制冷與空調(diào)用套管換熱器強(qiáng)化換熱研究

張海濤 ZHANG Hai-tao

（合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230031）

0 引言

換熱器也稱熱交換器，是把熱量從一和種介質(zhì)傳給另一種介質(zhì)的設(shè)備。換熱器是各種工業(yè)部門最常見的通用熱工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、能源、機(jī)械、交通、制冷、空調(diào)及航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。換熱器不僅是保證某些工藝流程和條件而廣泛使用的設(shè)備，也是開發(fā)利用工業(yè)二次能源，實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)能的主要設(shè)備。制冷換熱器是在制冷行業(yè)和制冷系統(tǒng)中使用的，用以實(shí)現(xiàn)冷量傳遞和冷量回收的設(shè)備，常見的形式有冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)盤管和組合式空調(diào)機(jī)組等等。

1 套管換熱器傳統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和換熱原理

1.1 套管換熱器基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)套管換熱器利用同軸雙層套管的形式進(jìn)行制冷系統(tǒng)冷量的傳遞，內(nèi)層管走換熱介質(zhì)冷凍水，內(nèi)層管與外層管之間走制冷劑，利用流體對流換熱的形式進(jìn)行熱量傳遞，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 套管式換熱器原理圖

如圖1所示為套管式換熱器的構(gòu)造簡圖，它由不同直徑的兩種管子套在一起組成同軸套管構(gòu)成。小圓管內(nèi)流過一種流體，小圓管外壁與大圓管內(nèi)壁質(zhì)檢形成環(huán)形空間流過另一種流體。小圓管的管壁就形成隔在兩種流體之間的傳熱壁面。在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造這種換熱器時(shí)，采用同軸套管以螺旋式結(jié)構(gòu)堆疊在一起，以減小換熱器占用空間，提高空間利用率。

1.2 套管換熱器的熱阻計(jì)算

在換熱器傳熱計(jì)算過程中，通常以經(jīng)典熱力學(xué)公式作為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算如圖2所示，兩種流體在壁面間傳遞熱量時(shí)，符合經(jīng)典熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的傳熱方程，即為：

圖2 換熱器傳熱原理圖

其中，?表示傳熱過程中的熱流量，單位為w；K表示壁面間的傳熱系數(shù)，單位是w/（m·℃）；F表示換熱面積，單位是m，Δt表示兩壁面之間的溫差，單位為℃。

在研究換熱器在傳熱過程中的規(guī)律，通常以傳熱系數(shù)的倒數(shù)來表示熱傳遞過程中的阻力，我們稱為熱阻，這樣就可以套用電學(xué)的基本規(guī)律來研究傳熱學(xué)。套管式換熱器在換熱過程中，除了壁面本身的熱阻之外，兩種流體與壁面之間換熱的時(shí)候，也會(huì)存在熱阻，這種熱阻我們稱之為對流換熱熱阻。不同的流體介質(zhì)具有不同的性質(zhì)，在換熱時(shí)也會(huì)以不同熱阻的形式呈現(xiàn)。如圖3所示。

圖3 對流換熱熱阻示意圖

以電學(xué)中的歐姆定律來描述傳熱學(xué)中的熱流量，這個(gè)方程可以寫成如下形式：

式中，t和t為換熱器表面兩側(cè)流體的溫度；R為流體1與壁面?zhèn)鳠釙r(shí)的對流換熱熱阻；R為流體2與壁面?zhèn)鳠釙r(shí)的對流換熱熱阻，R為壁面本身的熱阻。從公式（1）和（2）可以看出總熱阻可以描述為各串聯(lián)熱阻之和，公式如下：

