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商用空调器中的换热器

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商用空调器中的换热器 认识换热器: 换热器在商用空调系统中的作用和型式: 换热器在商用空调系统中的作用: 1、空调系统中必不可少的部件 ——空调器甚至可以不要压缩机和膨胀阀,但不能不要换热器; 2、其成本在空调器中占非常突出的比(20%~40%) 3、换热器生产是空调器厂商自主制造的的主要部件 4、其性能直接影响空调器的性能和运行的经济性

商用空调器中的换热器


认识换热器:




换热器在商用空调系统中的作用和型式:



换热器在商用空调系统中的作用:

1、空调系统中必不可少的部件

——空调器甚至可以不要压缩机和膨胀阀,但不能不要换热器;

2、其成本在空调器中占非常突出的比(20%~40%)

3、换热器生产是空调器厂商自主制造的的主要部件

4、其性能直接影响空调器的性能和运行的经济性

——换热器故障往往造成空调系统彻底崩溃,带水系统的空调器往往会报废;

——换热器的维修、保养困难,其质量控制是空调器质量的非常重要的部分。

空调系统中常见的换热器型式:

按结构形式:

翅片管式(制冷剂/空气、载冷剂/空气)

壳管式(制冷剂/载冷剂)

套管式(制冷剂/载冷剂)

板式(制冷剂/载冷剂)

冷却塔(水/空气)

按换热介质形式:制冷剂/空气——翅片管式

制冷剂/载冷剂(壳管式/套管式/板式)

水/空气(冷却塔)

按功能分:蒸发器、冷凝器、末端盘管、冷却塔

蒸发器是吸收热量(输出冷量)的热交换设备,实现制取冷量的目的;

冷凝器是输出热量的设备,它将制冷剂从蒸发器吸取的热量以及由压缩功而转化的热量一起传给冷却介质。

一般应用情况:


商用空调器中的换热器的结构和特点:

冷凝器:



筒体由钢板卷制焊接;筒体两端焊管板;管孔中穿换热管;筒体两端装有端盖

换热管使用焊接或涨管固定于管孔中,氨系统管用钢管,R22多采用滚压肋片铜管。

端盖内有隔板,以将换热管分隔成几个流程,多采用偶数流程,使接管在同一侧

R22走壳程,即R22在管外冷凝,上部进气,从下部排出

冷却水走管程;下进上出

水与R22逆向流动

传热系数较高(与风冷比较),冷却水耗量少(与立式比较),应用广泛。

例:R22,卧式壳管式(肋管)传热系数为850~900W/m2K,空气冷却式为24~28 W/m2K。


套管式冷凝器:

大直径的无缝钢管内套一根或多根铜管,并弯制成螺旋型

铜管常用低肋管

R22走外套管侧,上进下出

冷却水走内管;下进上出

水与R22逆向流动

常用于水冷柜机中

特点:制造工艺比较简单,成本较壳管式低


板式冷凝器:

板片由不锈钢薄片冲压成型

片间采用焊接方式连接

R22和冷却水在薄片间隔流动,接触充分

换热效率高(换热系数K值在3000~6000W/m2.范围内。这就表明,板式换热器只需要管壳式换热器面积的1/2~1/4 即可达到同样的换热效果。)阻力损失少、占地小;

制造工艺比较复杂,价格高,易堵塞。



蒸发器:

与冷凝器不同之处,按供液方式不同,分为满液式、干式等几类。





翅片式蒸发器

结构特点同翅片式冷凝器

铜管与肋片之间过盈涨结

属于干式蒸发器

R22常下进上出

空气和R22常呈逆流

效率较低(与卧式壳管式比较)

不用冷冻水系统和末端设备,广泛应用于中小机组。


满液式:

结构形式:与壳管式冷凝器较类似(筒体用钢板卷制焊接;筒体两端焊管板;换热管使用焊接或涨管固定于管孔中;筒体两端装有端盖;端盖内有隔板,以将换热管分隔成几个流程)

