【2017年整理】翅片是换热器设计

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1、第 1 页 共 9 页强制对流空气冷却式空调冷凝器的设计陈景锐 机电工程系制冷工程 02010962【摘要】本文介绍了强制对流空气冷却式空调冷凝器的结构及特点，并详细论述了其设计过程，最后联系实践，制作出用于指导生产的工序指导卡。【关键词】空调冷凝器、设计、工序指导卡引言：换热器是制冷空调系统中最重要的部件之一,其性能的好坏直接影响着整个系统的性能。因此,换热器的研究一直是制冷空调领域中一个非常活跃的研究方向。本文以冷凝器为例，对强制对流空气冷却式空调换热器的设计进行了初步探讨。一、 概述冷凝器的功能是把由压缩机排出的高温高压制冷剂气体冷凝成液体，把制冷剂在蒸发器中吸收的热量（即制冷量）与压缩

2、机耗功率相当的热量之和排入周围环境中。因此，冷凝器是制冷装置的放热设备，其传热能力将直接影响到整台制冷设备的性能和运行的经济性。冷凝器按其冷却介质可分为水冷式、空冷式和水/空气混合式。由于空冷式冷凝器使用方便，尤其适合于缺水地区，在小型制冷装置（特别是家用空调）中得到广泛应用。空冷式冷凝器可分为强制对流式和自然对流式两种。自然对流式冷凝器传热效果差，只用在电冰箱或微型制冷机中。下面仅讨论强制对流式冷凝器。二、 强制对流空气冷却式冷凝器的结构及特点强制对流空气冷却式冷凝器都采用铜管穿整体铝片的结构（因此又称管翅式冷凝器） 。其结构组成主要为U 形弯传热管、翅片、小弯头、分叉管、进（出）口管以及端

3、板等（如图 1） ，其加工工艺流程如图 2。第 2 页 共 9 页下面简要介绍一下各主要部分：1、U 形弯传热管U 形弯传热管俗称大 U 弯，其材料一般为紫铜。为了减少金属材料消耗量及减少冷凝器重量，在强度允许的条件下，应尽量避免使用厚壁铜管。U 形弯传热管有光管和内螺纹管两种。由于内螺纹管重量轻、成本不高，并且其内表面传热系数较光管要增加 23 倍 【1】 。因此，现在光管已基本上被内螺纹管代替了。2、 翅片除非客户特别要求，否则翅片的材料一般为铝。它有平片、波纹片和冲缝片三种形式，并且这三种形式的表面传热系数也相差较大。对使用波纹片和冲缝片的管簇，其空气侧表面传热系数目前尚无简单准确的计算

4、式。实践表明，采用波纹片和冲缝片时，空气侧表面传热系数较一般平翅片分别大 20%和 60%以上 【2】 。由于空气通过叉排管簇时的扰动程度大于顺排，空气通过叉排管簇时的表面传热系数较顺排管簇高 10%以上，因而，空冷式冷凝器的管簇排列以叉排为好。为了使弯头的规格统一，一般管簇都按等边三角形排列。为了使翅片有较高的翅片效率，保证弯头的加工工艺要求，管中心矩 应是传热1S管外径的 2.5 倍。按等边三角形叉排布置的翅片管簇，对每根而言，其翅片相当于正六角形（如图 3）【1】 参看小型制冷装置设计指导 。【2】 参看小型制冷装置设计指导 。 第 3 页 共 9 页为了有效利用空冷式冷凝器的传热面积，

5、并且保证焊接工艺要求，沿空气流动方向的管排数一般为 14 排 【1】 。为了增加铜管与翅片的接触面积，进而增加整个冷凝器的换热面积，一般将翅片孔外沿翻边。翅片的翻边保证了翅片的间距，同时也保证了胀管工艺。图 4 为翅片翻边示意图。为了提高换热器的传热效果，必须避免或减小翅片与管面之间的接触热阻，使翅片与管面间保证良好接触，因此一般会采用机械胀管方法，其胀紧量一般为 0.080.15 【2】 。三、 冷凝器的设计计算1、设定有关参数 【3】取当地大气压强 P=98.07kpa，冷凝温度 ,蒸发温度 ，进口空ctk50cto5气干球温度 ，进出口空气温差 ，则出口空气干球温度cta351 a812

