強化傳熱在蒸發(fā)式冷凝器冷凝過程的應(yīng)用ppt課件

1、強化傳熱在冷凝器冷凝過程的運用第四組： 王安民 張磊 制造 一、制冷系統(tǒng)簡介 最簡單的制冷系統(tǒng)由四大要件組成：緊縮機；冷凝器；節(jié)流閥；蒸發(fā)器；1 1緊縮機緊縮機 根本作用：緊縮氣體，產(chǎn)生高溫高壓的冷媒氣體。根本作用：緊縮氣體，產(chǎn)生高溫高壓的冷媒氣體。2 2換熱器換熱器 冷凝器、蒸發(fā)器冷凝器、蒸發(fā)器 根本作用：強化冷媒和空氣的換熱換熱面積、換熱系數(shù)根本作用：強化冷媒和空氣的換熱換熱面積、換熱系數(shù)3 3風(fēng)機、風(fēng)道風(fēng)機、風(fēng)道 根本作用：強化冷凝器、蒸發(fā)器的作用。根本作用：強化冷凝器、蒸發(fā)器的作用。4 4膨脹機構(gòu)毛細管、膨脹閥膨脹機構(gòu)毛細管、膨脹閥根本作用：使中溫高壓液體節(jié)流成為低溫低根本作用：使中溫

2、高壓液體節(jié)流成為低溫低 壓的液壓的液體冷媒體冷媒 制冷循環(huán)的冷凝過程冷凝過程 從制冷機排出的高溫高壓過熱蒸汽，進入冷凝器與冷卻水或空氣進展熱交換，使過熱蒸汽逐漸變成飽和蒸汽，進而變成飽和液體。當用冷卻水冷卻時，飽和液體的溫度繼續(xù)降低，出現(xiàn)過冷。冷凝過程中壓力堅持不變。 冷凝器 冷凝器是制冷安裝中一個很重要的換熱設(shè)備,其特點是體積較大,貴重管材耗量多,其任務(wù)性能好壞對動力安裝的效率影響較大。例如當冷凝器的熱阻降低時,在同樣的輸出功率的情況下,動力安裝的耗熱率 kJ / kW 會減小,從而可以提高安裝的總效率。為此國內(nèi)外的相關(guān)研討單位對冷凝器的性能及強化傳熱問題進展了大量的研討任務(wù)。 冷凝器強化傳

3、熱分析根據(jù)傳熱學(xué)的根本原理,冷凝器的總傳熱量可由下式計算: Q = KFt (1)式中F 是傳熱面積,m2 ; K 是冷凝器的總傳熱系數(shù),W/ (m2) ; K 可以由以下公式計算 (2) 式中Ri 是冷凝器管內(nèi)水側(cè)的熱阻; Rw 是管壁的熱阻; Ro 是管外蒸汽側(cè)的熱阻; Rf 是污垢熱阻;t 是對數(shù)平均溫差, ;t 由以下公式計算 (3)式中tin是冷凝器管內(nèi)入口水溫, ; tout是冷凝器管內(nèi)出口水溫, ; t sat是管內(nèi)水壓力下的飽和溫度, 。Rf + Ro + Rw + Ri1K) )/(t)ln(satoutinsatinouttttttt 圖1 給出了實驗研討結(jié)果,圖中橫坐 標

4、為管內(nèi)強化傳熱系數(shù)比ei ( = 強化管的傳熱系數(shù)hie / 光管的傳熱系數(shù)hip ) ,縱坐標為動力安裝的耗熱率 變化,負值表示裝有強化管的冷凝器比光管冷凝器耗 熱率減少的數(shù)值。圖中eo 表示管外側(cè)的強化傳熱系 數(shù)比( = 強化管的傳熱系數(shù)hoe/ 光管的傳熱系數(shù)hop ) , 從圖中可以看出,外側(cè)強化傳熱系數(shù)比的提高對耗熱率 的影響比內(nèi)側(cè)的影響大得多。另外從圖中還可以看出, 當內(nèi)側(cè)強化傳熱比大于1.5 以上時,對冷凝器的性能 沒有太大的影響。 可見，提高管內(nèi)對流傳熱系數(shù)對動力安裝的耗熱率 影響不明顯,而提高管外側(cè)的強化傳熱系數(shù)效果比 較顯著, 冷凝器管外側(cè)的冷凝傳熱系數(shù)有很多種計算公式,這

