制冷系统的传热强化与削弱.pptx

第六章第六章 热交换过程及换热器热交换过程及换热器第一节第一节 制冷机中热交换设备的传热制冷机中热交换设备的传热 过程及传热计算方法过程及传热计算方法第二节第二节 蒸蒸 发发 器器第三节第三节 冷冷 凝凝 器器第四节第四节 蒸发器供液量的自动调节蒸发器供液量的自动调节第五节第五节 制冷系统的传热强化与削弱制冷系统的传热强化与削弱第一节第一节 制冷机中热交换设备的制冷机中热交换设备的 传热过程及传热计算方法传热过程及传热计算方法内内 容容 提提 要要一、一、通过平壁的传热通过平壁的传热二、二、通过圆管的传热通过圆管的传热三、三、通过肋壁的传热通过肋壁的传热四、四、平均传热温差与析湿系数平均传热温差与析湿系数五、五、换热器传热计算的平均温差法换热器传热计算的平均温差法第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 换热器是制冷机的重要设备，其特性对制冷机的性能有重要影响。换换热热器器中中包包括括多多种种热热交交换换过过程程，如如凝凝结结、沸沸腾腾、强强制制对对流流、自自然然对对流流等等。本章主要介绍蒸发器和冷凝器的结构、传热特性以及蒸发器供液量自动调节，也适当介绍一些制冷系统传热强化与削弱的方法。热热量量由由壁壁面面一一侧侧的的流流体体穿穿过过壁壁面面传传给给另另一一侧侧流流体体的的过过程程称称为为传传热热过过程程。制冷机热交换设备中的传热基本可以归结为通过平壁、圆管壁以及肋壁的传热，本节结合制冷换热器传热计算的实际需要，给以简要回顾。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算一、通过平壁的传热一、通过平壁的传热 对于无内热源、热导率为常数、厚度为、两侧流体温度为tf1与tf2、表面传热系数为h1与h2的单层无限大平壁的稳态传热过程，通过平壁的热流量通过平壁的热流量可由下式计算：(61)式中：通过平壁的热流量，W；A传热面积，m2；K传热系数，W/(m2K)。式(61)可改写成热流密度热流密度的形式 (62)式中：q热流密度，W/m2。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 整个传热过程可分成三个分过程：高温流体与壁面的对流换热、平壁导热以及壁面向低温流体的对流换热。传传热系数热系数为 (63)相应的传热热阻传热热阻为 (64)式中：R传热过程的热阻，m2K/W；1/hi、1/ho和/分别为两表面的对流换热热阻与壁面的导热热阻，m2K/W。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 对于n层平壁，当各层材料的热导率分别为1、2、n，且为常数，厚度分别为1、2、n，层与层之间接触良好，无接触热阻时，热阻计算公式为 (65)第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算二、通过圆管的传热二、通过圆管的传热 图61所示为一单层圆管，内、外直径分别为di和do，相应的半径为ri和ro，长度为l，热导率为常数，无内热源，圆管内、外两侧的流体温度分别为tf1、tf2，且tf1tf2，两侧的表面传热系数分别为hi、ho。与平壁传热不同，由于圆管的内、外表面积不相等，所以传热系数也有内、外之分。制冷换热器计算中，一般以圆管外表面面积Ao为基准，相应的热流量热流量为 (66)单位长度圆管的传热密度单位长度圆管的传热密度l l为 (67)式中：klkodo，为单位管长的传热系数，W/(m3K)。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 图图6 61 1 圆管壁的传热过程圆管壁的传热过程第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数k ko o为 (68)工工程程计计算算中中，当当圆圆管管的的内内、外外径径之之比比do/di2时时，式(68)可简化为 (69)或 (610)式中：圆管壁厚，m；圆管热导率，W/(mK)；dm圆管内、外直径的算术平均值，m；Am圆管内、外表面面积的算术平均值，m2。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 计算表明，简化后的式(69)、式(610)与原式(68)相比，计算偏差小于4%。当圆管壁为多层材料组成时，传热系数可由热热阻阻叠叠加加求得。涉及圆管保温时，其隔热材料的厚度应大于临临界界热热绝缘直径绝缘直径。热交换器投入使用后，传热表面会产生污垢，增大传热热阻。