6、，制冷量 ，选用 R22 作为冷媒。ta482 WQo30翅片采用冲缝普通铝片，管簇排列形式为正三角形叉排，铝片厚度=0.105，翻边高度 ,传热管采用 70.250.1 内螺纹紫铜管 【4】 ，6.1fs则孔中心距 。57.21假定迎面风速 ，有效单管长即两端板距 。mv/ 398l2、设计计算（1） 平均温度及对数平均温差【1】 有的书上是 26 排或 28 排，此处仅以科龙型冷凝器为参考依据。 （注：如果排数大于 4 排，过自动焊时就很难保证焊接质量。 ）【2】 此数据是依据科龙型冷凝器的工艺参数计算得出的，折算成接触率就是 0.4%2.05%左右，与小型制冷装置设计指导里的 0%2%接

7、近，但与有的书上的 2.5%5%相差较远。【3】 相关参数的假定是以国家标准和科龙型冷凝器为参考依据的。【4】 70.250.1 表示铜管外径为 7，管壁厚度为 0.25，齿高 0.1。第 4 页 共 9 页ctam392451tak5.104lnl21（2） 冷凝热负荷查 R22 冷凝负荷系数图 【1】 ，当 、 时，其冷凝负荷系数ctk50to，因此冷凝热负荷4.1ocwQcok 2834.1（3） 肋化系数每米管长翅片侧面面积【2】fbsdsa/)4(221/m2805.16.0/)72.3075.2 每米管长翅片间管面面积（即翻边面积）ffbsda/)(2016./)5.016.7.=

8、0.0212/m则每米管长总外表面积= 0.2805 + 0.0212 = 0.3017/m21ao每米管长总内表面积/m0198.63.iid所以肋化系数50198.7ioa（4） 迎风面积【1】 请参看小型制冷装置设计指导或相关文献。【2】 2,30cos1 obd第 5 页 共 9 页查干空气物理性质表，在大气压力 P=98.07kpa、空气平均温度 条ctm39件下，其性质如下： 3/128.),/(02643.),/(103 kgkmwkgJcapa 在进风温度 条件下，ct53195g则冷凝器所需空气的体积流量stcQqapakv /3172.081095.2()12 所以 迎风面

9、积26.5.370mvAy（5） 迎风面高度（即翅片长度）lHy319.08.26（6） 迎风面上管排数排182075.3921sN（7） 最窄截面风速vsdvfb)(1max5.2)01.6.()0721.5.( s/4（8） 冷凝器的总传热系数目前，对冷凝器的总传热系数的计算主要有三种方法：（1）通过公式来求；（2）直接取经验值（比如有的书上直接obomi rak 1第 6 页 共 9 页取 K=35W/(.k)） ；（3）通过经验公式 来求。163.)(2032.0maxk第一种方法计算精确，但过于复杂，不适合工程应用；第二种方法简单有效，但必须有在同一厂家较长的工作经验；第三种方法适用

10、范围广并且比较简单，适合工程应用。下面将利用第三种方法来求 K 值。但由于该公式没有考虑冲缝翅片和内螺纹管对 K 值的影响，因此我针对此问题进行了粗略的研究比较，即利用计算 K 值的理论公式 ，当 =15 并且忽略obomi rak 11其分母的中间三项，分别让 o 和 i一步步增加，以此得出它们对 K 值的影响。其结果如图 5 和图 6。图 5 表明了在肋化系数 =15 时管外传热系数o 对 K 值的影响。数据显示，开始时，o 每增加 10%，K 值可增加 7%以上，但随着 o 的继续增加，K 值的增加逐步呈下降趋势。但在 o 的增加不超过 100%情况下， o每增加 10%，K 值平均增加

