制冷空调换热器的应用
2017-02-07  来源:网络  字号:   我要评论 收藏本文

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。
  换热器,是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。换热器是制冷空调、暖通、化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。按使用功能分:冷凝器、蒸发器、再热器、过热器和再沸器等。换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即:间壁式、混合式和蓄热式。在制冷空调、暖通等领域主要涉及混合式换热器和间壁式换热器,其中以间壁式换热器应用最多。
  一、混合式换热器
  1、气体洗涤塔(或称洗涤塔)
  在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的,例如用液体吸收气体混合物中的某些组分,除净气体中的灰尘,气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体,而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室,可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却,而且还可对其进行加热处理。但是,它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点:所以,目前在一般建筑中,喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是,在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使。
  1)空调箱喷淋段工作原理图

  2)喷淋室构件组合示意图

  3)喷淋排管示意图

  4)组合式空调机组段喷淋室实物图

2、喷射式热交换器
  在这种设备中,使压力较高的流体由喷管喷出,形成很高的速度,低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热,并一同进入扩散管,在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。
  3、混合式冷凝器
  这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。
  二、间壁式换热器
  下面重点介绍本专业应用最多的间壁式换热器。
  间壁式换热设备按照其功能可命名,如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器和再沸器等;
  按换热部件的特点可分为:管壳式换热器、套管式换热器、翅片管式换热器(包括冰箱用丝管式冷凝器、箱壁式冷凝器、吹胀式蒸发器)、板式换热器、板翅式换热器、管带式换热器。
  (1)壳管式换热器
  壳管式换热器是石油、化工、冶金和制冷等工业部门中应用最普遍(约占70%),理论研究和设计技术最完善,运用可靠性良好的一类换热器。分为列管式和盘管式(平面型和空间型),列管式又分为卧式壳管式与立式壳管式。其研究包括了管程和壳程两侧的传热强化研究。
  其由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数,通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。
  本专业主要用于大型中央空调水冷式机组的水冷式冷凝器、氨制冷系统等,主要有立式壳管式换热器和卧式壳管式冷凝器。下面分别予以介绍:
  ①立式壳管式冷凝器
  立式壳管式冷凝器的外壳是有钢板焊成的圆柱形筒体,筒体两端焊有多孔管板,在两端管板的对应孔中,用扩胀法或焊接法将无缝钢管固定,成为一个垂直管束。其结构如下图所示。

立式冷凝器的主要特点是:
  1.由于冷却流量大流速高,故传热系数较高,一般K=600~700(kcal/m2?h?℃)。
  2.垂直安装占地面积小,且可以安装在室外。
  3.冷却水直通流动且流速大,故对水质要求不高,一般水源都可以作为冷却水。
  4.管内水垢易清除,且不必停止制冷系统工作。
  5.但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2~4℃,对数平均温差一般在5~6℃左右,故耗水量较大。且由于设备置于空气中,管子易被腐蚀,泄漏时比易被发现。
  ②卧式壳管式冷凝器
  卧式冷凝器制冷设备与立式冷凝器有相类似的壳体结构,但在总体上又有很多不同之处,主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器两端管板外面各用一个端盖封闭,端盖上铸有经过设计互相配合的分水筋,把整个管束分隔成几个管组。从而使冷却水从一端端盖下部进入,按顺序流过每个管组,最后从同一端盖上上部流出过程中,要往返4~10个回程。这样做既可以提高管内冷却水的流速,从而提高传热系数,又使使高温的制冷剂蒸气从壳体上部的进气管进入管束间与管内冷却水进行充分的热交换。冷凝下来的液体从下部出液管流入贮液筒。
  卧式壳管式冷凝器结构图