氨系统管用钢管,R22多采用滚压肋片铜管。

制冷剂走壳程,即R22在管外气化,下部进液,从上部排气;液体充满筒体空间的70~80%

特点:R22一直在蒸发器内沸腾,传热面与液态制冷剂接触,所以沸腾放热系数较大;结构紧凑。

缺点:制冷剂充灌量大,因为制冷剂充灌量大,所以制冷剂与润滑油相溶时,润滑油难以返回压缩机;容易冻结。

应用没有干式普遍。

卧式壳管式蒸发器:




结构形式:与满液式蒸发器类似

主要不同:

干式蒸发器在传热管内气化吸热,下部进液,从上部排气

载冷剂在管外;为提高载冷剂流速,筒内装折流板

相比于满液式,传热效果比满液差

优点:充灌量小,R22流速较高;润滑油难以返回容易

例:R22-水:卧式壳管式(干式),传热系数K 500~550W/m2K

R22-空气:翅片式(干式),传热系数K 30~40W/m2K


板式蒸发器

板片由不锈钢薄片冲压成型

片间采用焊接方式连接

R22和冷却水在薄片间隔流动,接触充分

换热效率高

制造工艺比较复杂,价格高

水流速低,易堵塞、易冻结


换热机理、换热器的设计与换热强化:

热和热量(功/能量/热量)(暖通南社)

分子热运动强度的度量,是依靠温差传递的能量。


热是能量(内能)的一种形式。热力循环就是热能传递,它是以热能的方式贮存的。

主要衡量相对量而不衡量绝对量,即热量变化了多少而不是热量有多少。

单位是焦耳(J)(1J=1N.m)。

温度和温标:

温度:衡量物体的冷热程度,温度可以衡量绝对量。


绝对温标:又称热力学温标,开氏温标,每一度大小与摄氏温标相等,起点为物质内分子热运动完全停止时温度(-273.15),单位为K。

温标:摄氏、华氏和开氏

绝对量运算

开氏=摄氏+237.15,华氏=9/5摄氏+32

相对量运算

Δ1= Δ1K=1.8F

比热:单位质量的物质温度每升高或降低1K所需要加入或放出的热量。


定压比热:

水:4.18kJ/kgK

木材:2.51 kJ/kgK

纸张:1.47 kJ/kgK

干空气: 1kJ/kgK(20)

铜:0.39 kJ/kgK

钢:0.46 kJ/kgK

R22:1.18 kJ/kgK (0、液态)

R22:1.18 kJ/kgK (0、气态)

显热:是指物质被冷却或加热时,只有温度变化而无相变时所放出或吸收的热量。(能够用温度计测量)


潜热:是指物质发生相变而温度不变时,放出或吸收的热量。(不能用温度计测量。)


1kg100的水蒸发为1kg100的水蒸汽需2257.2kJ

1kg0的水蒸发为的水蒸汽需2501kJ

1kg0的液态R22蒸发为0的R22蒸汽需204.9kJ

物质有三种状态,有五种状态变化

1、凝固:由液体变为固体。

2、熔化:由固态变为液态。

3、汽化:由液态变为气态。

4、升华:由固态变成气态,不需要经过液态。

5、凝结:由气态变为液态。


显热是能够被感测到的热量。它能导致物质的温度发生变化,但不改变其状态。

潜热是指吸收或放出热量时只改变物质的状态,而不改变其温度。

熔化潜热是指物质从固态变为液态或由液态变为固态时吸收或放出的热量。

汽化潜热是指物质从液态变为气态时所需的热量。

液态潜热是指物质从气态变为液态放出的热量


举例:

开空调后,房间空气温度从30变成了25:

房间空气经过空调器室内盘管后有水凝结:

冷凝器中,R22由90的高温蒸汽变成了46液态R22

蒸发器中,R22由10的液态变成了8的气态R22

几个规律:

1、热量会自发从高温物体传递到低温物体。

2、自然界一切物质都具有能量,它能够从一种形式转换成另一种形式,从一个物体传到另一物体,在转换和传递过程中能量的数量保持不变。(热力学第一定律)

3、孤立系统中,熵总是增加。(热力学第二定律)

