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1、强化传热在冷凝器冷凝过程的应用第四组：王安民 张磊 制作 一、制冷系统简介最简单的制冷系统由四大要件组成：压缩机；冷凝器；节流阀；蒸发器；（1 1）压缩机）压缩机 基本作用：压缩气体，产生高温高压的冷媒气体基本作用：压缩气体，产生高温高压的冷媒气体。（2 2）换热器（）换热器（冷凝器、蒸发器）冷凝器、蒸发器）基本作用：强化冷媒和空气的换热（换热面积、换热系数）基本作用：强化冷媒和空气的换热（换热面积、换热系数）（3 3）风机、风道）风机、风道 基本作用：强化冷凝器、蒸发器的作用。基本作用：强化冷凝器、蒸发器的作用。（4 4）膨胀机构（毛细管、膨胀阀）膨胀机构（毛细管、膨胀阀）基本作用：使中温高
2、压液体节流成为低温低基本作用：使中温高压液体节流成为低温低 压的液压的液体冷媒体冷媒 制冷循环的冷凝过程冷凝过程 从制冷机排出的高温高压过热蒸汽，进入冷凝器与冷却水或空气进行热交换，使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽，进而变成饱和液体。当用冷却水冷却时，饱和液体的温度继续降低，出现过冷。冷凝过程中压力保持不变。冷凝器 冷凝器是制冷装置中一个很重要的换热设备,其特点是体积较大,贵重管材耗量多,其工作性能好坏对动力装置的效率影响较大。例如当冷凝器的热阻降低时,在同样的输出功率的情况下,动力装置的耗热率 kJ/kW 会减小,从而可以提高装置的总效率。为此国内外的相关研究单位对冷凝器的性能及强化传热问题进行了
3、大量的研究工作。冷凝器强化传热分析根据传热学的基本原理,冷凝器的总传热量可由下式计算:Q=KFt (1)式中F 是传热面积,m2;K 是冷凝器的总传热系数,W/(m2);K 可以由以下公式计算 (2)式中Ri 是冷凝器管内水侧的热阻;Rw 是管壁的热阻;Ro 是管外蒸汽侧的热阻;Rf 是污垢热阻;t 是对数平均温差,;t 由以下公式计算 (3)式中tin是冷凝器管内入口水温,;tout是冷凝器管内出口水温,;t sat是管内水压力下的饱和温度,。图1 给出了实验研究结果,图中横坐标为管内强化传热系数比ei(=强化管的传热系数hie/光管的传热系数hip),纵坐标为动力装置的耗热率变化,负值表示
4、装有强化管的冷凝器比光管冷凝器耗热率减少的数值。图中eo 表示管外侧的强化传热系数比(=强化管的传热系数hoe/光管的传热系数hop),从图中可以看出,外侧强化传热系数比的提高对耗热率的影响比内侧的影响大得多。另外从图中还可以看出,当内侧强化传热比大于1.5 以上时,对冷凝器的性能没有太大的影响。可见，提高管内对流传热系数对动力装置的耗热率影响不明显,而提高管外侧的强化传热系数效果比较显著,冷凝器管外侧的冷凝传热系数有很多种计算公式,这些计算公式在一般的教科书中都可以找到,但这些计算公式大多数是在实验室的条件下得到的。这些公式对于理想情况下的冷凝传热计算是正确的,但距离应用在冷凝器中的实际情况
5、相差甚远。对于一个大型的电站或者船用冷凝器,管外侧的传热要考虑以下几个问题:(1)不凝结气体的影响;(2)冷凝液覆盖壁面的影响;(3)蒸汽在冷凝器内流动过程中,流动阻力和压降的影响;(4)管子排列的影响;(5)蒸汽流动过程中流场变化的影响等。螺纹槽管使用性能分析 据有关文献,螺纹槽管具有内外双侧强化传热的作用,并且加工方法简单、使用方便。目前在美国、英国和日本等国家的一些冷凝器中采用。螺纹槽管的形状如图2 所示,这种管子的性能与槽深和螺距有很大关系,当增加槽深时,强化传热的效果会增加,但同时管内的流动阻力也随之增加,从而增加了循环水泵的耗功或者降低循环水的流量。例如当槽深为0.85 mm时,流
