高效节能型空调换热器探讨

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1、高效节能型空调换热器探讨高效节能型空调换热器探讨 杨智勇a 杨晓春b 杨 宇c (a:四川省理工职业技术培训学院 611130) (b:四川省遂宁市发改委 629000) (c:四川圣丰有限公司 611100) 【摘 要摘 要】 本文围绕空调换热器节能降耗技术进行了全面分析，提出了一些可行措施，对 高效节能型空调蒸发器进行了有益的探讨。 【关键词关键词】 换热器 节能降耗 新技术 Approach toThe Heat Exchanger of High-efficiency and Energy-saving for Air-condition Yang Zhiyonga Yang Xiao

2、chunb Yang Yuc (a:Sichuan Institute of Science 插入物加工 简单,特别适合于现有设备改造,不需要更换原有管壳式 换热器。应用在管内插入纽带后， 其凝结换热系数按管子的表面积计算时可比光管凝结换热系数高 30%， 流动压力损失与内肋 管同，但综合效应远不如采用内肋管。 2.3 表面粗糙法 2.3 表面粗糙法 在液体传热场合, 这种强化技术可以大大提高传热系数。 因为, 在层流状态下, 如管壁 粗糙度较小, 低速流体贴着管壁平滑地流过, 不形成漩涡, 但当相对粗糙度 h/ R , 即粗糙 高度与管子内半径之比增大时,流体不再平滑地流过管壁,在管壁附近会

3、形成漩涡,即粗糙度 对换热和阻力产生影响。 在管子内表面增加粗糙度，用高度与管子内径比值为 0.013、0.021 进行实验，凝结系数比光管高近一倍， 与内肋管凝结换热系数基本相同， 阻力损失和金属的消耗量比内肋管少。 2.4 螺旋扁管法 2.4 螺旋扁管法 螺旋扁管由于管子的独特结构,流体在管内处于螺旋流动,促使湍流程度。 经实验研究表 明螺旋扁管管内膜传热系数 通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时最为明显,达 23 倍;随着雷诺数的增大,通常也可提高传热系数 50%以上。 2.5JAD 螺旋螺纹管法 2.5JAD 螺旋螺纹管法 来自加拿大的 JAD 螺旋螺纹管换热器设计是针对目前市场大部

4、分非对称流的换热工况， 使两侧换热面积大不相同， 壳容积最大可达 4.2 倍的管容积， 在汽水换热领域有着无可比 拟的优势，并且可满足多种复杂工况要求，被誉为“欧洲蒸汽王子” 。螺旋螺纹管换热器的 换热管内径一般为 8mm，考虑到了压降和换热系数的最佳组合关系，争取以最小的压降达到 最好的换热系数，与常规的管壳式换热器相比，JAD 螺旋螺纹管换热器换热系数大，传热效 率高，具有相当的灵活性、适用性和可靠性。JAD 系列螺旋螺纹管换热器独特的螺旋结构、 先进的传热机理以及经济实用性，势必决定了其节能、高效的优越性。 2.6 横纹管法 2.6 横纹管法 横纹管其形状为管壁被挤压成与管子轴线成 90

5、的横纹， 在管壁内形成一圈一圈突出 的圆环。用以强化管内气体和液体的传热及管 内气体的冷凝。当流体流经横纹管的圆环 时， 在管壁上形成轴向漩涡， 增加了流体边界层的扰动，有利于通过边界层传递热量。当 漩涡将要消失时， 流体又 经过第二个圆环， 从而保证轴向漩涡不断生成。比光管换热器 的总传热系数提高 85，在相同负荷时，可节约 40的面积， 而且基本无结垢和腐蚀现 象。 2.7 波纹管法 2.7 波纹管法 波纹管是将光管加工成波纹形状的翅片， 当流体流经波峰时， 速率增加， 静压降 低， 而当流体流经波谷时， 速率减小， 静压增大。周期性的变化增加了流体的扰动， 促 使湍流产生，从而增大了传热

6、系数。该管较普通的光管换热器效率提高 倍。 2.8 缩放管法 2.8 缩放管法 缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道。 在扩张段中流体速度降低， 静 压增加；在收缩段中流体速度增加，静压减小。周期性的变化产生剧烈的漩涡冲刷流体边界 层，使其减薄。缩放管可强化管内外单相流体的传热，在同等流阻损失下，Re11041 105 范围内， 传热量比光管增加 70。 2.9 流体旋转法流体旋转法 这种强化技术主要用于单相流体管内强制对流换热, 使管内流体发生旋转运动。 流体发生 旋转可使贴近壁面的流体速度增加, 同时还改变了流体的流动结构, 加速了边界层流体的拢 动及边界层流体和主流流体的混合

