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翅片管強化傳熱技術在冷凝器中的應用

來源：河北耀一節(jié)能設備制造有限責任公司發(fā)布時間：2014/6/2 11:48:06

翅片管,強化傳熱技術,冷凝器

隨著空調(diào)的普及以及空調(diào)節(jié)能問題的日益突出,蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術正以其節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)點在住宅和大型建筑中得到越來越多的應用。間接蒸發(fā)冷卻器是蒸發(fā)冷卻空調(diào)的核心裝置,蒸發(fā)冷卻技術的發(fā)展依賴于間接蒸發(fā)冷卻技術的突破和進展。而管式間接蒸發(fā)冷卻器是間接蒸發(fā)冷卻技術的普遍的表現(xiàn)形式,間接蒸發(fā)冷卻技術的突破和進展取決于管式間接蒸發(fā)冷卻器效率的提高。

根據(jù)蒸發(fā)冷卻原理,水的蒸發(fā)是冷卻降溫的前提。管式間接蒸發(fā)冷卻器管外側實現(xiàn)的是水與空氣直接接觸,空氣等焓冷卻過程,被冷卻的水通過間壁吸收管內(nèi)一次空氣的熱量。也_是說,管外側的傳熱傳質(zhì)效果直接影響到一次空氣的溫降,也將決定了換熱器的效率。設法增強管外空氣與水的傳熱傳質(zhì),_能提高管式間接蒸發(fā)冷卻器的效率。所以管式間接蒸發(fā)冷卻器的管外強化傳熱傳質(zhì)的研究具有很高的價值與意義。國內(nèi)外對強化傳熱傳質(zhì)進行的研究取得了豐碩的成果, 目前已有的強化傳熱傳質(zhì)技術不下百余種[1、2]。強化管式間接蒸發(fā)冷卻器的管外傳熱傳質(zhì)的方法也很多,如對管外進行特殊設計、設計合理的布水方式、在噴淋水中添加潤濕劑等。本文以管式間接蒸發(fā)冷卻器為研究對象,重點從對管外進行特殊設計出發(fā),闡述了幾種強化傳熱傳質(zhì)的方法,研究了如何強化管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)性能,為開發(fā)和研究低能耗、管式間接蒸發(fā) 冷卻器奠定了基礎。

冷凝器的應用范圍_廣闊，特別是在制冷空調(diào)系統(tǒng)中。冷凝器作為主要的傳熱設備之一，其性能的好壞直接影響到裝置的總體工作性能。因此，冷凝器傳熱過程的強化得到了越來越廣泛的重視。為了提高冷凝設備的整體性能，通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強化傳熱過程以提高冷凝器的效率，已成為國內(nèi)外冷凝器發(fā)展的一種趨勢。

    1.常見冷凝器類型與特點

    冷凝器又稱“液化器”，是使蒸氣在其中放出熱量而液化的換熱器。根據(jù)冷卻介質(zhì)和冷卻方式的不同，冷凝器可分為水冷式、空冷式、蒸發(fā)式三種類型。

    1.1水冷式冷凝器

    水冷式冷凝器是以水作為冷卻介質(zhì)，靠水的溫升帶走冷凝熱量。水冷式冷凝器具有傳熱效率高、結構緊湊的特點。目前，由于水資源短缺，水冷式冷凝器中使用的冷卻水普遍循環(huán)使用，其主要缺點是需要設置專門的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，初投資高，水處理費用大。常用的水冷式冷凝器有臥式殼管式、立式殼管式和套管式等型式。

    在大中型空調(diào)制冷裝置及工業(yè)制冷中一般均采用水冷式冷凝器，其中又以殼管式冷凝器較常用。在殼管式冷凝器中，制冷劑通常在管外冷凝，水在管內(nèi)流動。目前使用的殼管式冷凝器有光管管束與滾壓低翅片管（即螺旋管）兩種。一般，氨用臥式殼管式冷凝器多采用光管管束，氟里昂冷凝器多采用滾壓低翅片管。