6、动阻力系数比光管增加35 倍,而当槽深为0.27 mm 时,流动阻力系数只增加0.110.3 倍。根据上图所展示的实验结果,管内的强化传热比在1.5 之内对装置的耗热率有好的影响,大于1.5 以后所起的作用不大。因此在使用螺纹槽管时槽深不宜太深,根据文献的实验结果，当槽深为0.6 mm 螺距为12 mm 时,内侧强化传热比为1.451.72,这种尺寸的管子用在实际的冷凝器上比较合适。理论上，一般认为螺纹槽管外侧沟槽有积聚冷凝液和排出冷凝液的作用,因此有较好的强化传热效果。事实上，根据近年来一些实验结果看,管外侧的强化传热效果并不十分明显;Rabas T J 对很多实验数据分析后认为,由于螺纹槽
7、管的螺距较大(一般在820 mm 之间),外侧的沟槽对蒸汽的凝结传热起不到很大的强化传热作用。特别是当管排数较多时,下面管子表面液膜较厚,沟槽的聚液和排液能力会消失。给出的结果表明,普通的螺纹槽管外侧的强化传热比只有1.01.10。也就是说普通的螺纹槽管只有内侧有强化传热作用,外侧并无太大的强化传热作用。Heat2rate Improvements Obtained by Re2tubing Condensers with new,Enhanced Tube Types.Advances inenhanced heat transfer 根据以上这些分析,在大型冷凝器中使用螺纹槽管并不是一个很
8、好的选择,因为在这种情况下冷凝器中管外侧传热的强化是重要的,而螺纹槽管达不到很好的外侧强化传热作用。从图1 中可以看出,管外的强化传热比为1.5时效果较好,当eo 大于1.5 带来的效果并不明显。提高管内传热系数对耗热率有一定的影响,但效果不大。根据以上这些结论,在大型冷凝器中采用图3 所示的低翅片管比较合适。这种管子可以用滚压的方法成型,加工比较简单,目前在国内一些工业换热设备中有所使用。这种管子虽然内侧无强化传热作用,但外侧冷凝的传热效果较好,可以达到1.52.0 的强化传热系数比。另外还可以采用在普通的螺纹槽管的外表面上加工出低翅片或者在表面上滚压出紧密而细小的凹槽,这样可以提高外表面的
9、传热系数,从而可以达到降低装置耗热率的目的。在大型动力装置的蒸汽冷凝器上采用以上两种强化传热管,会带来比普通螺纹槽管更好的效果。Ala Hasan等人对蒸发式冷却器中使用椭圆管和翅片管进行了实验研究，表明翅片管束在相同能量指数下传递较多的热量可达92%140%几点结论:(1)在大型冷凝器中,采用强化传热的方法提高管外侧的传热系数对减少动力装置的耗热率会起到较好的作用。(2)由于增加管内传热系数会增加流动阻力和污垢系数,因此管内的强化传热系数比不宜过大,当ei 大于1.5 时对动力装置耗热率的变化无大的影响。(3)当冷凝器的设计性能不佳(管束排列不合理或蒸汽流场分配不合理)时,管束系数值较小,提
10、高管外侧的传热系数会带来更明显的好处。(4)在大型冷凝器中采用低翅片管或在普通的螺纹槽管上进行适当的加工,提高外侧的传热系数,会带来较好的效果.强化传热技术在蒸发式 冷凝器的应用在冷冻空调中，采用蒸发式冷凝器，比一般的冷凝设备(例如风冷式冷凝器或者冷却塔+壳管式冷凝器）更为经济有效。且由于蒸发式冷凝器的设计冷凝温度比常用的水冷式和空冷式冷凝器低，运行费用会更加经济，节约能耗；蒸发式冷凝器广泛应用于没有循环水系统的企业中。由于蒸发式冷凝器靠喷淋的水分蒸发来冷凝制冷剂，所以蒸发冷并不省水，其冷凝制冷剂所需要的蒸发的水分跟水冷壳管式冷凝器+冷却塔是差不多的。蒸发式冷凝器工作原理 制冷、空调系统中压缩
11、机排出的制冷剂高压过热气体经过蒸发式冷凝器中冷凝排管，制冷、空调系统中压缩机排出的制冷剂高压过热气体经过蒸发式冷凝器中冷凝排管，使高压高温气态的制冷剂与排管外的喷淋水和空气进行热交换。即气态制冷剂由上部进使高压高温气态的制冷剂与排管外的喷淋水和空气进行热交换。即气态制冷剂由上部进气口进入冷凝排管后自上而下逐渐被冷凝成为液态制冷剂。气口进入冷凝排管后自上而下逐渐被冷凝成为液态制冷剂。其上部配套引风机的超强风力使喷淋水完全均匀地覆盖在冷凝排管的表面，水借风其上部配套引风机的超强风力使喷淋水完全均匀地覆盖在冷凝排管的表面，水借风势极大地提高了换热效果。温度升高的势极大地提高了换热效果。温度升高的喷淋