7、,强化传热过程。提高了传热传热效率。 2.10 添加剂法2.10 添加剂法 在流动液体中加入气体或固体颗粒、在气体中喷入液体或加入固体颗料, 都可起到强化 单相流体强制换热的作用。这些强化传热的方法统称为添加剂法。,在水流中加入氮气的试 验, 发现传热系数仅增大了 50 %; 在油中加入聚苯乙烯小球的试验也只是使换热系数增大 了 40 %左右。对空气中喷入液滴时的传热工况进行研究表明 ,如能在换热面上形成连续液 膜,则换热系数最多可增加 30 倍。在气体中加入少量固体颗粒可以强化气体侧的传热。固 体颗粒随气体一起流动, 可以减薄热阻最大的边界层厚度。 2.11 静电场法 2.11 静电场法 在

8、液体中加一静电场以强化单相流体的对流换热量是一种有吸引力的强化传热方法。 这种 方法对气体和液体的自然对流和强制对流都能产生一定的强化传热效应。 在静止流体中加 上足够强度的静电场后, 会促使流体流动, 形成一股所谓的电晕风。 它在一定条件下能强化单相流体的对流换热。采用静电场可使蒸发器的传热系数提高一个数量级,并克服油类介质 对泡核沸腾的影响,也能使冷凝液膜产生波状失稳, 引起膜层减薄, 进而降低热阻,使传热 系数增加 2 倍。 3 换热器管外强化传热措施 3.1 凝结管旋转法 3 换热器管外强化传热措施 3.1 凝结管旋转法 使内壁粗糙的管束作旋转时凝结换热工况，这实际上是一种合成强化凝结

9、方法，可使 传热系数比不转动光管时提高 3.5 倍。 3.2 采用螺旋槽法 3.2 采用螺旋槽法 螺旋槽管法是 一种管壁上具有外凸和内凸的异形管,管壁上的螺旋槽能在有相变和 无相变的传热中明显提高管内外的传热系数,起到双边强化的作用。 螺旋槽管之所以能够强 化传热,是螺旋槽使冷凝液膜产生附加的表面张力场,使平均冷凝液膜减薄,减少了冷凝传热 热阻所致。研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。目前,无论是从传热、流阻、 阻垢性能,还是从无相变对流换热和有相变凝结换热,对螺旋槽管的强化传热 研究从理论到 实际已达到较高水平。 3.3 采用高性能翅片 3.3 采用高性能翅片 原来为了增加换热面积

10、，采用平片翅片，但效果不是最佳，现在采用波纹片、条形、 双向条形翅片，其表面传热系数：波纹片比平片提高 20%，条形片比平片提高 65%，双向条 形片比平片提高 85%。所以，换热器（冷凝器、蒸发器）管内采用螺旋槽，管外采用高性能 的翅片进行强化传热，其传热系数要比光管套波纹片提高 65%。 3.4 采用锯齿形翅片和花瓣形翅片 3.4 采用锯齿形翅片和花瓣形翅片 锯齿形翅片与螺旋槽纹管相比，翅片距更密， 翅片外缘开有锯齿缺口，其传热面积更 大，由于翅片顶部呈错开锯齿状，促进了冷凝液体的对流换热，是光滑管的 6 倍。花瓣形翅 片是一种特殊的三维翅片结构强化传热管。其形状是翅片从翅顶到翅根都被割裂

11、开， 翅片 侧面呈一定的弧线，从侧面看， 各翅片成花瓣状。其肋化系数是光滑管的 2.5 倍，增大了 换热面积，冷凝传热系数为普通滑管的 倍。 3.5 采用采用 T 型型 翅翅 片片 管管 T 型翅片管是由光管经过滚轧加工成型的一种高效换热管。 其结构特点是在管外表面形 成一系列螺旋环状 T 型隧道。 管外介质受热时在隧道中形成一系列的气泡核， 由于在隧道腔 内处于四周受热状态，气泡核迅速膨大充满内腔，持续受热使气泡内压力快速增大，促使气 泡从管表面细缝中急速喷出。气泡喷出时带有较大的冲刷力量，并产生一定的局部负压，使 周围较低温度液体涌入 T 型隧道，形成持续不断的沸腾。这种沸腾方式在单位时间

