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商用空调系统中换热器的技术分析与研究进展

发布于：2024-12-25 09:50:25 来自：暖通空调/洁净空调系统

来源：制冷空调换热器

作者：HETA

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换热器是商用空调系统的核心部件,其性能直接影响到空调系统的制冷量、能效比和运行稳定性。本文将重点探讨商用空调系统中换热器的作用、类型、结构及特点。

一、换热器在商用空调系统中的作用与型式

1、换热器的作用

换热器是实现制冷剂与空气(或其他流体)之间热量传递的关键部件,在商用空调系统中发挥着至关重要的作用。

其主要功能包括：

(1)蒸发器吸收室内空气中的热量,使制冷剂蒸发制冷；

(2)冷凝器将制冷剂的热量释放到室外,使其凝结成高压液体；

(3)冷却器对系统部件进行冷却,保证其安全运行；

(4)除了传热功能外,换热器还兼具气液分离、油分离等辅助功能,保证系统的正常运转。

换热器的传热性能直接决定了空调系统的制冷量和能效水平,因此其设计至关重要。

2、常见的换热器型式
商用空调系统中常见的换热器型式有以下几种：

(1) 翅片管式换热器:由带有翅片的圆管或扁管组成,制冷剂在管内流动,空气在翅片间流动,实现热交换。这种换热器结构简单,制造成本低,在空调系统中应用最为广泛。

(2) 板式换热器 : 由一系列平行的金属板叠合而成 , 相邻两板间形成交替的通道 , 两种流体分别在不同通道内流动 , 通过金属板传递热量。板式换热器紧凑高效 , 尤其适用于液液换热 , 如冷冻水系统的冷却器。

(3) 微通道换热器:采用内部带有众多微细通道(液路)的扁平铝型材作为换热芯体,制冷剂在微通道内流动,与空气换热。微通道换热器换热效率高,体积小,制冷剂充注量低,是未来换热器的发展方向之一。

(4) 套管式换热器:由一系列同心管组成,一种流体在内管流动,另一种在外管环形空间流动,实现热交换。这种换热器多用于冷冻水系统的冷凝器或冷却器。

二、商用空调系统常用的换热器类型

1、蒸发器

蒸发器是空调系统中制冷剂吸收热量、实现制冷的关键部件。商用空调系统常采用翅片管式蒸发器,制冷剂在管内蒸发吸热,室内空气在翅片外表面流动放热。蒸发器的设计需要综合考虑传热性能、气流阻力、霜冻特性、排水能力等因素。翅片管排布方式有顺流式、逆流式等,翅片可采用光滑翅片、波纹翅片、镶嵌翅片等强化传热类型。合理的蒸发温度、管径选择、翅片参数匹配,对提高蒸发器性能至关重要。

2、冷凝器

冷凝器是空调系统中制冷剂释放热量、实现冷凝的关键部件。商用空调多采用翅片管式或微通道式冷凝器,制冷剂在管内冷凝放热,室外空气在翅片外表面流动吸热。冷凝器的设计需要权衡传热系数、空气侧阻力、结霜特性、耐腐蚀性等因素。管径较大有利于减小制冷剂压降,而紧密的翅片排布有助于强化传热,微通道式冷凝器可进一步提高换热效率并减少制冷剂用量。此外,冷凝器还应具备一定的储液能力,以适应系统负荷的动态变化。

3、冷却器

冷却器主要用于商用空调系统中冷冻水的冷却,或者为压缩机、电气元件提供冷却。冷却器常采用壳管式、板式等液液换热器型式,通过冷却水或冷冻水带走热量。冷却器设计时,应考虑流体流速、管程、清洗便利性等因素。板式换热器紧凑高效,便于拆装清洗,在冷冻水系统中应用广泛。对于压缩机等关键部件的冷却,则应保证良好的散热性能和温度均匀性,避免局部过热。

三、商用空调换热器的结构特点与优化技术

1、翅片管式换热器的结构优化

翅片管式换热器的传热性能受翅片参数(如翅片厚度、间距、肋高等)和管束参数(如管径、排列方式、管间距等)的显著影响。一般而言,减小翅片厚度、增大翅片密度有助于提高传热系数,但也会带来较大的空气阻力。为了权衡传热与阻力的矛盾,可采用翅片强化技术,如开缝翅片、镶嵌翅片等,通过改善气流扰动、边界层再发展等机制,在合理的风阻下获得更大的传热系数。此外,翅片表面的亲水涂层处理,可有效提高换热器的湿润性能和结霜性能。

2、多通道结构设计

传统的翅片管式换热器多采用单通道设计,即制冷剂在管内单程流动。为了强化传热,可采用多通道设计,将制冷剂分为数股并行流动,增加湍流强度和传热面积。微通道换热器就是一种典型的多通道结构,通过精细的通道设计和流量分配,可显著提高换热系数,但也对制冷剂分配器的设计提出了更高要求。在多通道换热器中,应注意优化进出口管径、均流措施等,以保证各通道间流量分配的均匀性。

3、强化传热技术的应用

除了结构参数优化外,还可采用各种强化传热技术来提升换热器性能。常见的强化传热方法包括：(1)在管内插入扰流元件,如螺旋槽管、内螺纹管等；(2)在管外采用强化翅片,如开缝翅片、镶嵌翅片、鳍片等；(3)采用高导热材料,如碳纳米管复合材料等。这些强化传热技术通过扰乱边界层、增加湍流度、促进热量扩散等机制,可有效提高换热器的传热系数和整体性能,但在实际应用时也需权衡生产成本、工艺可行性等限制因素。

四、总结与展望

换热器是商用空调系统的关键部件,其性能直接影响到系统的制冷量、能效比和运行稳定性。翅片管式换热器凭借其成本和通用性优势,目前仍是商用空调系统的主流选择。但随着节能环保要求的提高,微通道换热器、强化传热技术等新兴换热器技术将得到更广泛的应用。未来,换热器技术的发展重点将集中在材料、结构、工艺三个方面：高导热材料的应用将提升基体的传热性能；多通道结构、强化传热表面等先进设计将极大改善换热器的整体性能；先进的焊接、成型、涂层工艺将支撑新型换热器的规模化生产。同时,换热器设计仿真、实验测试等基础研究,智能优化、在线监测等应用技术,也将推动空调换热器的技术进步。相信通过产学研的协同创新,必将开发出性能更优、能效更高的新一代空调换热器产品。

参考文献:
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