12、水有一部分吸热后蒸发为气态，喷淋水有一部分吸热后蒸发为气态，利用水的汽化潜热由引风机带走大量利用水的汽化潜热由引风机带走大量的热量，水蒸气中的水滴被高效脱水的热量，水蒸气中的水滴被高效脱水器挡住，并与其它吸收了热量的水，器挡住，并与其它吸收了热量的水，散落到散落到PVCPVC淋水片的热交换层中，被淋水片的热交换层中，被流经的空气冷却后温度降低进入底部流经的空气冷却后温度降低进入底部水箱，再经循环水泵继续进行循环，在水箱，再经循环水泵继续进行循环，在冷凝过程中蒸发掉的水份由水位调节冷凝过程中蒸发掉的水份由水位调节浮球控制器自动给予补充。浮球控制器自动给予补充。填料和扭曲管两种强化方法 蒸发式冷凝
13、器管内流动着制冷剂，管表面为薄层水膜覆盖，管外层流动着冷却空气，是个兼有热质交换的复杂过程。Ala Hasan等人对蒸发式冷却器中使用椭圆管和翅片管进行了实验研究，表明翅片管束在相同能量指数下传递较多的热量可达92%140%，椭圆管的主要优点是摩擦因子低，即风机所耗功率低。王东屏指出蒸发式冷凝器带有过热蒸汽冷凝盘管，传热效果可增加10%。Erens模拟计算发现添加Munter的塑料材料可以显著地增强光滑管冷却器的传热性能，而无需使用成本很高的翅片管以增加传热面积。蒋翔对益美高公司和巴尔第摩公司的蒸发式冷凝器进行了测试分析，提出了管型和填料这两种强化途径，并就扭曲管在蒸发式冷凝器中的应用做了一定
14、的理论分析。实验装置 本实验装置系统是一套完整的单级压缩制冷循环系统，如图1所示，制冷工质为氟利昂R22。它主要包括蒸发式冷凝器，膨胀阀，蒸发器，压缩机四大制冷部件，以及一些辅助设备包括干燥过滤器、电磁阀和储液器等。本实验所采用的测量元件大多都是能与计算机配套使用的常用物理量传感器或测试仪器。实验中需要测试的物理量主要有：空气的干湿球温度、水的温度和流量、制冷剂温度和压力及压缩机功耗。本实验系统采用具有多点数字采集功能的巡检仪，同时配置平板电脑系统，并由MCGS全中文组态软件支持，组建了一套完整的监测系统，以便实时存储记录实验数据。实验中，铂热电阻的测量精度为A级，压力变送器的测量精度为0.2
15、5%，涡轮流量传感器的测量精度有0.5%和1%两种，功率表的测量精度为2%，仪器仪表在测量前都经过校正，能满足实验精确度的要求。蒸发式冷凝器换热盘管采用160.5mm光滑紫铜圆管，正三角形排列，其结构参数如图2所示。迎风面积0.68m2，管外传热面积Fo为11.26m2，管内传热面积Fi为10.56m2。实验中，通过变频器来调节蒸发式冷凝器的运行风量和冷却水流量。强化传热方法分析 蒸发式冷凝器中的主要热阻在于水气界面的传热传质。必须指出，蒸发式冷凝器中热质交换面的形成和喷水室是不同的。喷水室进行热质交换的是经过喷嘴雾化后的小水滴和空气的接触面，而蒸发式冷凝器热湿交换面为空气与水膜及水膜和管外壁
16、的接触面积，由于水珠飞溅及水膜的波动，导致空气与水膜的接触面与盘管外表面积不同，但它们之间的比例数基本不变。也就是说，盘管管间水膜分布的大小和形状对蒸发式冷凝器的传热过程起到了重要的决定性作用，并且在满足一定的喷淋水量情况下，水膜的分布主要与盘管的结构和形状有关。图3和图4分别给出了盘管管束管间在横向和纵向的水膜和空气的流动分析简图。从上分析可知，强化蒸发式冷凝器传热，就是强化水气界面的传热传质，可以通过提高气-水界面交换面积比率来实现，一方面可以通过增加额外的气-水界面交换面积如填料，另一方面可以通过管子形状的改变，如采用扭曲管、椭圆管等，使管间水膜流动状态接近片状流，而且管束的排列最好采取