5、些計算公式在普通的教科書中都可以找到,但這些計算公式大多數(shù)是在實驗室的條件下得到的。這些公式對于理想情況下的冷凝傳熱計算是正確的,但間隔運用在冷凝器中的實踐情況相差甚遠。對于一個大型的電站或者船用冷凝器,管外側(cè)的傳熱要思索以下幾個問題:(1) 不凝結(jié)氣體的影響;(2) 冷凝液覆蓋壁面的影響;(3) 蒸汽在冷凝器內(nèi)流動過程中,流動阻力和壓降的影響;(4) 管子陳列的影響;(5) 蒸汽流動過程中流場變化的影響等。 螺紋槽管運用性能分析 據(jù)有關(guān)文獻 ,螺紋槽管具有內(nèi)外雙側(cè)強化傳熱的作用,并且加工方法簡單、運用方便。目前在美國、英國和日本等國家的一些冷凝器中采用。螺紋槽管的外形如圖2 所示,這種管子的

6、性能與槽深和螺距有很大關(guān)系,當添加槽深時,強化傳熱的效果會添加,但同時管內(nèi)的流動阻力也隨之添加,從而添加了循環(huán)水泵的耗功或者降低循環(huán)水的流量。例如當槽深為0.85 mm時,流動阻力系數(shù)比光管添加35 倍,而當槽深為0.27 mm 時,流動阻力系數(shù)只添加0.110.3 倍。根據(jù)上圖所展現(xiàn)的實驗結(jié)果,管內(nèi)的強化傳熱比在1.5 之內(nèi)對安裝的耗熱率有好的影響,大于1.5 以后所起的作用不大。因此在運用螺紋槽管時槽深不宜太深,根據(jù)文獻的實驗結(jié)果，當槽深為0.6 mm 螺距為12 mm 時,內(nèi)側(cè)強化傳熱比為1.451.72 ,這種尺寸的管子用在實踐的冷凝器上比較適宜。 實際上，普通以為螺紋槽管外側(cè)溝槽有積

7、聚冷凝液和排出冷凝液的作用,因此有較好的強化傳熱效果?，F(xiàn)實上，根據(jù)近年來一些實驗結(jié)果看,管外側(cè)的強化傳熱效果并不十清楚顯;Rabas T J 對很多實驗數(shù)據(jù)分析后以為,由于螺紋槽管的螺距較大(普通在820 mm 之間) ,外側(cè)的溝槽對蒸汽的凝結(jié)傳熱起不到很大的強化傳熱作用。特別是當管排數(shù)較多時,下面管子外表液膜較厚,溝槽的聚液和排液才干會消逝。給出的結(jié)果闡明,普通的螺紋槽管外側(cè)的強化傳熱比只需1.01.10。也就是說普通的螺紋槽管只需內(nèi)側(cè)有強化傳熱作用,外側(cè)并無太大的強化傳熱作用。 根據(jù)以上這些分析,在大型冷凝器中運用螺紋槽管并不是一個很好的選擇,由于在這種情況下冷凝器中管外側(cè)傳熱的強化是重要

8、的,而螺紋槽管達不到很好的外側(cè)強化傳熱作用。從圖1 中可以看出,管外的強化傳熱比為1.5時效果較好,當eo 大于1.5 帶來的效果并不明顯。提高管內(nèi)傳熱系數(shù)對耗熱率有一定的影響,但效果不大。根據(jù)以上這些結(jié)論,在大型冷凝器中采用圖3 所示的低翅片管比較適宜。這種管子可以用滾壓的方法成型,加工比較簡單,目前在國內(nèi)一些工業(yè)換熱設(shè)備中有所運用。這種管子雖然內(nèi)側(cè)無強化傳熱作用,但外側(cè)冷凝的傳熱效果較好,可以到達1.52.0 的強化傳熱系數(shù)比。另外還可以采用在普通的螺紋槽管的外外表上加工出低翅片或者在外表上滾壓出嚴密而細小的凹槽,這樣可以提高外外表的傳熱系數(shù),從而可以到達降低安裝耗熱率的目的。在大型動力安