  弓形折流板管壳式换热器实物图

  单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图

目前国内壳管式换热器主要还是采用弓型隔板作为管间的支撑结构,在这种结构的换热器中,流体在壳程呈“z”形流动,在隔板和壳体内壁相连处存在流动死区;流体在隔板间分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失;在隔板与壳体和传热管与隔板之间存在旁路流和泄漏流,降低了流体的有效质量流量,这些缺点导致了壳管式换热器传热系数低、压降高。随着金属材料价格的不断增长和节能工作的迫切需求,促进了高效壳管式换热器的研究和应用。近年来,螺旋隔板换热器作为一种新型的壳管式换热器形式,受到国内外学者的广泛关注,并在工业中推广应用,取得了很好的节能、节材经济效益。
  折流板是提高换热器工效的重要部件。传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板,由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷,近年来逐渐被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。由于加工困难,目前所采用的折柳板,一般由若干个1/4的扇形平面板替代曲面相间连接,形成近似的螺旋面。在折流时,流体处于近似螺旋流动状态。相比于弓形折流板,在相同工况下,这样的折流板(被称为非连续型螺旋折流板)可减少压降45%左右,而总传热系数可提高20%~30%,在相同热负荷下,可大大减小换热器尺寸。
  螺旋折流板管壳式换热器


  壳管式换热器螺旋折流板

(2)套管式换热器
  套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管,外面的叫壳程,内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管,每一段套管称为“一程”,程的内管(传热管)借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常,热流体(A流体)由上部引入,而冷流体(B流体)则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4~7米。这种换热器传热面积最高达18m2,故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封,以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。这种换热器具有若干突出的优点,所以至今仍被广泛用于石油、石油化工等工业部门。
  套管式换热器结构图


其主要特点有:
  ①结构简单,传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成,安装时无需另外加工。
  ②传热效能高。它是一种纯逆流型换热器,同时还可以选取合适的截面尺寸,以提高流体速度,增大两侧流体的给热系数,因此它的传热效果好。液-液换热时,传热系数为870~1750W/(m2·℃)。
  这一点特别适合于高压、小流量、低给热系数流体的换热,特别适用于小型水冷式制冷与空调装置。套管式换热器的缺点是占地面积大;单位传热面积金属耗量多,约为管壳式换热器的5倍;管接头多,易泄漏;流阻大。
  结构简单,工作适应范围大,传热面积增减方便,两侧流体均可提高流速,使传热面的两侧都可以有较高的传热系数;缺点是单位传热面的金属消耗量大,检修、清洗和拆卸都较麻烦,在可拆连接处容易造成泄漏。为增大传热面积、提高传热效果,可在内管外壁加设各种形式的翅片,并在内管中加设刮膜扰动装置,以适应高粘度流体的换热。

(3)翅片管式换热器
  基于制冷与低温技术中的特定工作条件,绝大多数场合都是使用间壁式换热器,其中尤以传热元件为管子的热交换器在制冷与低温装置中应用最为广泛,历史也最为悠久。这是因为圆管加工简单、工艺成熟、市场上容易得到、可以在很宽的压力和温度范围内可靠地工作,即使在工况不稳定,热应力冲击与机械振动等条件下仍能正常工作。此外,对传热管元件比较容易实现强化传热的加工要求,诸如传热管内、外两侧加翅片,以及加工出所要求的翅片形状,以实现强化传热;可使整个换热器传热效率高、结构紧凑、尺寸小、重量轻、流动阻力也较小;可按设计目的组合成所要求的几何尺寸特性和外表轮廓尺寸,具有较大的灵活性;和制冷与低温装置的其它部件组装时,连接方便等等。此种形式的换热器被广泛用于家用空调的蒸发器和冷凝器,在早期的汽车空调或者冷藏车空调冷凝器中也广泛采用。
  翅片管式冷凝器结构图及实物


翅片管式也叫管片式、管翅式,是较早应用的换热器形式。其套片方法是将厚度很薄的铝箔,按管组排列方式,在高速冲片机上冲出折边孔。然后将圆管穿人肋片孔中,将安装好的管片在专门的胀管机上进行胀管,减小接触热阻。
  管翅式换热器的研究进展可从研究内容、研究目标和研究手段等方面来概括,早期对管翅式换热器的研究主要集中在翅片管排总的换热性能和流动性能上,翅片的形式多是平直翅片,主要考察管径、管排数、翅片间距、管排排列方式、翅片厚度等几何参数对换热及流阻的影响情况。其采用的翅片形式主要有:平直型翅片、波纹型翅片、条缝行翅片、百叶窗翅片、带纵向涡发生器翅片等形式及其组合形式。
  翅片管式冷凝器实物图

