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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。
翅片管式换热器总传热计算
采用平壁导热计算公式，总传热计算方程：
( l ）翅片材料的导热系数为常数；
( 2 ）翅片厚度远小于翅片高度与翅片宽度；
( 3 ）翅基温度、翅周围介质温度、翅表面与周围介质的对流传热系数均为常数；
( 4 ）翅端绝热。
由于空气侧或烟气侧的换热系数很低，因此我们一般采用翅片管。此外，当流体流过翅片管束时，须克服一定的流动阻力，因而会产生压力降△P ，压力降越大，说明消耗的动力越大。所以压力降的计算也是一个应该关注的问题。
1 ．流体绕流翅片管束时的管外换热系数
换热系数是指当流体流过固体壁面时，单位时间，单位面积，单位温差时的换热量。应注意，这儿说的单位温差是指固体壁面和流体之间的温差。换热系数我们用 h 来表示，其单位是： W /（㎡.℃）。翅片管的排列有顺排和叉排之分，由于顺排和叉排时流体的流动状态不同，因而其换热系数的计算式是不同的。
顺排流动叉排流动所有翅片管束管外换热系数的计算式都是由实验得出来的，实验中要考虑很多因素的影响，因而所得出的结果又叫实验关联式。不同研究者进行的实验可能会得出形式上不同的实验关联式，但在同一条件下的计算结果应该是相近的。我们的任务就是选择信得过的关联式进行计算。
这里 Briggs和 Young 的实验关联式。他们曾对十多种环形翅片管束进行了实验研究，所有的实验管束都是叉排排列，管心距呈等边三角形布置。其标准误差在5％左右。下面只介绍对于高翅片管束的实验结果：
式中，
df , db ：翅片外径和基管直径；
Y , H ：翅片间隙和高度；
入，μ和 Pr 分别为流体的导热系数，粘度系数和普朗特数。
根据流体温度查流体物性表得到；式中的 Gmax 是流体在窄截面处的质量流速，单位是 Kg /（㎡.s) . 所谓窄截面是指相邻两翅片管之间夹缝中的截面。由上式可知，影响换热系数 h 大的因素是流速，与 Gmax 的0.718次方成正比。如何应用这一关联式进行计算，后面将通过一个例题加以说明。
2．流体绕流翅片管束的流动阻力
Robinson 和 Briggs 对十多种叉排环形翅片管束进行了等温条件下的流动阻力测试。实验范围是：
上式中， K 是纵向管排数， f 是摩擦系数，是一个无因次数。对于按等边三角形排列的管束，由下面的实验关联式计算：
由上两式可见，影响翅片管束压力降△P的主要因素是：
是流速，与Gmax的2-0 .316 =1 . 684次方成正比；
第二是管间距，几乎与 Pt 的一次方成反比。
所以，为了降低阻力，可以选用较大的管问距和降低流体的流
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