制冷与空调用套管换热器如何强化换热？

（示意图，不对应文中任何产品信息）

1.1 套管换热器基本结构     

传统套管换热器利用同轴层套管的形式进行制冷系统冷量的传递，内层管走换热介质冷冻水，内层管与外层管之间走制冷剂，利用流体对流换热的形式进行热量传递，具体结如图1。  

如图1所示为套管式换热器的造简图，它由不同直径的两种管子套在一起组成同轴套管成。小圆管内流过一种流体，小圆管外壁与大圆管内壁质检形成环形间流过另一种流体。小圆管的管壁就形成隔在两种流体之间的传热壁面。  

在实际设计和制造这种换热器时，采用同轴套管以螺旋式结堆叠在一起，以小换热器占用间，提间利用率。  

1.2  套管换热器的热阻计算     

在换热器传热计算过程中，通常以经典热力学公式作为基础进行计算如图2所示，两种流体在壁面间传递热量时，符合经典热力学稳态热的传热方程，为：  

在研究换热器在传热过程中的规律，通常以传热系数的倒数来表示热传递过程中的阻力，我们为热阻，这样就可以套用电学的基本规律来研究传热学。套管式换热器在换热过程中，了壁面本身的热阻之外，两种流体与壁面之间换热的时候，会存在热阻，这种热阻我们之为对流换热热阻。不同的流体介质具有不同的性质，在换热时会以不同热阻的形式呈现。如图3所示。  

以电学中的欧姆定律来描述传热学中的热流量，这个方程可以写成如下形式：  

从公式（3）可以出，如果想让换热器在换热过程中的热流量提，可以从以下几个方面来进行：

首先可以加换热器的传热表面，传统加传热表面的方式是在管内加肋片的形式。  

其次是可以小换热过程中的热阻，热阻有三个方面，冷流体侧的换热热阻，热流体侧的换热热阻和管壁本身的换热热阻。换热器管壁本身的热阻跟换热器材料有关，流体侧的对流换热热阻的大小跟流体本身的流动形式有关。

普通制冷剂和水等流体在常规流速的情况下是以紊流状态存在的，但是可以通过螺旋流动的方式加其绕动，从而可以低其对流换热热阻。流体的螺旋流动可以通过在管内壁和外壁加螺旋肋片的形式来实现。这种方式不可以强流体扰动，低换热热阻的情况下，同时可以低在流体流动过程中的阻力。既可以强换热效率，可以在系统运行过程中低水泵能耗，起到节能的效果。套管式换热器为了强化换热，可以对套管换热器进行以下改造：  

①套管内管内壁采用螺旋肋片结；  

②内管外 壁采用螺旋肋片结。

2.1 套管内管内壁采用螺旋肋片结构    

制冷套管换热器的外管内壁采用螺旋肋片结，可以使流体在流经管路的过程中加流程，从而加换热效率，同时由于流体在螺旋结的引下，以涡流形式流动加的在与壁面的对流换热过程中的扰动，使对流换热系数大大加，第三个方面，内壁的螺旋结加的换热面，加了换热量，如图4所示。  

由式（5）可以得出，如果想低在传热过程中的热阻，有两种方法可以实现，其一就是通过加管长，可以低热阻；其二就是大圆管内径。换热器到自身间大小的限制，要加管长很难实现；大圆管内径势要少壁厚，壁厚低的情况下会低管路强度，因此，在这样的情况下，采用的唯一方法就是以在圆管内壁加肋壁的方式来加圆管内径。  

在换热器表面一侧采用肋壁的形式来强化传热，是一种强换热器传热性能的有效方法，如图5所示。

如房间调器的蒸发器、冷凝器等都适用肋片来强化传热。肋片的形状有很多种，如片状、条状、柱形、齿形等等。套管换热器其内部加的肋壁，有流体通过的情况下，为了低阻力，其肋壁的形状宜采用圆角的形式，如图5所示，设肋和壁是同一种材料，热系数为λ，厚度为δ，肋壁的表面为F2 ，肋面温度为tw2，肋壁侧流体的温度为tf2 ，流体对肋壁 面的对流换热系数为h2，无肋侧光壁的表面为F1 ，肋面温度为tw1 ，肋壁侧流体的温度为tf1 ，流体对肋壁面的对流换热系数为h1 。  

从公式（10）中可以出，通过对流换热进行热量传递时，可以有以下几种方法：  

其一，扩大两种流体的温差，在制冷系统中，如果想扩大温差，在热流体温度不的情况下，只能低冷流体的温度。在制冷原理中，如果要低冷流体的温度，就需要低制冷循环的蒸发温度，低蒸发温度会是制冷系统的能效比低，这是得不偿失的。  

其二，少肋壁的厚度，这种情况会低换热器的强度。  

其三，加F2 的面，这是通过加肋壁的形式来实现的，由于肋壁的表面F2 大于光壁的表面F1 ，这明，壁改为肋壁后会强传热。  

在制冷调工程中，表面传热系数小的一侧的面大，是一种强传热的最广泛的方法。肋壁面的面F2与光面的面F1 的比值F2 /F1 为肋化系数，用αν 来表示。当h2（F2 /F1 ）的值接近于h1时，使再加F2 /F1 的值，不会有明显的强换热的效果。  

2.2 内管外壁采用螺旋肋片结构     

在公式（10）中，如果以光壁的面为基准来计算传热系数，则传热系数的公式可以写成如下形式：

从这个公式可以出，如果想强换热效果还可以加F1 的面，这就是在套管换热器中的内管的外壁加螺旋肋片结的理论基础。在对流换热过程中，传递的热流量与套管换热器内管外壁的面成正比，因此，我们在内管外壁上加螺旋肋片以加换热面，如图6所示。  

在制冷调设备的换热器中传热面大都是金属薄壁，薄壁的热热阻很小，一可以忽不计，在不计入污垢热阻时，传热系数可以写成如下公式：  

在套管式换热器在进行对流换热过程中，为了强化在换热过程中的换热效率， 对套管式换热器的内壁进行肋片化改造，并使这种肋片以螺旋形态在管壁内壁和外壁绕行。

这种方式可以使套管式换热器的换热效率得到大幅度的提，主要表现在以下几个方面：  

首先，通过肋片化改造，使套管换热器的换热面得到较大程度的提，这不提了套管间的对流换热的热流量，使内管内壁的对流换热的热流量得到提。  

其次，通过在管路内的肋片以螺旋的形式存在，可以是流体在流过换热壁面时生强烈的扰动，大大强了流体与壁面之间的对流换热系数，对流换热系数的强，会使换热效率提。使制冷系统的能效比提，起到了很好的节能效果。  

第三，在换热器制作过程中，在不加材料使用量的情况下，改壁面形状，可以使换热器的强度加以提。  

第四，流体在管内流动过程中，由于是以螺旋的状态进行的，流体的流程比原来的光壁套管得到较大的提，加流体在套管换热器内流动的时间，从而能强换热器的换热效率。  

第五，本文讨论的套管换热器，在套管内外流动的流体，是以逆流的方式进行换热的，这种方 式同样比顺流式的换热器有较强的换热效果。