    1.2空冷式冷凝器

    空冷式冷凝器也稱風冷式冷凝器，制冷劑在管內(nèi)冷凝，制冷劑放出的熱量被空氣帶走。這種冷凝器中有自然對流空氣冷卻式冷凝器和強制對流空氣冷卻式冷凝器。由于空氣的對流傳熱系數(shù)很低（25～35 W/m·2K）[1]，空冷式冷凝器的傳熱效率不如水冷式，冷凝溫度與冷凝壓力均較高。另外，在換熱負荷_的情況下，空冷式冷凝器所需傳熱面積比水冷式冷凝器大，故而設備體積和質(zhì)量均龐大，占地大。但是可冷熱兩用，初投資低，系統(tǒng)維護管理相對簡單?？绽涫嚼淠髟诠?程實際中的應用_廣泛，既可用于制冷系統(tǒng)，也廣泛應用于空調(diào)系統(tǒng)。其較大的優(yōu)點是不需冷卻水，因此特別適用于缺水地區(qū)或者供水困難的場合，在小型制冷空調(diào)領域應用尤為廣泛。

    1.3蒸發(fā)式冷凝器

    蒸發(fā)式冷凝器是以蒸發(fā)冷凝和顯熱交換為基礎，制冷劑放出的熱量同時由冷卻水和空氣帶走。制冷劑在管內(nèi)流動，冷卻水在管外噴淋蒸發(fā)時吸收氣化潛熱，使管內(nèi)制冷劑冷卻和冷凝。蒸發(fā)式冷凝器中，省去了冷卻水在冷凝器中的顯熱傳遞階段，使冷凝溫度_接近空氣的濕球溫度，可比水冷式冷凝器系統(tǒng)低3～5℃，從而大大降低壓縮機的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系統(tǒng)的1/3左右 [2]。我國蒸發(fā)式冷凝器的開發(fā)和應用相對滯后，以往多應用于大型的氨制冷系統(tǒng)。近年來，由于電力資源緊張和水資源匱乏，蒸發(fā)式冷凝器作為一種節(jié)能節(jié)水型換熱設備，其研究和應用得到了廣泛重視，加快了蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品技術的成熟和進一步應用。目前，已有一些生產(chǎn)廠家在結構上對其進行了完善，使之應用于空調(diào)機組

對于那些需要進行控制的冷凍空調(diào)系統(tǒng)和運行環(huán)境惡劣的場合，蒸發(fā)式冷凝器_容易滿足工藝控制要求。工程應用表明，采用該產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的“水冷式冷凝器+涼水塔”方式，增加的初投資一般能在一年左右即可收回，經(jīng)濟效益明顯。

    2 冷凝器中常用的強化傳熱翅片管

    傳熱過程是熱量從一種流體通過固體壁面?zhèn)鹘o另一種流體的過程。工程實際中，強化換熱器的換熱性能主要從強化兩側介質(zhì)與換熱管內(nèi)、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強化傳熱技術有:（1）表面涂層；（2）粗糙表面；（3）擴展表面；（4）各種內(nèi)外螺紋管；（5）擾流元件；（6）添加物；（7）沖擊傳熱 [3]。在各種強化傳熱技術中，在壁面上加裝翅片，作為增強傳熱的一個主要手段，在工程中得到廣泛應用。翅片管式換熱器具有傳熱、結構緊湊等特點，已被廣泛地應用于制冷空調(diào)裝置、航空航天設備、太陽能集熱器和電子設備等各個領域中。在冷凝器中的應用尤為普遍。

    翅片管的種類很多，而且還在不斷涌現(xiàn)新的品種，在這方面的研究也較多[4～6]。大體上可按加工工藝、翅片形狀、材質(zhì)、用途等幾個方面對翅片管進行分類。在冷凝器中，常用的翅片管有以下幾種形式。

