強(qiáng)化傳熱在蒸發(fā)式冷凝器冷凝過(guò)程的應(yīng)用

強(qiáng)化傳熱在蒸發(fā)式冷凝器冷凝過(guò)程的應(yīng)用第1頁(yè)/共34頁(yè)（1）壓縮機(jī)

基本作用：壓縮氣體，產(chǎn)生高溫高壓的冷媒氣體。第2頁(yè)/共34頁(yè)（2）換熱器（冷凝器、蒸發(fā)器）

基本作用：強(qiáng)化冷媒和空氣的換熱（換熱面積、換熱系數(shù)）第3頁(yè)/共34頁(yè)（3）風(fēng)機(jī)、風(fēng)道

基本作用：強(qiáng)化冷凝器、蒸發(fā)器的作用。第4頁(yè)/共34頁(yè)（4）膨脹機(jī)構(gòu)（毛細(xì)管、膨脹閥）

基本作用：使中溫高壓液體節(jié)流成為低溫低壓的液體冷媒

第5頁(yè)/共34頁(yè)制冷循環(huán)的冷凝過(guò)程冷凝過(guò)程從制冷機(jī)排出的高溫高壓過(guò)熱蒸汽，進(jìn)入冷凝器與冷卻水或空氣進(jìn)行熱交換，使過(guò)熱蒸汽逐漸變成飽和蒸汽，進(jìn)而變成飽和液體。當(dāng)用冷卻水冷卻時(shí)，飽和液體的溫度繼續(xù)降低，出現(xiàn)過(guò)冷。冷凝過(guò)程中壓力保持不變。第6頁(yè)/共34頁(yè)冷凝器

冷凝器是制冷裝置中一個(gè)很重要的換熱設(shè)備,其特點(diǎn)是體積較大,貴重管材耗量多,其工作性能好壞對(duì)動(dòng)力裝置的效率影響較大。例如當(dāng)冷凝器的熱阻降低時(shí),在同樣的輸出功率的情況下,動(dòng)力裝置的耗熱率[kJ/kW]會(huì)減小,從而可以提高裝置的總效率。為此國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究單位對(duì)冷凝器的性能及強(qiáng)化傳熱問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究工作。第7頁(yè)/共34頁(yè)冷凝器強(qiáng)化傳熱分析

根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理,冷凝器的總傳熱量可由下式計(jì)算:Q=KFΔt(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(jì)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;Δt是對(duì)數(shù)平均溫差,℃;Δt由以下公式計(jì)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,℃;tsat是管內(nèi)水壓力下的飽和溫度,℃。第8頁(yè)/共34頁(yè)

圖1給出了實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,圖中橫坐標(biāo)為管內(nèi)強(qiáng)化傳熱系數(shù)比ei(=強(qiáng)化管的傳熱系數(shù)hie/光管的傳熱系數(shù)hip),縱坐標(biāo)為動(dòng)力裝置的耗熱率變化,負(fù)值表示裝有強(qiáng)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(qiáng)化傳熱系數(shù)比(=強(qiáng)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(qiáng)化傳熱系數(shù)比的提高對(duì)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(dāng)內(nèi)側(cè)強(qiáng)化傳熱比大于1.5以上時(shí),對(duì)冷凝器的性能沒(méi)有太大的影響?？梢?jiàn)，提高管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)動(dòng)力裝置的耗熱率影響不明顯,而提高管外側(cè)的強(qiáng)化傳熱系數(shù)效果比較顯著,第9頁(yè)/共34頁(yè)冷凝器管外側(cè)的冷凝傳熱系數(shù)有很多種計(jì)算公式,這些計(jì)算公式在一般的教科書(shū)中都可以找到,但這些計(jì)算公式大多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室的條件下得到的。這些公式對(duì)于理想情況下的冷凝傳熱計(jì)算是正確的,但距離應(yīng)用在冷凝器中的實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于一個(gè)大型的電站或者船用冷凝器,管外側(cè)的傳熱要考慮以下幾個(gè)問(wèn)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(dòng)過(guò)程中,流動(dòng)阻力和壓降的影響;(4)管子排列的影響;(5)蒸汽流動(dòng)過(guò)程中流場(chǎng)變化的影響等。第10頁(yè)/共34頁(yè)