17、叉排的形式。实验研究加入填料强化传热 实验选用广州马利冷却塔公司生产的MC75填料，如图6所示。该填料是用0.38mm厚，抗紫外线，抗化学腐蚀的聚氯乙烯经热塑真空吸塑成型的填料片经过交叉叠合而成的，每片结构设计成45度倾斜波纹。用于实验的填料尺寸规格为：720mm420mm110mm，共三块。填料的安装位置如图7所示。实验中，保证蒸发式冷凝器相同的空气进口湿球温度24.1和喷淋密度0.047kgm-1s-1，调节风机变频器，测定不同频率下有填料和无填料蒸发式冷凝器的传热性能。数据处理方法参见文献19。图8和图9给出了总传热系数和传质系数的比较结果。从图可知，在实验条件下，有填料和无填料的蒸发式
18、冷凝器总传热系数平均值分别为410 Wm-2K-1 和364 Wm-2K-1，传质系数分别为0.216 kgm-2s-1 和0.147 kgm-2s-1。可见，填料的加入有效地强化了蒸发式冷凝器的过程传热传质，分别提高了传热和传质系数7%17%和35%63%，传热传质系数分别平均提高了12%和47%。图10给出了填料对蒸发式冷凝器中循环冷却水温度的影响。从图可见，填料的加入，有效地降低了循环冷却水温度12，这提高了管外水膜和管内制冷剂蒸汽的传热推动力，有利于提高蒸发式冷凝器的传热效果。总传热系数K由制冷剂蒸汽冷凝传热膜系数、管外水膜传热系数和管外空气传热系数这三部分组成。图11给出了填料加入后
19、管外空气传热系数的实验结果。从图可知，有填料的蒸发式冷凝器空气传热系数大大地提高，传热系数提高幅度为4986 Wm-2K-1，提高比率为30%66%，传热系数最大值为218.17 Wm-2K-1；比较总传热系数和管外空气传热系数的数值可知，管外空气传热系数的提高对总传热系数提高起决定性的影响作用，该实验结果和上面分析的蒸发式冷凝器主要热阻理论是相符的。扭曲管强化传热 把光滑铜管先在模具中加热和压制，然后按照一定的扭曲间距即可制成扭曲管。实验中，扭曲管的扭距为0.4m，轴向比例为1.5。扭曲管的周长和光滑铜管的周长相等。管排的布置方式和光滑圆管相同。实验中，喷淋密度满足完全湿润换热管即可，取为0
20、.047 kgm-1s-1，空气的迎面风速为3.0 ms-1。采用Kodak彩色高速摄影机来记录水膜在管间的流动方式，实验过程每秒拍500幅。图1213分别代表性地给出了光滑圆管和扭曲管管间的水膜流动形式。从图12可知，水流在光滑圆管间的分布较为零乱，显得无法控制，多为分散的滴状流，水滴大小不均；光滑圆管底部滞留有水滴，由于受到表面张力、重力和剪切力等力的作用，水滴将沿着管底不停地以类似波的形式交替滑动，不易从管底脱落，直到水滴达到力的不平衡点后才会脱离管表面。可见，水膜厚度在光滑管表面是从管顶至管底逐步增加的，厚度及为不均，这极大影响蒸发式冷凝器的传热传质。从图13可知，水膜在扭曲管管间的分
21、布变得均匀可控制，水滴在扭曲管的凹凸曲面和逆流而行的空气流的共同作用下，不断在管表面滚动更新，产生良好的薄层蒸发和强化传热效果；相比之下，水膜在扭曲管上受到更佳的表面切割和摩擦作用，流过管表面后在管间形成更多更小的水柱流或片状流，水膜在扭曲管管表面实现更好的滚动更新效果，同时增大管外空气流与水流的接触面积和时间，强化了蒸发式冷凝器过程的传热和传质。综上所述，改变管子的管型即采用扭曲管同光滑圆管相比较，它能实现管表面和管间更好的水膜分布形式，进而增大水-气界面的热质交换面积，促进管表面水膜的蒸发，迅速带走管内制冷工质的冷凝热，强化蒸发式冷凝器的传热效果。具体的扭曲管蒸发式冷凝器强化传热效果有待进一步的传热性能测试研究。5.结论(1)通过理论分析，提出采用加入填料的形式或改变管型等方法来提高水气界面热质交换面积，减小传热过程热阻，进而强化蒸发式冷凝器的器的过程传热。(2)实验表明，填料的加入强化了蒸发式冷凝的传热传质，总传热系数提高7%17%，传质系数提高35%63%。(3)采用可视化方法比较了扭曲管和光滑圆管的管外水膜分布，得出扭曲管可以实现更好的水膜分布效果，有利于蒸发式冷凝器传热效果的提高。