横掠错列翅片时,翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用,由于前面翅片的绕流,翅片的前半部分换热加强,后面的翅片的分布又使得流道变窄,流速提高,翅片后半部分的换热也得到强化。
2、变翅片间距的结构示意图及对比计算
由于该改进方案采用的是变翅片间距形式,在理论上可近似认为是错列翅片,因此在分析中可借用错列翅片的理论。图1 是所研究的流体纵掠错列翅片的一个二维模型,翅片间距为H ,厚度为t 。
由于该结构形式实际为错列翅片,当流体纵掠翅片时,气流在上游翅片先受到扰动,因此在前几排管上的翅片换热加强,当气流流经后几排管子时,由于流通截面迅速变窄,流速提高,使流体在原有的基础上又进一步受到挤压,扰动更加剧烈,因此通过后加上的一组翅片,使换热也得到了强化。
通过变翅片间距的结构改进,冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下,在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数,且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机的传热系数提高了9. 8 % ,且传热面积有所提高,通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的(图2) 。
对于翅片管式换热器,其传热系数的计算采用下列公式。
式中: hi ,h0为管内制冷剂和管外空气侧换热系数(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 为管内、外面积( m2 ) ; β为管内外面积比; ri , r0为管内、外表面的污垢系数( (m2·K) / W) ;λ为管壁导热率(W/ (m·K) ) ;η为肋化效率; di , d0为管子内/ 外径(m) 。对于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系统,经过结构改进,其热力性能计算结果如表1 所示。
二、加强管内流体流动,管内壁加工变螺距内螺纹。
铜管外表面光滑,内表面有连续而细密的螺纹沟槽,称为内螺纹管。因其增大了管材内表面的散热面积,使铜管的散热系数增加率比光管提高了1. 5 倍。在不增大整体设备尺寸的前提下,增加其内表面换热面积,加强管内流体的扰动,在原有换热器的管内壁上加工变螺距内螺纹。
1、设计原理
当管内工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时,管外的对流传热热阻将成为传热的主要阻力。采用扩展表面,对于缩小换热器体积,提高换热器效率有很重要的作用。目前,已经开发出了针状翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、三角形翅片、单面开槽条形片、裂齿矩形翅片等。
管内表面积的增大主要集中在异型管的开发方面,综观各种不同形状的强化管,其共同特点是在兼顾压降的同时,传热面积都有不同程度的增加,并通过两种机理提高其传热系数进行强化换热。传热边界层是限制传热系数提高的主要因素,它产生于靠近管壁的层流底层,并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽、凸肋,会破坏贴壁层流状态,抑制边界层的发展。同时沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄,而绕流作用使流体产生轴向旋涡,可致使边界层分离,流体主体径向温度梯度减小,有助于热量传递的进行。因此采用在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹,不但可以扩大管子的内表面积,增加传热面积,并且由于管子不再是光管,内部有螺纹所以内壁变得粗糙,可以破坏层流边界层,使管内的制冷剂的流态变成紊流,从而提高管内对流换热系数。同时,因为采用变螺距,沿着流体流动方向螺距从大变小,这样可增强流体的扰动,强化流体的换热系数。
2、变间距内螺纹翅片管结构示意图及对比计算
对等间距内螺纹翅片管换热器管内螺纹进行改进,由于管内有规则、连续的凸肋和凹槽发生改变,使之内表面积比等间距增大8. 4 %,传热系数增大3. 82 %,管内换热系数也增加了4. 89 %。等间距与变间距内螺纹管结构示意图如图3、图4 所示。
式中: f m为单位管长管子平均面积(m2 ) ; f i为单位管长管子内面积(m2) ; f 2为单位管长管子总外表面积(m2) ;αi为管内对流换热系数(W/ (m2· K) ) ;αw 为管外对流换热系数(W/ (m2· K) ) 。
对于汽车空调系统,当负荷Q0 = 4 kW ,其热力性能计算结果如表2 所示。
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