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浩澤物資有限公司
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強化換熱器換熱的方法及熱力計算
通過對翅片管式換熱器的結構進行改進與優化設計,然后對其換熱性能與改進前換熱器進行對比計算,結果是改進后的換熱器的傳熱系數得到了提高。
一、調整換熱器的翅片間距,設計成為變翅片間距。
1、設計原理
當氣流通過蒸發器時,由于空氣中的水蒸氣不斷地在翅片管表面沉積,空氣由于除濕作用相對濕度降低,沿氣流方向翅片盤管表面結霜量是遞減的,如果采取變片距結構,可以在結霜條件下保持其較高的傳熱效率,并延長其沖霜時間。當蒸發器采用變翅片間距結構時,實際上已構成了翅片的錯列分布,當空氣橫掠錯列翅片時,翅片的交錯分布使得上游翅片對下游翅片有繞流作用,由于前面翅片的繞流,翅片的前半部分換熱加強,后面的翅片的分布又使得流道變窄,流速提高,翅片后半部分的換熱也得到強化。
2、變翅片間距的結構示意圖及對比計算
由于該改進方案采用的是變翅片間距形式,在理論上可近似認為是錯列翅片,因此在分析中可借用錯列翅片的理論。圖1 是所研究的流體縱掠錯列翅片的一個二維模型,翅片間距為H ,厚度為t 。
由于該結構形式實際為錯列翅片,當流體縱掠翅片時,氣流在上游翅片先受到擾動,因此在前幾排管上的翅片換熱加強,當氣流流經后幾排管子時,由于流通截面迅速變窄,流速提高,使流體在原有的基礎上又進一步受到擠壓,擾動更加劇烈,因此通過后加上的一組翅片,使換熱也得到了強化。
通過變翅片間距的結構改進,冷風機在外形尺寸即高度、寬度和管總長度不變的前提下,在結霜工況下運行時仍可保持較高的傳熱系數,且采用變翅片間距結構的冷風機比等翅片間距結構冷風機的傳熱系數提高了9. 8 % ,且傳熱面積有所提高,通過提高傳熱系數和傳熱面積從而達到強化傳熱的目的(圖2) 。
對于翅片管式換熱器,其傳熱系數的計算采用下列公式。式中: hi ,h0為管內制冷劑和管外空氣側換熱系數(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 為管內、外面積( m2 ) ; β為管內外面積比; ri , r0為管內、外表面的污垢系數( (m2·K) / W) ;λ為管壁導熱率(W/ (m·K) ) ;η為肋化效率; di , d0為管子內/ 外徑(m) 。對于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系統,經過結構改進,其熱力性能計算結果如表1 所示。
二、加強管內流體流動,管內壁加工變螺距內螺紋。
1、設計原理
2、變間距內螺紋翅片管結構示意圖及對比計算對等間距內螺紋翅片管換熱器管內螺紋進行改進,由于管內有規則、連續的凸肋和凹槽發生改變,使之內表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數增大3. 82 %,管內換熱系數也增加了4. 89 %。等間距與變間距內螺紋管結構示意圖如圖3、圖4 所 式中: f m為單位管長管子平均面積(m2 ) ; f i為單位管長管子內面積(m2) ; f 2為單位管長管子總外表面積(m2) ;αi為管內對流換熱系數(W/ (m2· K) ) ;αw 為管外對流換熱系數(W/ (m2· K) ) 。
對于汽車空調系統,當負荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計算結果如表2 所示。
換熱器類型及工作性能
換熱器按照其工作原理可分為間壁式、混合式和蓄熱式三類。
間壁式換熱器,熱流體和冷流體間有一固體壁面,兩種流體被固體壁面隔開,彼此不接觸,熱量的傳遞必須通過壁面。
混合式換熱器依靠冷、熱流體的直接接觸而進行換熱,換熱后理論上應變成同溫同壓的混合介質流出。
蓄熱式換熱器則依靠固體填充物組成的蓄熱體傳遞熱量,冷熱流體依次交替的流過由蓄熱體組成的流道。當熱流體流過時,把熱量儲存于蓄熱體中,其溫度逐漸升高,而當冷流體流過時,蓄熱體因放出熱量溫度逐漸降低,如此反復進行。
【問題1】增加對流換熱一定要用翅片嗎？
問：用增加流速的辦法也可以有效地增加管外側的對流換熱，難道一定要用翅片管嗎？
答：是的，一定要用翅片管。因為用增加流速的辦法對增大對流換熱和傳熱的作用是有限的，而只有采用翅片管才可能大幅度地增強傳熱。請注意上面表格中每一個方框欄中所列舉的數據：其中，h的數值也可看作未加翅片時光管的對流換熱數值，當流速從1㎏/（㎡S）增至4㎏/（㎡S）時，h的數值可從25 w/（㎡·℃）左右增加至70 w/（㎡·℃）以上，看起來流速增加的效果是顯著的。但請比較ho的變化，ho代表采用翅片以后，換算到光管外表面的換熱系數，當流速從1㎏/（㎡S）增至4㎏/（㎡S）時，ho將從150 w/（㎡·℃）左右增加至400 w/（㎡·℃）。由此可見，翅片的作用是不可替代的。此外，還應考慮到，流速是不允許隨意增加的，流速過高會導致流動阻力的急劇上升，增加運行成本。
【問題2】關于傳熱公式問：傳熱公式Q = A K△T與其他局部過程的換熱計算式的區別在哪兒，傳熱公式有什么優點？
答：傳熱公式是基于從熱流體到冷流體的整個傳熱過程推導出來的，而局部的換熱計算式，如管外部的對流換熱式Q=A ho (Two-To)僅適用于這一特定的局部換熱過程。
傳熱公式的大優點在于其傳熱溫差△T=Ti-To是熱流體和冷流體之間的溫度差。眾所周知，流體的溫度是比較容易測量和獲取的；而任何一個局部的換熱式中都包含了壁面溫度(Two或 Twi)。壁面溫度的測量是很困難的，在一個大的換熱設備中，要測量、獲取它的壁面平均溫度幾乎是不可能的。
【問題3】為什么要重視換熱系數ho？問：既然傳熱系數K與三個局部過程的特性有關: 答：這是因為翅片側的“熱阻”大，唯有它對整個傳熱過程起到“控制”作用。在翅片管傳熱的應用條件下，假定管內是水的單相流動或水的相變過程（沸騰或凝結），管內的換熱系數hi在5000~10000之間，而管外翅片側的換熱系數ho在150~400之間。兩者相差是很懸殊的。所以其熱阻（1/ho）將起到控制作用，總熱阻僅比它大一點點。因而傳熱系數K的數值總是接近ho的數值，且總是小于ho的數值
【問題4】掌握翅片換熱器設計應牢記什么？下面幾個簡單的概念或基本公式是應該記住的，這對掌握翅片管換熱器的設計方法是至關重要的。
1）傳熱過程是熱量由熱流體通過管壁傳給冷流體的整個過程，它由三個局部過程組成。
2）傳熱公式Q = A K△T ，一定要牢記。不論對所有型式的換熱器的設計，還是對翅片管換熱器的設計，它是形式簡單，但是重要的公式，它是所有計算式中的 №1 ！
3）之所以稱上述公式重要，因為換熱器的傳熱面積A就是由這一傳熱公式計算出來的：
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