這種以對流換熱形式進(jìn)行的熱量傳遞，其熱阻包含以下幾個(gè)方面：

①熱流體側(cè)對流換熱熱阻R，包括該側(cè)擴(kuò)展表面或肋片的溫度不均勻性產(chǎn)生的熱阻；

②壁面本身的傳熱熱阻R；

③冷流體側(cè)對流換熱熱阻R，包括該側(cè)擴(kuò)展表面或肋片的溫度不均勻性產(chǎn)生的熱阻。

2 套管換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

從公式（3）可以看出，如果想讓換熱器在換熱過程中的熱流量提高，可以從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行，首先可以增加換熱器的傳熱表面，傳統(tǒng)增加傳熱表面的方式是在管內(nèi)增加肋片的形式。其次是可以減小換熱過程中的熱阻，熱阻有三個(gè)方面，冷流體側(cè)的換熱熱阻，熱流體側(cè)的換熱熱阻和管壁本身的換熱熱阻。換熱器管壁本身的熱阻跟換熱器材料有關(guān)，流體側(cè)的對流換熱熱阻的大小跟流體本身的流動(dòng)形式有關(guān)。普通制冷劑和水等流體在常規(guī)流速的情況下是以紊流狀態(tài)存在的，但是可以通過螺旋流動(dòng)的方式增加其繞動(dòng)，從而可以降低其對流換熱熱阻。流體的螺旋流動(dòng)可以通過在管內(nèi)壁和外壁增加螺旋肋片的形式來實(shí)現(xiàn)。這種方式不僅可以增強(qiáng)流體擾動(dòng)，降低換熱熱阻的情況下，同時(shí)可以降低在流體流動(dòng)過程中的阻力。既可以增強(qiáng)換熱效率，又可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中降低水泵能耗，起到節(jié)能的效果。

套管式換熱器為了強(qiáng)化換熱，可以對套管換熱器進(jìn)行以下改造：①套管內(nèi)管內(nèi)壁采用螺旋肋片結(jié)構(gòu)；②內(nèi)管外壁采用螺旋肋片結(jié)構(gòu)。

2.1 套管內(nèi)管內(nèi)壁采用螺旋肋片結(jié)構(gòu)

制冷套管換熱器的外管內(nèi)壁采用螺旋肋片結(jié)構(gòu)，可以使流體在流經(jīng)管路的過程中增加流程，從而增加換熱效率，同時(shí)由于流體在螺旋結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下，以渦流形式流動(dòng)增加的在與壁面的對流換熱過程中的擾動(dòng)，使對流換熱系數(shù)大大增加，第三個(gè)方面，內(nèi)壁的螺旋結(jié)構(gòu)增加的換熱面積，增加了換熱量，如圖4所示。

圖4 套管換熱器外管內(nèi)壁螺紋示意圖

在換熱器適用圓管壁面導(dǎo)熱是，傳熱的熱流量為：

式中d為圓管壁的外徑，單位為m；d為圓管壁的內(nèi)徑，單位為m；L為圓管壁的長度，單位為m；λ為圓管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·℃）。

由此我們可以得出在圓管導(dǎo)熱的情況下的熱阻為：

由式（5）可以得出，如果想降低在傳熱過程中的熱阻，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)，其一就是通過增加管長，可以降低熱阻；其二就是增大圓管內(nèi)徑。換熱器受到自身空間大小的限制，要增加管長很難實(shí)現(xiàn)；增大圓管內(nèi)徑勢必要減少壁厚，壁厚降低的情況下會(huì)降低管路強(qiáng)度，因此，在這樣的情況下，采用的唯一方法就是以在圓管內(nèi)壁增加肋壁的方式來增加圓管內(nèi)徑。

在換熱器表面一側(cè)采用肋壁的形式來強(qiáng)化傳熱，是一種增強(qiáng)換熱器傳熱性能的有效方法，如圖5所示。如房間空調(diào)器的蒸發(fā)器、冷凝器等都適用肋片來強(qiáng)化傳熱。肋片的形狀有很多種，如片狀、條狀、柱形、齒形等等。套管換熱器其內(nèi)部增加的肋壁，有流體通過的情況下，為了降低阻力，其肋壁的形狀宜采用圓角的形式，如圖5所示，設(shè)肋和壁是同一種材料，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，厚度為δ，肋壁的表面積為F，肋面溫度為t，肋壁側(cè)流體的溫度為t，流體對肋壁面的對流換熱系數(shù)為h，無肋側(cè)光壁的表面積為F，肋面溫度為t，肋壁側(cè)流體的溫度為t，流體對肋壁面的對流換熱系數(shù)為h。