    2.1螺紋類翅片管

    在冷凝器中，常用的螺紋類翅片管有：內(nèi)螺紋管、整體型螺旋翅片管、螺旋（紋）槽管、橫紋管、肋片管等。

    2.1.1內(nèi)螺紋管

    內(nèi)螺紋管結構如圖1所示。

    內(nèi) 螺紋管是一種常見的傳熱特性很好的換熱管?？照{(diào)中采用的水冷式冷凝器一般為R22系統(tǒng)，普遍采用內(nèi)螺紋管，其傳熱系數(shù)可達 930～1 600 W/m·2K[7]，進而可以降低冷凝溫度，單位制冷量冷水機組壓縮機能耗_越少。另外，水冷式冷凝器，特別是大型冷水機組冷凝器冷卻水一般都直接取自江河水，懸浮在水中的泥沙顆粒和微生物等污垢物很容易在換熱管內(nèi)壁形成污垢，使換熱效果大大削弱。文獻[8]的研究表明：冷凝器選用內(nèi) 螺紋管時，冷卻水存在臨界流速υ臨界，當流速υ<υ臨界時，不管機組運行多長時間，相對于光管而言都可實現(xiàn)經(jīng)濟性運行；如果冷卻水流速υ>υ 臨界，那么必然存在臨界時間t臨界，當累計運行時間t≤t臨界時，冷凝器選用內(nèi)螺紋管仍然具有經(jīng)濟性。故只要以臨界時間為參考點定期清洗冷凝器，_可維持機組經(jīng)濟性運行。

    2.1.2整體型螺旋翅片管

    整體形螺旋翅片管是由專用設備———整體形螺旋翅片管加工設備一次性加工成型，翅片呈螺旋形。整體型肋片管又可分為雙金屬肋片管和單金屬肋片管兩種。雙金屬肋片管由兩種不同材料的金屬管復合軋制而成，有銅鋁復合管與鋼鋁復合管；單金屬肋片管由一根鋁管或銅管軋制而成，因不存在接觸熱阻的問題，可大大提高肋片管的換熱性能。整體形螺旋翅片管的基本結構如圖2所示。

    整體形螺旋翅片管作為熱交換設備中的重要換熱元件，在采暖、制冷系統(tǒng)的冷凝器中得到普遍應用，另外還可廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、烘烤、余熱回收等各種具有熱交換過程的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活領域。

    2.1.3螺旋槽管

    螺旋槽管也即螺紋槽管，是在基管上加工出螺旋形凹槽而成，如圖3所示。其強化傳熱機理是產(chǎn)生的邊界層分離流使傳熱邊界被破壞。螺旋槽管有單頭和多頭之分，考慮到傳熱效果和阻力因素的綜合影響，工程上一般采用單頭。實踐證明：螺旋槽管對液-液、液-氣、氣-氣間傳熱過程均有強化作用，與光管相比，總傳熱系數(shù)可提高20%～40%，可用于各種形式的換熱器、余熱鍋爐等

    有人在氨立式冷凝器中，采用螺旋槽鋼管為強化傳熱元件，與光滑鋼管進行了對比試驗，結果表明螺旋槽鋼管的傳熱系數(shù)比光滑鋼管高12.9%～65.5%。某冷凍廠的氨立式冷凝器應用螺旋槽鋼管，經(jīng)過一年多的運行測試，傳熱系數(shù)比用光滑鋼管高32.6%～57%[11]。水蒸汽在水平換熱管外凝結的條件下，螺旋槽管是實現(xiàn)冷凝器小型化理想的管型之一，是一種雙側強化管。這種管型加工方便，抗結垢能力強，除垢方法簡易，有的已用于船用冷凝器。文獻[10] 對螺紋槽管的研究結果表明：（1）在冷卻水質(zhì)量流量及水阻相等的條件下，螺紋槽管冷凝器的換熱面積可比光管減少30.6%～33.8%；（2）在清潔狀態(tài) 下，螺紋管槽傳熱系數(shù)是光管的1.25～1.41倍，運行一年后（結垢狀態(tài)），其傳熱性能仍_過光管。