11、 6%左右。图 6 表明了在肋化系数 =15 时管内传热系数 i对 K 值的影响。数第 7 页 共 9 页据显示，开始时，i 每增加 10%，K 值可增加 2%以上。和管外传热系数对 K 值的影响一样，随着 i的继续增加，K 值的增加呈下降趋势。当 i的增加达到250%时，i 每增加 10%，K 值只增加 0.5%左右。在 i的增加超过 200%但不超过 300%情况下，i 每增加 10%，K 值平均增加 0.8%左右。前面第二部分已经提到过，采用冲缝片和内螺纹传热管时，空气侧表面传热系数 o 和制冷剂侧表面传热系数 i 分别较一般平翅片和光管大 60%和 23倍以上。因此，计算冲缝片加内螺纹

12、传热管的空冷式冷凝器的总传热系数时，我们可以在经验公式后面再乘以 1.36 和 1.24【1】 ，即24.136.1)(2032.0maxk.85.4.)/(62kW（9） 冷凝器所需的传热面积2103.452.68mkQAmo（10）所需有效传热管总长aLo6.1307.4（11）空气流通方向上的管排数排89.13.06lNn取整数 n=2 排（12） 翅片宽度msnb03.20175.3co1 【1】 1+（60% 10%）6%=1.36，1+ （310% ）0.8%=1.24第 8 页 共 9 页冷凝器的实际有效传热管长为 L=nlN=20.39818=14.328m,实际传热面积为 A

13、=Lao=14.3280.3017=4.323,较传热计算所需传热面积大 5.4%，能满足冷凝负荷的传热要求。此外，冷凝器的实际迎面风速与所取迎面风速相一致。四、工序指导卡的制作 【1】1、冲压工序指导卡（1） 翅片孔径、胀头及扩头的大小取翅片孔径 =7.3 【2】 ，胀紧量 0.15，则胀头大小为7.3+0.15 -(0.25+0.1)2=6.75取 7.1扩头 【3】（2） 翅片片数每片翅片的侧面面积 2)4(21 nNdHba2)18073.319.0. =0.01632每片翅片的翻边面积nNSdaf)2(221806.)2015.73. =0.00136每片翅片的总面积221 m 0.

14、17683.06.a则翅片片数【1】 该卡的形式是以科龙空调公司热交换车间的工序指导卡为参考依据的。【2】 该数值是依照科龙型冷凝器的工艺参数选定的。科龙热交换器所用的翅片的孔径只有 7.3 和 9.88两种，分别对应 7 和 9.52 两种铜管。【3】 该数值是依照科龙型冷凝器的工艺参数选定的。第 9 页 共 9 页片24501768.3aA（3） U 形传热管开料尺寸【1】mlL453096.83096. 详细参数见附卡。2、焊接工序指导卡（见附卡）五、结束语本文对强制对流空气冷却式空调换热器的设计进行了初步探讨，该方法不同于传统的设计方法。由于该方法与实践相联系，使其更适合工程应用，同时

15、也更能体现高职教育的结果-培养既懂理论又能使理论与实践相结合、解决生产第一线实际问题的技术应用性专门人才。当然，由于时间和水平有限，设计过程中有些数据可能并不非常准确，比如管内外换热系数对整个换热器换热系数的影响。但我们更注重过程，而非结果。相信本文的设计过程将会给从事高职教育研究和制冷装置设计的工作者们一点启示。参考文献：1、吴业正.小型制冷装置设计指导.机械工业出版社2、陈礼 吴勇华.流体力学与热工基础.清华大学出版社3、陆亚俊 马最良等.空调工程中的制冷技术.哈尔滨工程大学出版社4、康宁 吴霭.常用空调冷冻设备技术.华南理工大学出版社5、胡鹏程.小型制冷与空调器具.中国环境科学出版社【1】 此为经验公式，其中 l 表示两端板距，0.96 是铜管的收缩率，30 是经验数值。