9、裝的蒸汽冷凝器上采用以上兩種強化傳熱管,會帶來比普通螺紋槽管更好的效果。Ala Hasan等人對蒸發(fā)式冷卻器中運用橢圓管和翅片管進展了實驗研討，闡明翅片管束在一樣能量指數(shù)下傳送較多的熱量可達92%140%幾點結(jié)論:(1) 在大型冷凝器中,采用強化傳熱的方法提高管外側(cè)的傳熱系數(shù)對減少動力安裝的耗熱率會起到較好的作用。(2) 由于添加管內(nèi)傳熱系數(shù)會添加流動阻力和污垢系數(shù),因此管內(nèi)的強化傳熱系數(shù)比不宜過大,當ei 大于1.5 時對動力安裝耗熱率的變化無大的影響。(3) 當冷凝器的設(shè)計性能不佳(管束陳列不合理或蒸汽流場分配不合理) 時,管束系數(shù)值較小,提高管外側(cè)的傳熱系數(shù)會帶來更明顯的益處。(4) 在

10、大型冷凝器中采用低翅片管或在普通的螺紋槽管上進展適當?shù)募庸?提高外側(cè)的傳熱系數(shù),會帶來較好的效果. 強化傳熱技術(shù)在蒸發(fā)式 冷凝器的運用 在冷凍空調(diào)中，采用蒸發(fā)式冷凝器，比普通的冷凝設(shè)備(例如風(fēng)冷式冷凝器或者冷卻塔+殼管式冷凝器更為經(jīng)濟有效。 且由于蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計冷凝溫度比常用的水冷式和空冷式冷凝器低，運轉(zhuǎn)費用會更加經(jīng)濟，節(jié)約能耗； 蒸發(fā)式冷凝器廣泛運用于沒有循環(huán)水系統(tǒng)的企業(yè)中。由于蒸發(fā)式冷凝器靠噴淋的水分蒸發(fā)來冷凝制冷劑，所以蒸發(fā)冷并不省水，其冷凝制冷劑所需求的蒸發(fā)的水分跟水冷殼管式冷凝器+冷卻塔是差不多的。 蒸發(fā)式冷凝器 任務(wù)原理 制冷、空調(diào)系統(tǒng)中緊縮機排出的制冷劑高壓過熱氣體經(jīng)過蒸發(fā)制

11、冷、空調(diào)系統(tǒng)中緊縮機排出的制冷劑高壓過熱氣體經(jīng)過蒸發(fā)式冷凝器中冷凝排管，使高壓高溫氣態(tài)的制冷劑與排管外的噴淋水式冷凝器中冷凝排管，使高壓高溫氣態(tài)的制冷劑與排管外的噴淋水和空氣進展熱交換。即氣態(tài)制冷劑由上部進氣口進入冷凝排管后自和空氣進展熱交換。即氣態(tài)制冷劑由上部進氣口進入冷凝排管后自上而下逐漸被冷凝成為液態(tài)制冷劑。上而下逐漸被冷凝成為液態(tài)制冷劑。 其上部配套引風(fēng)機的超強風(fēng)力使噴淋水完全均勻地覆蓋在冷凝其上部配套引風(fēng)機的超強風(fēng)力使噴淋水完全均勻地覆蓋在冷凝排管的外表，水借風(fēng)勢極大地提高了換熱效果。溫度升高的排管的外表，水借風(fēng)勢極大地提高了換熱效果。溫度升高的噴淋水有一部分吸熱后蒸發(fā)為氣態(tài)，噴淋水

