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1、 中央空调用管壳式换热器换热原理，高效换热管齿形和制造 李强 2014-10-24 2.内容提要 一、高效换热管定义及概述 二、满液式蒸发器和冷凝器换热管的齿形特点 三、高效换热管的制造方法 Schneider Electric 3 - Division - Name Date 0.1热流密度和传热温差关系： 问题：沸腾是什么？ 问题：蒸发器干什么用的？ Schneider Electric 4 - Division - Name Date 0.2 沸腾传热参考照片： 0.3 沸腾换热现象 沸腾的定义： 沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。 沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的
2、汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。 Schneider Electric 6 - Division - Name Date 0.4 沸腾换热分类 ： 1 ）大容器沸腾（池内沸腾） ； 2 ）强制对流沸腾（管内沸腾） 上述每种又分为 过冷沸腾 和 饱和沸腾 。 产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1）液体必须过热； 2）要有汽化核心 0.5 大容器饱和沸腾曲线 （ 1）大容器沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过
3、液体自由面进入容器空间。 （ 2）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 特点 : 随着壁面过热度的增高，出现 4 个换热规律全然不同的区域。 Schneider Electric 8 - Division - Name Date （ 3）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。 （ 4） 大容器饱和沸腾曲线： 表征了大容器饱和沸腾的全部过程 ， 共包括 4个换热规律不同的阶段： 自然对流 、 核态沸腾 、 过渡沸腾和稳定膜态沸腾 ， 如图所示： Schneider Electri
4、c 9 - Division - Name Date qmax qmin Schneider Electric 10 - Division - Name Date 如图 6-11 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段 、 、 、 将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下： 1 ）单相自然对流段（液面汽化段） 壁面过热度小时（图中 ）沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。 4tSchneider Electric 11 - Division - Name Date 2 ）核态沸腾（饱和沸腾） 随着 的上升，在加热
5、面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是： t 开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为 孤立汽泡区； 随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为 相互影响区。 tSchneider Electric 12 - Division - Name Date 随着 的增大， q 增大，当 增大到一定值时， q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为 核态沸腾（泡状沸腾）。 t其特点 ： 温压小，换热强度大，其终点的热流密度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。 tSchneider Elec
6、tric 13 - Division - Name Date 3 ）过渡沸腾 从峰值点进一步提高 ，热流密度 q 减小；当 增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一阶段称为 过渡沸腾 。该区段的特点是属于不稳定过程。 tminq原因： 汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 q m 下降。 Schneider Electric 14 - Division - Name Date 4 ）稳定膜态沸腾 从 开始，随着 的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升
7、时，热流密度 q 上升，此阶段称为 稳定膜态沸腾。 minq ttSchneider Electric 15 - Division - Name Date 其特点： 1.汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； 2.辐射热量随着 的加大而剧增，使热流密度大大增加； 3.在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。 Schneider Electric 16 - Division - Name Date 说明： （ 1） 上述热流密度的峰值 qmax 有重大意义 ， 称为临界热流密度 ， 亦称烧毁点 。 一般用核态沸腾转折点 DNB作为监视接近