螺紋槽管使用性能分析

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn),螺紋槽管具有內(nèi)外雙側(cè)強(qiáng)化傳熱的作用,并且加工方法簡(jiǎn)單、使用方便。目前在美國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)家的一些冷凝器中采用。螺紋槽管的形狀如圖2所示,這種管子的性能與槽深和螺距有很大關(guān)系,當(dāng)增加槽深時(shí),強(qiáng)化傳熱的效果會(huì)增加,但同時(shí)管內(nèi)的流動(dòng)阻力也隨之增加,從而增加了循環(huán)水泵的耗功或者降低循環(huán)水的流量。例如當(dāng)槽深為0.85mm時(shí),流動(dòng)阻力系數(shù)比光管增加3～5倍,而當(dāng)槽深為0.27mm時(shí),流動(dòng)阻力系數(shù)只增加0.11～0.3倍。根據(jù)上圖所展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,管內(nèi)的強(qiáng)化傳熱比在1.5之內(nèi)對(duì)裝置的耗熱率有好的影響,大于1.5以后所起的作用不大。因此在使用螺紋槽管時(shí)槽深不宜太深,根據(jù)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)槽深為0.6mm螺距為12mm時(shí),內(nèi)側(cè)強(qiáng)化傳熱比為1.45～1.72,這種尺寸的管子用在實(shí)際的冷凝器上比較合適。第11頁(yè)/共34頁(yè)

理論上，一般認(rèn)為螺紋槽管外側(cè)溝槽有積聚冷凝液和排出冷凝液的作用,因此有較好的強(qiáng)化傳熱效果。事實(shí)上，根據(jù)近年來(lái)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,管外側(cè)的強(qiáng)化傳熱效果并不十分明顯;RabasTJ對(duì)很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后認(rèn)為,由于螺紋槽管的螺距較大(一般在8～20mm之間),外側(cè)的溝槽對(duì)蒸汽的凝結(jié)傳熱起不到很大的強(qiáng)化傳熱作用。特別是當(dāng)管排數(shù)較多時(shí),下面管子表面液膜較厚,溝槽的聚液和排液能力會(huì)消失。給出的結(jié)果表明,普通的螺紋槽管外側(cè)的強(qiáng)化傳熱比只有1.0～1.10。也就是說(shuō)普通的螺紋槽管只有內(nèi)側(cè)有強(qiáng)化傳熱作用,外側(cè)并無(wú)太大的強(qiáng)化傳熱作用?！禜eat2rateImprovementsObtainedbyRe2tubingCondenserswithnew,EnhancedTubeTypes.Advancesinenhancedheattransfer》第12頁(yè)/共34頁(yè)根據(jù)以上這些分析,在大型冷凝器中使用螺紋槽管并不是一個(gè)很好的選擇,因?yàn)樵谶@種情況下冷凝器中管外側(cè)傳熱的強(qiáng)化是重要的,而螺紋槽管達(dá)不到很好的外側(cè)強(qiáng)化傳熱作用。從圖1中可以看出,管外的強(qiáng)化傳熱比為1.5時(shí)效果較好,當(dāng)eo大于1.5帶來(lái)的效果并不明顯。提高管內(nèi)傳熱系數(shù)對(duì)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合適。這種管子可以用滾壓的方法成型,加工比較簡(jiǎn)單,目前在國(guó)內(nèi)一些工業(yè)換熱設(shè)備中有所使用。這種管子雖然內(nèi)側(cè)無(wú)強(qiáng)化傳熱作用,但外側(cè)冷凝的傳熱效果較好,可以達(dá)到1.5～2.0的強(qiáng)化傳熱系數(shù)比。另外還可以采用在普通的螺紋槽管的外表面上加工出低翅片或者在表面上滾壓出緊密而細(xì)小的凹槽,這樣可以提高外表面的傳熱系數(shù),從而可以達(dá)到降低裝置耗熱率的目的。在大型動(dòng)力裝置的蒸汽冷凝器上采用以上兩種強(qiáng)化傳熱管,會(huì)帶來(lái)比普通螺紋槽管更好的效果。AlaHasan等人對(duì)蒸發(fā)式冷卻器中使用橢圓管和翅片管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明翅片管束在相同能量指數(shù)下傳遞較多的熱量可達(dá)92%～140%第13頁(yè)/共34頁(yè)幾點(diǎn)結(jié)論:(1)在大型冷凝器中,采用強(qiáng)化傳熱的方法提高管外側(cè)的傳熱系數(shù)對(duì)減少動(dòng)力裝置的耗熱率會(huì)起到較好的作用。(2)由于增加管內(nèi)傳熱系數(shù)會(huì)增加流動(dòng)阻力和污垢系數(shù),因此管內(nèi)的強(qiáng)化傳熱系數(shù)比不宜過(guò)大,當(dāng)ei大于1.5時(shí)對(duì)動(dòng)力裝置耗熱率的變化無(wú)大的影響。(3)當(dāng)冷凝器的設(shè)計(jì)性能不佳(管束排列不合理或蒸汽流場(chǎng)分配不合理)時(shí),管束系數(shù)值較小,提高管外側(cè)的傳熱系數(shù)會(huì)帶來(lái)更明顯的好處。(4)在大型冷凝器中采用低翅片管或在普通的螺紋槽管上進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?提高外側(cè)的傳熱系數(shù),會(huì)帶來(lái)較好的效果.第14頁(yè)/共34頁(yè)強(qiáng)化傳熱技術(shù)在蒸發(fā)式