12、有一部分吸熱后蒸發(fā)為氣態(tài)，利用水的汽化潛熱由引風(fēng)機帶走大量利用水的汽化潛熱由引風(fēng)機帶走大量的熱量，水蒸氣中的水滴被高效脫水的熱量，水蒸氣中的水滴被高效脫水器擋住，并與其它吸收了熱量的水，器擋住，并與其它吸收了熱量的水，散落到散落到PVCPVC淋水片的熱交換層中，被淋水片的熱交換層中，被流經(jīng)的空氣冷卻后溫度降低進入底部流經(jīng)的空氣冷卻后溫度降低進入底部水箱，再經(jīng)循環(huán)水泵繼續(xù)進展循環(huán)，在水箱，再經(jīng)循環(huán)水泵繼續(xù)進展循環(huán)，在冷凝過程中蒸發(fā)掉的水份由水位調(diào)理冷凝過程中蒸發(fā)掉的水份由水位調(diào)理浮球控制器自動給予補充。浮球控制器自動給予補充。 填料和扭曲管兩種強化方法 蒸發(fā)式冷凝器管內(nèi)流動著制冷劑，管外表為薄層

13、水膜覆蓋，管外層流動著冷卻空氣，是個兼有熱質(zhì)交換的復(fù)雜過程。 Ala Hasan等人對蒸發(fā)式冷卻器中運用橢圓管和翅片管進展了實驗研討，闡明翅片管束在一樣能量指數(shù)下傳送較多的熱量可達92%140%，橢圓管的主要優(yōu)點是摩擦因子低，即風(fēng)機所耗功率低。 王東屏指出蒸發(fā)式冷凝器帶有過熱蒸汽冷凝盤管，傳熱效果可添加10%。 Erens模擬計算發(fā)現(xiàn)添加Munter的塑料資料可以顯著地加強光滑管冷卻器的傳熱性能，而無需運用本錢很高的翅片管以添加傳熱面積。 蔣翔對益美高公司和巴爾第摩公司的蒸發(fā)式冷凝器進展了測試分析，提出了管型和填料這兩種強化途徑，并就扭曲管在蒸發(fā)式冷凝器中的運用做了一定的實際分析。 實驗安裝

14、本實驗安裝系統(tǒng)是一套完好的單級緊縮制冷循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，制冷工質(zhì)為氟利昂R22。它主要包括蒸發(fā)式冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器，緊縮機四大制冷部件，以及一些輔助設(shè)備包括枯燥過濾器、電磁閥和儲液器等。本實驗所采用的丈量元件大多都是能與計算機配套運用的常用物理量傳感器或測試儀器。實驗中需求測試的物理量主要有：空氣的干濕球溫度、水的溫度和流量、制冷劑溫度和壓力及緊縮機功耗。本實驗系統(tǒng)采器具有多點數(shù)字采集功能的巡檢儀，同時配置平板電腦系統(tǒng)，并由MCGS全中文組態(tài)軟件支持，組建了一套完好的監(jiān)測系統(tǒng)，以便實時存儲記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗中，鉑熱電阻的丈量精度為A級，壓力變送器的丈量精度為0.25%，渦輪番量傳感器的

15、丈量精度有0.5%和1%兩種，功率表的丈量精度為2%，儀器儀表在丈量前都經(jīng)過校正，能滿足實驗準確度的要求。蒸發(fā)式冷凝器換熱盤管采用160.5mm光滑紫銅圓管，正三角形陳列，其構(gòu)造參數(shù)如圖2所示。迎風(fēng)面積0.68m2，管外傳熱面積Fo為11.26m2，管內(nèi)傳熱面積Fi為10.56m2。實驗中，經(jīng)過變頻器來調(diào)理蒸發(fā)式冷凝器的運轉(zhuǎn)風(fēng)量和冷卻水流量。 強化傳熱方法分析 蒸發(fā)式冷凝器中的主要熱阻在于水氣界面的傳熱傳質(zhì)。必需指出，蒸發(fā)式冷凝器中熱質(zhì)交換面的構(gòu)成和噴水室是不同的。噴水室進展熱質(zhì)交換的是經(jīng)過噴嘴霧化后的小水滴和空氣的接觸面，而蒸發(fā)式冷凝器熱濕交換面為空氣與水膜及水膜和管外壁的接觸面積，由于水珠