8、 qmax的警戒 。 这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要 。 （ 2） 对稳定膜态沸腾 ， 因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜 ， 所以换热系数比凝结小得多 。 2 汽化核心的分析 (1) 汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为 汽化核心 ，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。 Schneider Electric 18 - Division - Name Date Schneider Electric 19 - Division - Name Date (2)
9、汽泡的存在条件 汽泡半径 R必须满足下列条件才能存活 (克拉贝龙方程 ) )(2m inswvsttrTRR 式中： 表面张力， N/m； r 汽化潜热， J/kg v 蒸汽密度， kg/m3； tw 壁面温度， C ts 对应压力下的饱和温度， C 可见， (tw ts ) , Rmin 同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强 Schneider Electric 20 - Division - Name Date 0.3 平板沸腾传热照片： 问题：为什么制冷剂液面有高有低？ 问题：实际蒸发器液面是什么，会引起什么问题？优点和好处是什么？怎么消除吸气带液？吸气带液
10、有何好处？ 一、概述： 1.高效换热管定义 1.1 高效换热管是指在普通光管基础上利用专用设备进行加工，并使光滑管内外表面或两者形成各种 整体翅 /齿或其它复杂表面 ，从而使 表面积扩大 和 传热效果得以强化 的换热管。 1.2 管壳式换热器用高效管两端或中间支撑板段应带有光管段（无齿 /翅）。 1.2.1 光滑段作用： 两端：用于胀管 中间：用于支撑换热管 问题：表面是否可以无穷扩大？为什么？有何优点和缺点？ 问题：光管段长度如何设计，和什么因素相关？刀具？胀管工艺？轧制机床？ Schneider Electric 22 - Division - Name Date 1.翅片管分类 a)内表
11、面强化型 ： b)外表面强化型： 问题：各种不同的强化型式的用途是什么？用在什么方面？干式？满液式？还是其他介质？ Schneider Electric 23 - Division - Name Date 图 3 c)内外表面强化型： 1.翅片管分类 问题：换热管应该以那个壁厚来计算强度和刚度？ 二、满液式蒸发器和冷凝器用翅片管的翅型特点： 1.蒸发管的翅型特点 a)蒸发管的功能： 最大限度地把管内 (水侧 )的热量通过管壁传递到管外，使与管壁接触的制冷剂产生汽化，形成连续的汽泡从管外表面逸出，以达到传热的目的。 需控制壳程热阻（如壳程热阻大于管程热阻 2倍以上，壳程的结垢较为严重，壳程为蒸汽
12、，管程为水或水蒸汽冷凝）。 对于显热传热的情形，传热表面两侧的对流换热系数相差 3 5倍，则采用低肋壁螺纹管较适宜，当两侧对流换热系数相差 10倍以上时，可考虑选用较高的肋片。一般肋片的间距不小于边界层厚度的 2倍。 问题：可否简化为电热棒？ Schneider Electric 25 - Division - Name Date b)满足此功能所需的条件： .内翅的设置： 设置内翅是为增加换热面积并使水在流经管内侧时产生紊流，加大热交换的程度。 图 4 蒸发管纵剖面示意图 问题：内翅的密度和高度？如何确定？太大和太小应如何处理？ Schneider Electric 26 - Divisio
13、n - Name Date . 两内翅间的轴向距离： 两内翅间应有足够的间隔，目的是使水能紧贴内壁运行，如间隔太小，由于紊流的作用，水可能沿翅尖作螺旋运行而无法与管内壁作充分的接触。 内翅的条数、翅高和螺旋角诸参数的确定除考虑提高管内传热系数外，还应考虑管内压降。 问题：太密太疏会如何？和什么参数有关？雷诺数？流速？管水利半径？压降内螺纹管和光管差别？ Schneider Electric 27 - Division - Name Date .管外表面的构造应有利于汽核的形成和汽泡的连续逸出，因此外表面加工出很多空穴，空穴的开口宽度小于穴体宽度，目的是控制汽泡的体积，在相同热流密度的条件下，有
14、利于形成 连续的汽泡柱 。 满液式蒸发管在外表面上开有鱼鳞状的细槽 , 形成密集的小孔，并在管表层下形成互相连通的环形通道 ,(冷媒通过时 )可以产生连续不断的气泡 ,所以它可获得优异的高度汽化的热传导性能 微孔提供了蒸发换热所需的大量的汽化核心 ,又促使液体的汽化过程变成在隧道壁上效率极高的液膜蒸发 , 使气泡与管壁面的液膜减薄，减小了热阻，还能利用孔隙的毛细作用使液体及气泡在孔内形成循环，有助于清除杂质和减轻结垢 ,促进单相液体对流，传热系数可达光管的 10倍 图 5 蒸发管外表面示意图 制冷剂蒸发示意图 问题：怎样理解右图中不同的蓝色气泡和红色箭头？ Schneider Electric 28 - Division - Name Date . 封闭空穴，方法是在翅面的周向上加工出凹槽，经压平后就形成了多个独立空穴。 . 各个空穴间互相连通，翅顶凹槽同时也起到通道作用，目的是当部分液体汽化逸出后，其余的液体可迅速补充，使汽泡能连续产生。 问题： 现：外侧潜热，内侧显热（满液）。 如：外侧显热，内侧潜热（干式）？ 如：外侧潜热，内侧潜热（化工）？ Schneider Electric 29 - Division - Name Date 蒸发管外表面示意图 Schneider Electric 30 - Division - Name Date