    2.1.4橫紋槽管

    橫紋槽管是20世紀70年代中期出現(xiàn)的一種傳熱元件。它用普通圓管作毛胚，在管外壁經(jīng)簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽，同時在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)翅，具有加工簡單，制造成本低廉的優(yōu)點，其結構如圖4所示。橫紋槽管是螺旋槽管螺旋角為90°時的形式。其強化傳熱機理為：徑向流動破壞了邊界層底層的形成，在_程度上強化了傳熱。另一方面，當管內(nèi)流體經(jīng)橫向環(huán)翅時，管壁附近形成橫向漩渦，增大了邊界層的擾動，有利于熱量通過邊界層向流體主體的傳遞。由于橫向環(huán)翅的不斷出現(xiàn)，當前一個渦流即將消失時，流體流經(jīng)下一個橫翅馬上產(chǎn)生新的橫向渦流，因而可保持連續(xù)且穩(wěn)定的強化作用[12]。橫紋槽管主要用來強化管內(nèi)單相流體的傳熱，研究發(fā)現(xiàn)，在相同流速下，橫紋槽管流動阻力要小于單頭螺旋槽管。

    文獻[12]對橫紋管的污垢性能進行了實驗研究，結果表明：橫紋管有較好的傳熱性能，在清潔狀態(tài)下，橫紋管的強化比約為1.2；在結垢狀態(tài)下，橫紋管的強化比約為1.4。故橫紋管比光管_適宜于結垢狀態(tài)下使用。

    2.1.5肋片管

    肋片管分為低肋片管和高肋片管。低肋管也即通常所稱的螺紋管，是制冷殼管式換熱器中普遍采用的換熱管，也是蒸發(fā)式冷凝器中普遍采用的強化傳熱方法之一，用于油品冷卻效果也較好。高肋片管則主要用在空冷器上。采用肋片管，通過調(diào)節(jié)管內(nèi)、外某一側的膜傳熱系數(shù)，即翅片位于傳熱系數(shù)較小的一側，可使總傳熱系數(shù)值增加幾倍[9,13,14]。

    低肋片管和高肋片管均已標準化，可按標準直接向_廠家訂購。

    2.1.6變螺距內(nèi)螺紋管

    采用在已加工好的管壁內(nèi)部加工變螺距內(nèi)螺紋，不但可以擴大管子的內(nèi)表面積，增加傳熱面積，并且由于管子不再是光管，內(nèi)部有螺紋所以內(nèi)壁變得粗糙，可以破壞層流邊界層，使管內(nèi)的制冷劑的流態(tài)變成紊流，從而提高管內(nèi)對流換熱系數(shù)。同時，因為采用變螺距，沿著流體流動方向螺距從大變小，這樣可進一步增強流體的擾動，強化流體的換熱系數(shù)。

    研究表明，將等間距內(nèi)螺紋翅片管換熱器的管內(nèi)螺紋改為變間距，由于管內(nèi)有規(guī)則、連續(xù)的凸肋和凹槽發(fā)生改變，可使其內(nèi)表面積比等間距增大8.4%，傳熱系數(shù)增大3.82%，管內(nèi)換熱系數(shù)增加4.89%[15]。等間距內(nèi)螺紋管與變間距內(nèi)螺紋管的結構示意圖如圖5、圖6所示。

    2.2套片管

    套片式翅片管是將沖壓成型的翅片緊套在金屬管壁上制成的。翅片管材料通常采用鋼管鋼翅片，也可采用銅管鋁片，然后經(jīng)表面熱鍍鋅處理。翅片形狀為矩形，每片翅片可以套在一根管上或同時套在多根管上，根據(jù)情況還可在翅片上加工出不同形狀的口子，如圖7所示。

工程中常用的套片式翅片管有兩排或四排，采用的管束以正三角形叉排布置，如圖8所示。

    文獻[16]將整體套片的肋效率與等截面、變截面直肋和環(huán)肋的肋效率相比，發(fā)現(xiàn)整體套片式肋的肋效率較其它形式肋大，單位體積的傳熱面也較大，金屬耗量大，但其加工簡單、安裝方便。

    由于套片管換熱器具有加工簡單，結構緊湊，占地面積小等優(yōu)點，在空調(diào)工程中的得到廣泛的應用。如空冷式冷凝器，_多采用套片管或螺旋繞片管。圖9所示為空調(diào)中使用的雙排冷凝器翅片形式。