冷凝器的應(yīng)用在冷凍空調(diào)中，采用蒸發(fā)式冷凝器，比一般的冷凝設(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(jì)有效。且由于蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)冷凝溫度比常用的水冷式和空冷式冷凝器低，運(yùn)行費(fèi)用會(huì)更加經(jīng)濟(jì)，節(jié)約能耗；蒸發(fā)式冷凝器廣泛應(yīng)用于沒(méi)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(lái)冷凝制冷劑，所以蒸發(fā)冷并不省水，其冷凝制冷劑所需要的蒸發(fā)的水分跟水冷殼管式冷凝器+冷卻塔是差不多的。第15頁(yè)/共34頁(yè)蒸發(fā)式冷凝器第16頁(yè)/共34頁(yè)第17頁(yè)/共34頁(yè)工作原理

制冷、空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機(jī)排出的制冷劑高壓過(guò)熱氣體經(jīng)過(guò)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和空氣進(jìn)行熱交換。即氣態(tài)制冷劑由上部進(jìn)氣口進(jìn)入冷凝排管后自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(jī)的超強(qiáng)風(fēng)力使噴淋水完全均勻地覆蓋在冷凝排管的表面，水借風(fēng)勢(shì)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)，利用水的汽化潛熱由引風(fēng)機(jī)帶走大量的熱量，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，散落到PVC淋水片的熱交換層中，被流經(jīng)的空氣冷卻后溫度降低進(jìn)入底部水箱，再經(jīng)循環(huán)水泵繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)，在冷凝過(guò)程中蒸發(fā)掉的水份由水位調(diào)節(jié)浮球控制器自動(dòng)給予補(bǔ)充。第18頁(yè)/共34頁(yè)填料和扭曲管兩種強(qiáng)化方法

蒸發(fā)式冷凝器管內(nèi)流動(dòng)著制冷劑，管表面為薄層水膜覆蓋，管外層流動(dòng)著冷卻空氣，是個(gè)兼有熱質(zhì)交換的復(fù)雜過(guò)程。AlaHasan等人對(duì)蒸發(fā)式冷卻器中使用橢圓管和翅片管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明翅片管束在相同能量指數(shù)下傳遞較多的熱量可達(dá)92%～140%，橢圓管的主要優(yōu)點(diǎn)是摩擦因子低，即風(fēng)機(jī)所耗功率低。王東屏指出蒸發(fā)式冷凝器帶有過(guò)熱蒸汽冷凝盤(pán)管，傳熱效果可增加10%。Erens模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)添加Munter的塑料材料可以顯著地增強(qiáng)光滑管冷卻器的傳熱性能，而無(wú)需使用成本很高的翅片管以增加傳熱面積。蔣翔[對(duì)益美高公司和巴爾第摩公司的蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行了測(cè)試分析，提出了管型和填料這兩種強(qiáng)化途徑，并就扭曲管在蒸發(fā)式冷凝器中的應(yīng)用做了一定的理論分析。第19頁(yè)/共34頁(yè)實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)是一套完整的單級(jí)壓縮制冷循環(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，壓縮機(jī)四大制冷部件，以及一些輔助設(shè)備包括干燥過(guò)濾器、電磁閥和儲(chǔ)液器等。第20頁(yè)/共34頁(yè)本實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)量元件大多都是能與計(jì)算機(jī)配套使用的常用物理量傳感器或測(cè)試儀器。實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)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壓縮機(jī)功耗。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用具有多點(diǎn)數(shù)字采集功能的巡檢儀，同時(shí)配置平板電腦系統(tǒng)，并由MCGS全中文組態(tài)軟件支持，組建了一套完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)存儲(chǔ)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，鉑熱電阻的測(cè)量精度為A級(jí)，壓力變送器的測(cè)量精度為0.25%，渦輪流量傳感器的測(cè)量精度有0.5%和1%兩種，功率表的測(cè)量精度為2%，儀器儀表在測(cè)量前都經(jīng)過(guò)校正，能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)精確度的要求。第21頁(yè)/共34頁(yè)蒸發(fā)式冷凝器換熱盤(pán)管采用φ16×0.5mm光滑紫銅圓管，正三角形排列，其結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)中，通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)蒸發(fā)式冷凝器的運(yùn)行風(fēng)量和冷卻水流量。第22頁(yè)/共34頁(yè)強(qiáng)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)。必須指出，蒸發(fā)式冷凝器中熱質(zhì)交換面的形成和噴水室是不同的。噴水室進(jìn)行熱質(zhì)交換的是經(jīng)過(guò)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，由于水珠飛濺及水膜的波動(dòng)，導(dǎo)致空氣與水膜的接觸面與盤(pán)管外表面積不同，但它們之間的比例數(shù)基本不變。也就是說(shuō)，盤(pán)管管間水膜分布的大小和形狀對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的傳熱過(guò)程起到了重要的決定性作用，并且在滿(mǎn)足一定的噴淋水量情況下，水膜的分布主要與盤(pán)管的結(jié)構(gòu)和形狀有關(guān)。圖3和圖4分別給出了盤(pán)管管束管間在橫向和縱向的水膜和空氣的流動(dòng)分析簡(jiǎn)圖。第23頁(yè)/共34頁(yè)第24頁(yè)/共34頁(yè)