圖5 肋壁傳熱示意圖

設(shè)t＞t，通過肋壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱形式如下，

流體與光壁表面一側(cè)的換熱量為：

肋壁的導(dǎo)熱為：

冷流體與肋壁表面一側(cè)的換熱量為：

將上述三式移項(xiàng)后相加可得：

所以通過肋壁的傳熱量可以寫成如下公式：

從公式（10）中可以看出，通過對流換熱進(jìn)行熱量傳遞時(shí)，可以有以下幾種方法，其一，擴(kuò)大兩種流體的溫差，在制冷系統(tǒng)中，如果想擴(kuò)大溫差，在熱流體溫度不變的情況下，只能降低冷流體的溫度。在制冷原理中，如果要降低冷流體的溫度，就需要降低制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度，降低蒸發(fā)溫度會(huì)是制冷系統(tǒng)的能效比降低，這是得不償失的。其二，減少肋壁的厚度，這種情況會(huì)降低換熱器的強(qiáng)度。其三，增加F的面積，這是通過增加肋壁的形式來實(shí)現(xiàn)的，由于肋壁的表面積F大于光壁的表面積F，這說明，平壁改為肋壁后會(huì)增強(qiáng)傳熱。在制冷空調(diào)工程中，把表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的一側(cè)的面積增大，是一種增強(qiáng)傳熱的最廣泛的方法。肋壁面的面積F與光面的面積F的比值F/F被稱為肋化系數(shù)，用α來表示。當(dāng)h（F/F）的值接近于h時(shí)，即使再增加F/F的值，也不會(huì)有明顯的增強(qiáng)換熱的效果。

2.2 內(nèi)管外壁采用螺旋肋片結(jié)構(gòu)

在公式（10）中，如果以光壁的面積為基準(zhǔn)來計(jì)算傳熱系數(shù)，則傳熱系數(shù)的公式可以寫成如下形式：

則傳熱量的公式可以寫成如下形式：

從這個(gè)公式可以看出，如果想增強(qiáng)換熱效果還可以增加F的面積，這就是在套管換熱器中的內(nèi)管的外壁增加螺旋肋片結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。在對流換熱過程中，傳遞的熱流量與套管換熱器內(nèi)管外壁的面積成正比，因此，我們在內(nèi)管外壁上增加螺旋肋片以增加換熱面積，如圖6所示。

圖6 內(nèi)管雙肋片截面示意圖

在制冷空調(diào)設(shè)備的換熱器中傳熱面大都是金屬薄壁，薄壁的導(dǎo)熱熱阻很小，一般可以忽略不計(jì)，在不計(jì)入污垢熱阻時(shí)，傳熱系數(shù)可以寫成如下公式

如果在換熱器兩邊的肋片面積相同的情況下F=F，這個(gè)公式可以轉(zhuǎn)化成

其中，

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的效果

在套管式換熱器在進(jìn)行對流換熱過程中，為了強(qiáng)化在換熱過程中的換熱效率，對套管式換熱器的內(nèi)壁進(jìn)行肋片化改造，并使這種肋片以螺旋形態(tài)在管壁內(nèi)壁和外壁繞行。這種方式可以使套管式換熱器的換熱效率得到大幅度的提升，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，首先，通過肋片化改造，使套管換熱器的換熱面積得到較大程度的提高，這不僅提高了套管間的對流換熱的熱流量，也使內(nèi)管內(nèi)壁的對流換熱的熱流量得到提升。其次，通過在管路內(nèi)的肋片以螺旋的形式存在，可以是流體在流過換熱壁面時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，大大增強(qiáng)了流體與壁面之間的對流換熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)的增強(qiáng)，也會(huì)使換熱效率提升。使制冷系統(tǒng)的能效比提高，起到了很好的節(jié)能效果。第三，在換熱器制作過程中，在不增加材料使用量的情況下，改變壁面形狀，可以使換熱器的強(qiáng)度加以提升。第四，流體在管內(nèi)流動(dòng)過程中，由于是以螺旋的狀態(tài)進(jìn)行的，流體的流程比原來的光壁套管得到較大的提高，增加流體在套管換熱器內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間，從而能增強(qiáng)換熱器的換熱效率。第五，本文討論的套管換熱器，在套管內(nèi)外流動(dòng)的流體，是以逆流的方式進(jìn)行換熱的，這種方式同樣比順流式的換熱器有較強(qiáng)的換熱效果。

4 結(jié)論和效益

通過前面的討論我們可以得出下面的結(jié)論，在套管式換熱器進(jìn)行換熱的過程中，對內(nèi)管內(nèi)壁和外壁進(jìn)行肋片化改造，可以使套管換熱器的換熱效率大幅度的提升，起到很好的節(jié)能效果，如果能在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到大規(guī)模的使用，將會(huì)帶來很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。