所谓传热是和传质相对而言的,传热不涉及热载体质的扩散。

三种传热形式:传导、对流和辐射。

传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。 (或称热传导、导热)。

物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子,原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生热量传递

热传导虽然在固体、气体、液体中都会发生,但单纯的热传导只会在固体中发生。


对流传热是依靠流体的宏观位移,将热量由一处带到另一处的传递现象。在制冷空调业中的对流传热,往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。

流体各部分之间发生相对位移,冷热流体互相掺混

对流分为自然对流和强制对流,自然对流是由于流体冷热各部分的密度不同引起的,强制对流是由于泵、风机等作用所造成的。


辐射:又称为热辐射,是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。物体将热能变为辐射能,以电磁波的形式在空中传播,当遇到另一物体时,又被全部或部分地吸收而变为热能。

物体的辐射能力与温度有关,辐射强度与绝对温度的四次方成正比,在制冷与空调工程中,由于物体温度不高,一般不考虑辐射换热量。


作为换热器,我们主要关心的热传导和对流传热。

对空调业中的换热器,我们关心的是流体(R22、水、空气)与固体壁面(铜管、铝箔)直接接触时的热量传递。(表面换热)

表面传热系数的常见影响因素:

流动状态的影响W/m2K

Re—层流底层薄(动力消耗大)

强制对流和自然对流的影响

强制对流:外部机械作功,换热系数大。

自然对流:依靠流体自身密度差造成的循环过程

流体物性的影响

密度的影响: 热容量的影响: 单位体积流体的热容量大,则传热系数较大。

传热面条件的影响:

不同的壁面形状、尺寸影响流型;会造成边界层分离,产 生旋涡,增加湍动,使传热系数增大。

相变化的影响:一般情况下,有相变化时表面传热系数较大,机理各不相同,比较复杂。

换热器设计:

换热强化—换热器传热过程:

三个环节:

(1)从热流体到壁面高温侧的热传递

(2)从壁面高温侧到壁面低温侧的热传递

(3)从壁面低温侧到冷流体的热传递


三个环节中热阻分布情况:

水冷冷凝器——主要热阻在制冷剂侧(60~70%)

风冷冷凝器——主要热阻在风侧(70%~80%)

冷风式蒸发器——主要热阻在风侧(70%~80%)

冷水式(满液、干式)蒸发器——主要热阻在制冷剂侧。

换热强化——“空气--制冷剂”换热器传热过程

例:翅片式冷凝器/蒸发器传热过程


换热强化——三个过程中热阻的分配情况

通过一个典型的换热器结构来说明(暖通南社)

9.25mm铜管(光管),25mm管距,22mm排距,12FPI,光箔,冲缝片,4排管的冷凝器。


换热强化——制冷剂侧强化:

凝结换热、沸腾换热(制冷剂--铜管之间管内冷凝传热属于气液相变换热,与单相对流换热相比,其换热系数较大)

1、增加传热的表面积

2、增强紊流

3、强化换热与减小压降需同时考虑

4、蒸发传热时,应尽可能增加湿润表面的面积,尽可能增加汽化核心的数量

5、冷凝传热时,尽可能使冷凝的液体离开传热表面,增强气液两相之间的混合

6、避免污垢

换热强化——水侧:

凝结换热、沸腾换热

1、增加传热的表面积

2、增强紊流(扰动)

3、避免污垢

换热强化——空气侧换热部分

1、破坏空气流边界层(层流——紊流):采用更先进的片形

2、增大传热翅片的表面积:采用更先进的片形

3、凝结水的控制和除霜的问题

4、铝箔表面保持清洁,防止杂物堵塞翅片

5、腐蚀的问题:采用带特殊涂层的铝箔

换热强化——三个过程中热阻的分配情况


结论:

空气侧热阻占总热阻的比例最大(60%以上)

改善换热器传热的关键是在空气侧的换热上下工夫

制冷剂侧的换热改善也有较大空间

实例:通过卧式壳管式换热器看换热强化

换热过程:制冷剂 -- 铜管 -- 水

通过一个典型的换热器结构来说明(干式蒸发器)