從上分析可知，強(qiáng)化蒸發(fā)式冷凝器傳熱，就是強(qiáng)化水－氣界面的傳熱傳質(zhì)，可以通過(guò)提高氣-水界面交換面積比率來(lái)實(shí)現(xiàn)，一方面可以通過(guò)增加額外的氣-水界面交換面積如填料，另一方面可以通過(guò)管子形狀的改變，如采用扭曲管、橢圓管等，使管間水膜流動(dòng)狀態(tài)接近片狀流，而且管束的排列最好采取叉排的形式。第25頁(yè)/共34頁(yè)實(shí)驗(yàn)研究加入填料強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)選用廣州馬利冷卻塔公司生產(chǎn)的MC75填料，如圖6所示。該填料是用0.38mm厚，抗紫外線(xiàn)，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(guò)交叉疊合而成的，每片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成45度傾斜波紋。用于實(shí)驗(yàn)的填料尺寸規(guī)格為：720mm×420mm×110mm，共三塊。填料的安裝位置如圖7所示。第26頁(yè)/共34頁(yè)實(shí)驗(yàn)中，保證蒸發(fā)式冷凝器相同的空氣進(jìn)口濕球溫度24.1℃和噴淋密度0.047kg·m-1·s-1，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器，測(cè)定不同頻率下有填料和無(wú)填料蒸發(fā)式冷凝器的傳熱性能。數(shù)據(jù)處理方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[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(shí)驗(yàn)條件下，有填料和無(wú)填料的蒸發(fā)式冷凝器總傳熱系數(shù)平均值分別為410W·m-2·K-1和364W·m-2·K-1，傳質(zhì)系數(shù)分別為0.216kg·m-2·s-1和0.147kg·m-2·s-1?？梢?jiàn)，填料的加入有效地強(qiáng)化了蒸發(fā)式冷凝器的過(guò)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%。第27頁(yè)/共34頁(yè)圖10給出了填料對(duì)蒸發(fā)式冷凝器中循環(huán)冷卻水溫度的影響。從圖可見(jiàn)，填料的加入，有效地降低了循環(huán)冷卻水溫度1℃～2℃，這提高了管外水膜和管內(nèi)制冷劑蒸汽的傳熱推動(dòng)力，有利于提高蒸發(fā)式冷凝器的傳熱效果。總傳熱系數(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給出了填料加入后管外空氣傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)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49～86W·m-2·K-1，提高比率為30%～66%，傳熱系數(shù)最大值為218.17W·m-2·K-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(duì)總傳熱系數(shù)提高起決定性的影響作用，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上面分析的蒸發(fā)式冷凝器主要熱阻理論是相符的。第28頁(yè)/共34頁(yè)扭曲管強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中，扭曲管的扭距為0.4m，軸向比例為1.5。扭曲管的周長(zhǎng)和光滑銅管的周長(zhǎng)相等。管排的布置方式和光滑圓管相同。實(shí)驗(yàn)中，噴淋密度滿(mǎn)足完全濕潤(rùn)換熱管即可，取為0.047kg·m-1·s-1，空氣的迎面風(fēng)速為3.0m·s-1。采用Kodak彩色高速攝影機(jī)來(lái)記錄水膜在管間的流動(dòng)方式，實(shí)驗(yàn)過(guò)程每秒拍500幅。圖12～13分別代表性地給出了光滑圓管和扭曲管管間的水膜流動(dòng)形式。第29頁(yè)/共34頁(yè)

從圖12可知，水流在光滑圓管間的分布較為零亂，顯得無(wú)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，由于受到表面張力、重力和剪切力等力的作用，水滴將沿著管底不停地以類(lèi)似波的形式交替滑動(dòng)，不易從管底脫落，直到水滴達(dá)到力的不平衡點(diǎn)后才