    2.3波紋管

    波紋換熱管如圖10所示，其強化傳熱機理是：波紋形翅片引起的流動方向改變導致邊界層分離，從而提高換熱效率。

波紋管是一種能傳熱表面，目前在強化換熱管領域占有重要地位，常用于各種強化傳熱的場合，如制冷系統(tǒng)中的中間冷卻器等。波紋管也常用于強化蒸發(fā)式冷凝器的傳熱[7]。

用波紋管作為換熱管的

波紋管換熱器是實現(xiàn)雙面強化傳熱的換熱設備，它綜合了管殼式換熱器和板式換熱器的優(yōu)點，具有傳熱系數(shù)高（其換熱效率可比管殼式換熱器和板式換熱器提高2倍以上）、適應性強（耐溫差、壓差性能好，自補償性能好）、防垢除垢、_、單臺處理量大（熱負荷可達 150×106 kcal[h1]/h）、流動阻力小、結構簡單、制作方便、體積小、重量輕、節(jié)省鋼材等眾多優(yōu)點。特別地，波紋管的防垢自潔效應，實現(xiàn)了在整個運行過程中均能維持較高的傳熱效果。因此，波紋管換熱器的社會效益和經(jīng)濟效益非常顯著，已成為現(xiàn)有換熱器的_新?lián)Q代產(chǎn)品，得到廣泛的應用，具有很好的推廣應用前景。

    2.4螺旋扭曲管

    目前，對強化傳熱管的研究已進入第三代管型———三維傳熱管，螺旋扭曲管_是其中的新管型之一。三維的非連續(xù)翅片管比二維的連續(xù)翅片管具有_不規(guī)則的擴展表面，流體流過時，邊界層反復不斷地受到破壞，從而使傳熱系數(shù)得到進一步提高。

    螺旋扭曲管的具體形式較多，其中，文獻[17]設計的一種螺旋扭曲管如圖11所示。該管可采用碳鋼管、不銹鋼管、Ti管、紫銅管和鎳合金管制造，用于水-氨吸收機時，可采用鋁管。該管可用于冷凝器中，也可用于其

    他制冷換熱器、吸收式制冷機發(fā)生器和吸收器中，達到管內(nèi)外兩側強化傳熱的效果。

瑞典ALLARDS公司、華南理工大學化機所和武漢化工學院化機系、天津大學等都對螺旋扭曲管換熱器及其傳熱和阻力性能有_的研究[17,18]。在蒸發(fā) 式冷凝器中，也常用扭曲管作為一種新型強化傳熱元件，其內(nèi)部的螺旋扭曲流道使管程流體產(chǎn)生以縱向旋轉和二次旋流為主要特點的強擾動，使管內(nèi)流體在溫度梯度較大的徑向產(chǎn)生混合，使壁面處的溫度梯度增大，從而實現(xiàn)強化傳熱。

    2.5螺旋繞片管

    螺旋繞片管也是典型的三維傳熱管之一。它是利用金屬帶材的伸縮性，將薄金屬帶（鋼帶或不銹鋼帶 /銅帶）螺旋形地強制立繞在金屬基管上，使翅片與基管緊密接合在一起，然后對翅片管進行鍍層處理，使接觸熱阻降低到較低限度，同時強化翅片管的傳熱性能和抗腐蝕能力。螺旋繞片管的基本型式如圖12所示，其片距及片高可以根據(jù)使用要求而定。

    螺旋繞片管換熱器具有傳熱性能好、承壓能力大、傳熱速度快、_、壽命長等優(yōu)點，空冷式冷凝器中常采用螺旋繞片管來強化傳熱。

    3 結束語

    螺紋類翅片管、套片式翅片管、波紋管、螺旋扭曲管、螺旋繞片管等傳熱元件在冷凝器中得到了廣泛的應用，傳熱效果得到了顯著提高。除此之外，新齒形傳熱管還在不斷出現(xiàn)。與光管相比，它們具有下述共同特點：（1）不同形狀的翅片均可使傳熱壁面變得粗糙，從而破壞靜止的層流邊界層，提高對流換熱系數(shù)，使換熱得到不同程度的強化；（2）在負荷_的條件下，冷凝器所需面積可大大減??；（3）根據(jù)大多數(shù)人的常識，粗糙的翅片管表面容易引起結垢；事實上，由于粗糙表面引起的紊流破壞了靜止的附面層，會使污垢難于附著；即使有污垢附著，污垢也呈現(xiàn)離散的鱗片狀，設備運行中溫度的變化使管子發(fā)生膨脹和收縮，會因污垢與管壁材料間的脹差巨大而引起剝離，在介質(zhì)的沖擊下自行脫落。而光管垢層為圓柱體，無_自脫力。因此，翅片管的結垢情況并不比光管嚴重多少。

