淺析制冷設(shè)備熱交換器的傳熱及其影響

【摘要】本文對冷凝器、蒸發(fā)器的傳熱及對其影響的主要因素進(jìn)行探析。

【關(guān)鍵詞】制冷設(shè)備；熱交換器；傳熱；影響

制冷設(shè)備的換熱器包括冷凝器、蒸發(fā)器，它們在制冷設(shè)備中主要起著熱交換的作用，其性能的好壞對制冷設(shè)備的制冷效果有較大的影響。

一、冷凝器的傳熱及影響因素

（一）冷凝器的傳熱

冷凝器是用于制冷劑與熱源間換熱的主要熱交換設(shè)備。通過冷凝器向冷卻介質(zhì)（水或空氣）放出的熱量稱為冷凝器負(fù)荷，即制冷系統(tǒng)中的有效制冷量、無效制冷量以及外界耗能所轉(zhuǎn)換熱量之和。在冷凝器的傳熱中，由于壓縮后的制冷劑過熱蒸氣向冷凝器傳熱壁面放出熱量后被冷卻、冷凝成液體，所以其放熱量包括冷卻顯熱與凝結(jié)潛熱，其中凝結(jié)潛熱占制冷劑放熱量的80%以上。冷卻介質(zhì)作為冷凝器中的吸熱流體，并起到向環(huán)境散熱的作用，冷卻介質(zhì)主要靠顯熱傳熱。

（二）影響冷凝器傳熱的因素

一是制冷劑及流動、傳熱特性對冷凝器傳熱的影響。不同的制冷劑表現(xiàn)出各自的特性，影響傳熱的物性主要是制冷劑的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、黏度等。制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)大時，導(dǎo)熱熱阻降低，傳熱系數(shù)增大；比熱容和密度大時，傳熱能力增加，傳熱系數(shù)增大；黏度大時，流動阻力增大，傳熱性能降低。

二是冷卻介質(zhì)及流動特性對冷凝器傳熱的影響。冷卻水或冷卻空氣的流速對冷卻介質(zhì)側(cè)的傳熱系數(shù)有很大的影響。隨著冷卻介質(zhì)流速的增加，其傳熱系數(shù)也增大。但是流速太大，會使設(shè)備中的流動阻力損失增加，使泵或風(fēng)機(jī)的耗功增大。一般冷凝器的適宜水流速度為0.8～1.5m/s，空氣流速為2～4m/s。另外，冷卻介質(zhì)的流動途經(jīng)（如管內(nèi)、管外、自由空間流動等）、流動方式（如自然對流、強(qiáng)迫流動等）的不同也影響冷凝器的傳熱性能。

三是不凝性氣體對冷凝器傳熱的影響。由于種種原因，冷凝器中會存在一些空氣或制冷劑與潤滑油在高溫下分解出來的不凝性氣體。制冷劑蒸氣會在冷卻壁面放熱凝結(jié)成液體，而不凝性氣體只是被單純冷卻而積聚在制冷劑液膜層附近形成氣體層，構(gòu)成氣體熱阻，明顯降低冷凝器的傳熱性能。實驗證明，在一般的冷凝溫度下，蒸氣中的不凝性氣體含量為0.2%時，冷凝器的傳熱系數(shù)降低20%～30%；含量為0.5%時，傳熱系數(shù)約降低50%；而含量約為1%時，傳熱系數(shù)僅是純制冷劑蒸氣的1/3。所以在制冷系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置空氣分離器并及時排除不凝結(jié)氣體。

四是換熱面狀態(tài)對冷凝器傳熱的影響。冷凝器的傳熱面狀態(tài)對冷凝器的傳熱也有較大的影響。光滑、清潔的冷卻壁面，其液膜流動阻力較小，凝結(jié)的液膜層較薄，傳熱系數(shù)較大。粗糙、銹蝕的傳熱壁面，在凝結(jié)雷諾數(shù)較低時，凝液易積存，液膜較厚，傳熱系數(shù)低于光滑清潔管；當(dāng)凝結(jié)雷諾數(shù)Re>140時，其傳熱系數(shù)則有可能高于光滑管。在工作時，冷凝器產(chǎn)生的水垢層、污垢層都會增大冷卻介質(zhì)側(cè)傳熱熱阻，降低傳熱效果，嚴(yán)重時會使得制冷系統(tǒng)無法工作。另外，設(shè)備外表面的油漆與傳熱表面的銹蝕等不利因素，也會影響冷凝器的傳熱性能。

二、蒸發(fā)器的傳熱及影響因素

（一）蒸發(fā)器的傳熱

在蒸發(fā)器中，制冷劑液體在低壓低溫下汽化吸收被冷卻介質(zhì)的熱量，成為低溫低壓下的制冷劑干飽和蒸氣或過熱蒸氣。常用的蒸發(fā)器屬于間壁式換熱器，即制冷劑與被冷卻介質(zhì)在換熱間壁兩側(cè)進(jìn)行熱交換。

（二）影響蒸發(fā)器傳熱的因素

第一，制冷劑特性對蒸發(fā)器傳熱的影響。在蒸發(fā)器內(nèi)，制冷劑主要依靠液體沸騰汽化來吸收熱量。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的沸騰主要表現(xiàn)為泡狀沸騰和膜狀沸騰。蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑液體在吸熱后，達(dá)到相對應(yīng)的飽和溫度時，在加熱表面上形成許多氣泡，并在液體內(nèi)部逐漸增大而向上升起、破裂而達(dá)到沸騰，即泡狀沸騰。液體在泡狀沸騰時的傳熱系數(shù)和熱流密度隨溫差△t的增大而增大。隨著溫度差△t的增大，制冷劑在加熱表面上的汽化核心數(shù)目會急劇增多，眾多的氣泡來不及離開加熱表面而匯集成一片，在加熱表面上形成一層氣膜，即膜狀沸騰。液體在膜狀沸騰時由于氣膜存在會增大傳熱熱阻，降低傳熱系數(shù)。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱沸騰一般屬于泡狀沸騰。

第二，被冷卻介質(zhì)特性對蒸發(fā)器傳熱的影響。水、鹽水和空氣是制冷裝置中常見的被冷卻介質(zhì)，其放熱強(qiáng)度除與其物理性質(zhì)有關(guān)外，還與其流動速度、流道的幾何形狀以及流動的途徑等外界因素有關(guān)。流速大，流道的幾何形狀和流動的途徑合理，則傳熱系數(shù)增大，但相應(yīng)的動力消耗和基本設(shè)施費用也增大。最適宜的流速與流道的布局應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、比較才能確定。

第三，換熱面狀況對蒸發(fā)器傳熱的影響。液體如能在潤濕的加熱表面上汽化沸騰，則氣泡根部細(xì)??；形成氣泡的體積小，氣泡容易離開加熱表面而上升。若液體不能在潤濕的加熱表面上汽化沸騰，則形成的氣泡體積較大，根部也較大，汽化核心數(shù)目將減少。這時產(chǎn)生的氣泡就會聚集在加熱表面上，并沿著加熱表面發(fā)展產(chǎn)生氣膜，致使熱阻增大，傳熱系數(shù)下降。常用的一些制冷劑液體均具有良好的潤濕性能和放熱性能。

第四，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)形式對蒸發(fā)器傳熱的影響。在蒸發(fā)器換熱管制冷劑側(cè)的管壁上加設(shè)翅片，可增大換熱面積，提高換熱效果。

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作者簡介：熊小剛（1970.10—），男，漢族，重慶人，本科，副教授，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。