16、飛濺及水膜的動搖，導(dǎo)致空氣與水膜的接觸面與盤管外外表積不同，但它們之間的比例數(shù)根本不變。也就是說，盤管管間水膜分布的大小和外形對蒸發(fā)式冷凝器的傳熱過程起到了重要的決議性作用，并且在滿足一定的噴淋水量情況下，水膜的分布主要與盤管的構(gòu)造和外形有關(guān)。圖3和圖4分別給出了盤管管束管間在橫向和縱向的水膜和空氣的流動分析簡圖。 從上分析可知，強化蒸發(fā)式冷凝器傳熱，就是強化水氣界面的傳熱傳質(zhì)，可以經(jīng)過提高氣-水界面交換面積比率來實現(xiàn)，一方面可以經(jīng)過添加額外的氣-水界面交換面積如填料，另一方面可以經(jīng)過管子外形的改動，如采用扭曲管、橢圓管等，使管間水膜流動形狀接近片狀流，而且管束的陳列最好采取叉排的方式。 實驗

17、研討 參與填料強化傳熱 實驗選用廣州馬利冷卻塔公司消費的MC75填料，如圖6所示。該填料是用0.38mm厚，抗紫外線，抗化學(xué)腐蝕的聚氯乙烯經(jīng)熱塑真空吸塑成型的填料片經(jīng)過交叉疊合而成的，每片構(gòu)造設(shè)計成45度傾斜波紋。用于實驗的填料尺寸規(guī)格為：720mm420mm110mm，共三塊。填料的安裝位置如圖7所示。實驗中，保證蒸發(fā)式冷凝器一樣的空氣進口濕球溫度24.1和噴淋密度0.047kgm-1s-1，調(diào)理風(fēng)機變頻器，測定不同頻率下有填料和無填料蒸發(fā)式冷凝器的傳熱性能。數(shù)據(jù)處置方法參見文獻19。圖8和圖9給出了總傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)的比較結(jié)果。從圖可知，在實驗條件下，有填料和無填料的蒸發(fā)式冷凝器總傳熱系

18、數(shù)平均值分別為410 Wm-2K-1 和364 Wm-2K-1，傳質(zhì)系數(shù)分別為0.216 kgm-2s-1 和0.147 kgm-2s-1。可見，填料的參與有效地強化了蒸發(fā)式冷凝器的過程傳熱傳質(zhì)，分別提高了傳熱和傳質(zhì)系數(shù)7%17%和35%63%，傳熱傳質(zhì)系數(shù)分別平均提高了12%和47%。圖10給出了填料對蒸發(fā)式冷凝器中循環(huán)冷卻水溫度的影響。從圖可見，填料的參與，有效地降低了循環(huán)冷卻水溫度12，這提高了管外水膜和管內(nèi)制冷劑蒸汽的傳熱推進力，有利于提高蒸發(fā)式冷凝器的傳熱效果?？倐鳠嵯禂?shù)K由制冷劑蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)、管外水膜傳熱系數(shù)和管外空氣傳熱系數(shù)這三部分組成。圖11給出了填料參與后管外空氣傳熱系

19、數(shù)的實驗結(jié)果。從圖可知，有填料的蒸發(fā)式冷凝器空氣傳熱系數(shù)大大地提高，傳熱系數(shù)提高幅度為4986 Wm-2K-1，提高比率為30%66%，傳熱系數(shù)最大值為218.17 Wm-2K-1；比較總傳熱系數(shù)和管外空氣傳熱系數(shù)的數(shù)值可知，管外空氣傳熱系數(shù)的提高對總傳熱系數(shù)提高起決議性的影響作用，該實驗結(jié)果和上面分析的蒸發(fā)式冷凝器主要熱阻實際是相符的。 扭曲管強化傳熱 把光滑銅管先在模具中加熱和壓制，然后按照一定的扭曲間距即可制成扭曲管。實驗中，扭曲管的扭距為0.4m，軸向比例為1.5。扭曲管的周長和光滑銅管的周長相等。管排的布置方式和光滑圓管一樣。 實驗中，噴淋密度滿足完全潮濕換熱管即可，取為0.047 kgm-1s-1，空氣的迎面風(fēng)速為3.0 ms-1。采用Kodak彩色高速攝影機來記錄水膜在管間的流動方式，實驗過程每秒拍500幅。圖1213分別代表性地給出了光滑圓管和扭曲管管間的水膜流動方式。 從圖12可知，水流在光滑圓管間的分布較為零亂，顯得無法控制，多為分散的滴狀流，水滴大小不均；光滑圓管底部滯留有水滴，由于