    近年來，各種翅片管換熱器在制冷空調(diào)領域的應用日趨廣泛，解決了換熱器運行中的許多問題，也收到了很好的強化傳熱的效果。隨著制冷空調(diào)企業(yè)的科技進步、技術改造的深入，強化傳熱仍是蒸發(fā)器、冷凝器等換熱設備的主要發(fā)展方向，新型的翅片管強化傳熱技術將會得到越來越廣泛的研究和應用。

換熱設備按工藝功能和用途可以分為冷卻（凝）設備、其它換熱設備（包括蒸發(fā)器、加熱器、預熱器、再沸器等）。其中，冷卻（凝）設備是將高溫的工藝介質(zhì)或制冷劑蒸汽的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，使高溫的工藝介質(zhì)或制冷劑蒸汽降溫冷卻或凝結成液體的設備。冷卻（凝）設備按冷卻介質(zhì)以及冷卻方式的不同可分為三類，即水冷卻（凝）器（亦稱水冷卻系統(tǒng)）、空冷器、蒸發(fā)式冷卻（凝）器（含復合型冷卻（凝）器），各冷卻（凝）器性能特點對比見下表。另外，冷卻（凝）設備按換熱部件的傳熱面形狀和結構可以分為管式、板式及其它形式。

各冷卻（凝）器的性能特點對比

水冷卻（凝）器

空冷器

蒸發(fā)式冷卻（凝）器

復合型冷卻（凝）器

定義

以水為冷卻介質(zhì)，利用水的溫升帶走熱量，對高溫流體進行冷卻（凝）的設備，通常外配冷卻塔。

以空氣為冷卻介質(zhì)，利用空氣的溫升帶走熱量，對高溫流體進行冷卻（凝）的設備。

以水和空氣為冷卻介質(zhì)，以空氣為載體，靠水的蒸發(fā)帶走熱量，對高溫流體進行冷卻（凝）的設備，是一種冷卻（凝）設備。

以水和空氣為冷卻介質(zhì)，通過蒸發(fā)式換熱和空冷式換熱優(yōu)化組合而形成的對高溫流體進行冷卻（凝）的節(jié)水節(jié)電冷卻（凝）設備。

換熱方式

顯熱換熱

潛熱換熱為主

顯熱+潛熱換熱

特點

耗水量大，水泵耗能大，水處理費用高。

成本較高，降溫效果差。

對水質(zhì)要求相對較高

對水質(zhì)要求較低

備注：顯熱換熱指依靠冷卻介質(zhì)的溫度的升降進行換熱的方式，是無相變的換熱過程；潛熱換熱是冷卻介質(zhì)在同一溫度下，相變過程中吸收或釋放熱量的換熱方式。

① 水冷卻（凝）技術

水冷卻（凝）技術的產(chǎn)品為水冷卻（凝）器。水冷卻（凝）器適用于水資源豐富的地區(qū)，在現(xiàn)今很多工業(yè)領域中，仍然是使用較廣泛的一種冷卻（凝）方式。

②空冷技術

空冷技術的產(chǎn)品為空冷器?？绽淦鞅人鋮s（凝）器的突出優(yōu)勢在于：冷源充足、節(jié)省冷卻用水、減少環(huán)境污染。然而，由于之前對水資源節(jié)約意識不足，空冷器的推廣發(fā)展緩慢。2000年以后，空冷器節(jié)水的優(yōu)勢逐漸被重視，并開始快速發(fā)展。目前，火力發(fā)電和石化已經(jīng)成為空冷器較大的兩個應用領域。

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