12、内，单位 表面积上带走的热量远远大于光管， 因而 这种管型具有较高的沸腾传热能力。 传热效果好。 在 R113 工质中 T 管的沸腾给热系数比光管高 1.6-3.3 倍。 3.6 采用低螺纹翅片管 3.6 采用低螺纹翅片管 低螺纹翅片管是普通换热管经轧制在其外表面形成螺纹翅片的一种高效换热管型， 这种 管型的强化作用是在管外。 对介质的强化作用一方面体现在螺纹翅片增加了换热面积； 另一 方面是由于壳程介质流经螺纹管表面时， 表面螺纹翅片对层流边层产生分割作用， 减薄了边 界层的厚度。而且表面形成的湍流也较光管强，进一步减薄边界层厚度。综合作用的结果， 使该管型具有较高的换热能力。 当这种管型用

13、于蒸发时， 可以增加单位表面上气泡形成的数 量，提高沸腾传热能力；当用于冷凝时，螺纹翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜 减薄，热阻减少，提高冷凝传热效率。 3.7 采用空心环支撑菱形翅片管3.7 采用空心环支撑菱形翅片管 空心环支撑菱形翅片管换热器是以菱形翅片管为传热元件， 折流板采用空心环式支撑结 构形成的一种新型高效换热器。 该换热器的菱形翅片管为带有周向非连续三维翅片的高效传热管，其传热强化性能优于带周向连续翅片的螺纹翅片管。当用于冷凝强化传热时，由于其 三维翅片的特殊结构造成翅片表面液膜的表面张力分布不均 ，根部大，顶部小，液膜被拉 向根部，使三维翅片表面的液膜厚度大幅度的减薄，

14、热阻减小，使汽态介质和管外壁的换热 能力增强，从而提高换热效果。当用于对流传热强化时，由于其翅片的非连续性，可对流体 传热边界层产生周期性的破坏， 使翅片表面传热边界层厚度有效减薄， 降低边界滞留底层的 传热阻力，提高换热效果。在低流阻条件下获得高的传热性能。 较光滑管比，其表面膜传 热系数或对流膜传热系数提高 1-3 倍。 3.8 采用三维管内、外肋法 3.8 采用三维管内、外肋法 三维内肋管是一种新型的强化换热管件,通过专用的工具,经过一定的方法对普通圆管 内壁加工而成的高效强化传热元件。 流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减 薄,从而提高对流传热膜系数。对于空气的管内换热,三

15、维内肋管最高 可达相同工况下光管 换热的 5.8 倍,而对高数的流体,其强化换热倍数可达更高值。 就管内的凝结换热和沸腾 换热而言,采用这种强化传热管，管内肋密度可变，管内、外肋化比可达 6，蒸发换热表面 传热系数可达光管的 25 倍，冷凝器换热系数可达光管的 35 倍。 二、换热器强化传热新技术二、换热器强化传热新技术 1 第三代强化传热场协同理论应用技术 1 第三代强化传热场协同理论应用技术 场协同理论的在提高对流换热系数层面核心为： 速度场与热流场协同程度越好， 则对流 换热系数越高。 在提高换热器性能方面表述为： 换热器的冷热流体温度场间的协同程度越好， 效能越高。 该理论下新技术有一

16、次传热表面形成多纵向涡强化技术属国内外首创， 其中交叉 缩放椭圆管和弹性管束技术为国际领先。本技术的强化传热管，当 Re=5002000 时，单位 功耗的换热量是最好现有强化管的 2.33.8 倍，当 Re=400050000 时，是现有强化管的 1.11.7 倍。研制的换热器与同类换热器在同面积的情况下，换热量可增加 20%50%，或同 热负荷时，其传热面积减少 20%50%。为此，该新技术在能源紧张的今天，是大有发展前 途的，应大力推广。 2 处理表面法 2.1 不为凝结液体湿润的冷凝壁面 2 处理表面法 2.1 不为凝结液体湿润的冷凝壁面 滴状冷凝比膜状冷凝传热系数高, 表面张力大的流体更是这样。 所以一般必须对冷凝壁 面进行处理,以造成一个不为凝结液体湿润的冷凝壁面,经常采用的方法有三种:化学覆盖层 法、聚合物涂层法 和电镀法。 。日本川崎公司钝化换热管时, 在溴化锂溶液中加入辛醇