Di=308mm,流程数为4,换热铜管为12mmx1mm,管子根数为227,管长2300mm

没有考虑污垢系数


结论

制冷剂侧热阻占总热阻的比例最大(近70%)

改善换热器传热的关键是在制冷剂侧的换热上下工夫

水侧的换热改善也有较大空间

翅片式换热器换热强化:

——铜管壁厚和胀管

——铝箔厚度、涂层和片形

——小管径铜管的使用

——内螺纹铜管强化换热的问题

翅片式换热器换热强化——铜管壁厚和胀管:

1、铜管壁减薄有利于传热和减低成本,但铜管管壁减薄有极限:

——主要是受压后其能安全工作,不致于胀破

——UL对空调铜管的压力承受能力有专门的规定,采用最高耐受压力(3倍的最高操作压力)+高低压循环的疲劳试验(25万次)

2、 “过盈”量是影响换热性能的一个重要因素

胀管后的管外径与胀管前铝片管孔内径之差称为“过盈”

“过盈”太小:接触传热热阻过大

“过盈”太大:铝箔进入塑性变形,钟口裂,最终会影响传热热阻

对9.52管,其“过盈”量为0.08mm~0.13mm较好(胀管前铝片管孔内径11.03~11.07mm)

翅片式换热器换热强化——铝箔厚度、涂层和片形

1、铝箔减薄也有利于传热和减低成本,近些年,铝箔壁厚已大大减薄(现用铝箔为0.11mm~0.127mm),但其极限表现:

——轧制工艺

——铝箔本身的工艺性、耐蚀性

2、铝箔的涂层问题

——涂层主要解决结水的问题和耐蚀的问题

——亲水铝箔的价格是普通铝箔价格的1.35倍

——亲水铝箔有明显的抑制霜层的作用

3、片形

翅片式换热器换热强化——小管径铜管的使用

1、传热和压降

——在一定的金属消耗量下,使用小管径铜管增大了传热面积(9.25xt0.35铜管换为7xt0.32铜管,管长增加54%,铜管内表面积可以增加11%)

——使用小管径铜管,有利于提高流体的速度和表面传热系数

2、流体力学特性

——空气动力学特性随管径的降低而改善,流动阻力下降,改善传热

——使用小管径铜管会使制冷剂流动阻力增加(系统功耗增加)

——以上矛盾需要平衡

3、加工工艺和价格问题

——采用小管径引起制冷剂侧压力的增大,必须增加循环路数,甚至增加了铜管的用量

——小管径铜管的胀管工艺困难,废品率高

——价格 9.52(平):9.52(内):7(内)= 1:1.17:1.25

——一般认为7mm是管径减小的极限,管径小于7mm以后反而会导致换热器成本大幅上升

4、应用情况

——日本厂商在这方面的应用大大领先

5、

观点一:

用于冷凝器时,冷凝随管径减小而增强

用于蒸发器则9.52mm的管最优,管径进一步减小会降低蒸发的传热系数,6mm是极限值

观点二:

冷凝器采用9.52mm的管较好,而蒸发器采用小管径的管较好

观点三:

小冷量的系统可采用9.52mm的管,而大冷量的系统则应采用12.7mm的铜管

翅片式换热器换热强化—内螺纹铜管强化换热的问题:

——从实例看(9.52铜管、R22制冷剂)

1、传热系数


W/m2K 质量流量 kg/m2s

2、压力降:


Pa/m 质量流量 kg/m2s

3、结论

冷凝换热时:

——强化管可以改善传热,增强的幅度很大(传热系数最大比光管大170%)

——强化管的压降比光管大(最大可比光管大80%)

——双螺纹管与单螺纹管相比,传热系数有很大改善,但压降增加并不多

蒸发换热时:

——强化管可以改善传热,增强的幅度很大(传热系数最大比光管大160%)

——强化管的压降比光管大(最大可比光管大80%)

——双螺纹管与单螺纹管相比,传热系数和压降表现相当

本文来源于互联网,暖通南社整理编辑。


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