管片式冷凝器一般由圆管和各种型式的翅片构成,翅片与传热管之间通过胀管联结。套片法是我国当前许多厂家所采用的工艺。其方法是将厚度为O.1~0.3mm铝箔,按管组排列形式速冲片机上冲出折边孔。现普遍采用双翻边孔,这样做即可增加铝箔与管子的接触面积,提高换热效率5%~9%,同时,也提高了肋片本身的刚度,便于装配工序提高工效和质量。还可控制肋片与肋片之间的间距,增加了产品的美观程度。然后将铜管穿人片孔中,为保证铝箔的孔边与管子接触良好,以减少接触热阻,必须将装好的管片在专门的胀管机上进行胀管。


胀管的方法有液压式的和机械式的。液压胀管是用10~20MPa的油压或水压通入管内,使管径胀大约0.2~0.4mm,使管子达到塑性变形。这样,管间的接触面上就有一定的接触压力,保证管子与肋片之间接触紧密。但是,有时因管子的材质不均匀,受胀程度不一,会造成一些地方胀不足,而另一些地方又胀过头。胀不足使管子和肋片接触不良,导致过大的接触热阻,胀过头,则可能使肋片的翻边胀裂,同样会造成过大的接触热阻。另外,液压胀管后,尚需对管内的油或水进行清洗、烘干。机械胀管是用比管子内径适当大些的钢球,以机械压力挤过去,使管子胀大并达到塑性变形,这样做可保证管子和肋片之间有良好的接触。机械胀管较之液压胀管均匀,接触热阻小,且可省去胀管后的许多后续工序,为当今工厂普遍使用的方法。
  值得注意的是,由于管壁厚度与肋片厚度相差许多倍,所以,在换热器工作过程中受到热胀冷缩的影响,管子和肋片的线膨胀率不尽相同,两者之间产生相对运动,经过一段时间的工作之后,肋片上的基孔在这种情况下被逐渐扩大,管与片之间由胀管所造成的塑性变形内应力会随之下降,接触应力相应减低,从而引起接触热阻增大,换热效率降低,这个问题对汽车空调器更值得重视。由于汽车在行驶中将产生比较强烈的颠簸和震动,管子和肋片之间原有的内应力在这样条件下就更容易疲劳,引起管子和肋片之间的微观松动。另外,肋片上的孔边也会在强烈的振动下,因管子与肋片的振动频率不同,相互之间产生相对运动被扩大,更加降低了换热效率,同时还会带来工作噪音的加大和使用寿命的缩短。因此,目前汽车空调冷凝器中很少采用这种形式,现在主要采用管带式或者板翅式(平流式)。
  ①在风冷热泵型的空调设备中,翅片管式换热器表面结霜是很普遍的问题,换热器表面结霜增加了翅片和气流间的热阻,降低了换热器的冷却能力,减少了通过换热器的气流量,增加了气流的压力降。换热器长时间结霜以后,气流通道可能被完全堵塞,为了保证换热器的理想性能,要周期性地循环除霜。在用来除霜的热量中,事实上只有15%-20%被有效利用,其余的热量都散到周围的环境中。由于结霜的存在,工业上使用的制冷设备与相同条件下没有结霜的设备相比较,体积大50%左右,能耗增加了25%。翅片管式换热器表面结霜图片下图。

②冰箱常用的翅片管式换热器
  冰箱常用的翅片管式换热器:丝管式冷凝器、箱壁式冷凝器、铝复合板吹胀式蒸发器。冷库常用蒸发器也归属翅片管式换热器。
  丝管式冷凝器为第一代冰箱冷凝器,现代冰箱主要应用箱壁式冷凝器。其实物图参见下图所示。

  箱壁式冷凝器

  冰箱实物图

吹胀式蒸发器目前在国内外家用冰箱中采用的十分普遍。铝复合板式蒸发器是利用预先以铝-锌-铝三层金属板冷轧而成的铝复合板,按蒸发器所需的尺寸裁切好,平放在刻有管路通道的模具上,加压到4900N,并用电加热到440~500℃,待复合板中间的锌熔化后,以2.4~2.8MPa的高压氮气吹胀便形成管型,经过数秒后再进行抽空,冷却后,锌层便与铝板粘合,之后可以将其弯曲成所要的形状,再将其搭边铆接即成。(或者采用印刷管路吹胀法)吹胀式蒸发器参见下图。


冷库常用翅片管式蒸发器

  某冷库蒸发器

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