污污垢垢对对传传热热的的影影响响通通过过污污垢垢热热阻阻考考虑虑。计及污垢热阻的圆管传热公式为 (611)或 (612)第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 式中：Ri、Ro分别为圆管内、外表面的污污垢垢热热阻阻(在在换换热热器器设计中常称为设计中常称为污垢系数污垢系数)，m2K/W。在制冷换热器中，制冷剂侧污垢主要为润滑油的油膜及其他悬浮物的沉积；水侧污垢主要来自于盐类在换热表面上的结晶以及悬浮颗粒在换热表面上的沉积；空气侧污垢主要来自于空气中的悬浮颗粒在换热表面的沉积。由于污垢生成过程的复杂性，目前尚无法用理论计算方法确定。表表61给出了部分实验值。给出了部分实验值。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 表表61 换热器传热表面的污垢系数换热器传热表面的污垢系数部位及介质污垢系数/(m2K/W)冷凝器氨侧0.43103蒸发器氨侧0.60103氟利昂(钢管)侧0.09103冷却水侧0.09103盐水、海水侧0.18103冷媒水、水蒸气侧0.045103第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算三、通过肋壁的传热三、通过肋壁的传热 在制冷及低温工程中，通常会遇到两侧表面传热系数相差较大的传热过程。例如：一侧是单相液体强迫对流换热或相变换热(沸腾或凝结换热)，其表面传热系数一般在500W/(m2K)以以上上；另一侧是气体强迫对流换热或自然对流换热，表面传热系数一般在50W/(m2K)以以下下。这种情况下，强化传热主要考虑的是增强表面传热系数较小一侧壁面的对流换热，由于增大流速所起的作用有限，且会增加风机的耗能，一般采采用用加加肋肋方方式式扩扩展展换换热热面面积积以以增增大大肋肋侧侧热热流流量量，从而使两侧对流换热相匹配，是强化传热的有效措施。从而使两侧对流换热相匹配，是强化传热的有效措施。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 图图6 62 2 通过肋壁的传热过程通过肋壁的传热过程第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 图图62所所示示为为一一侧侧传传热热表表面面加加肋肋后后肋肋壁壁的的传传热热过过程程。假设未加肋的左侧面积为A1，加肋侧肋基面积为A2，肋基温度为tw2，肋片面积为A2，肋片平均温度为tw2，肋侧总面积A2A2A2；肋壁材料的热导率为常数，肋侧表面传热系数ho也为常数。在稳态传热情况下，肋侧的热热流流量量计算公式为 (613)引入肋效率肋效率f，得 (614)通过肋壁的传热热流量计算公式为通过肋壁的传热热流量计算公式为 (615)第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 式中：(A2 A2)/A2，称为，称为肋面总效率肋面总效率。以肋侧总面积为基准，传热计算公式为 (616)传热系数为 (617)式中：A2/A1，为肋化系数。由上式可见，加肋后，肋侧的对流换热热阻是1/ho，而未加肋时为1/ho，加肋后热阻减小的程度与()有关。由肋化系数的定义易知1，其大小取决于肋高与肋间距。增加肋高可以加大，但增加肋高会使肋效率f降低。减小肋间距也可以加大，但肋间距过小会增大流体的流动阻力。一般肋间距应第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 大于两倍边界层最大厚度，当涉及结露和结霜工况时，肋间距还应适当增大。工程上，当hi/ho35时，一般选择较小的低肋；当hi/ho10时，选择较大的高肋。引入污垢系数后，以肋侧表面面积为基准的传热系数为 (618)对于带肋的圆管，当do/di2时，以肋侧表面面积为基准的传热系数为 (619)式中：Am管道内外表面积的算术平均值。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算四、平均传热温差与析湿系数四、平均传热温差与析湿系数 进行传热计算之前，热交换器的型式和热负荷已在选型和循环计算中确定，但是热交换器中的传热温差、传热面积、冷却介质流速或被冷却介质流速需在传热计算过程中确定。传热温差和介质流速与热交换器的型式有关，一般通过技术经济分析确定其最佳值，或按经验数值选用。1 1对数平均温差对数平均温差 在热交换器中，冷、热流体沿传热面进行热交换，其温度沿流动的方向不断变化，所以冷、热流体间的温差也在不断地变化。为此，在进行传热计算时需取温差的平均值，以符号tm。表示。相应的传热计算公式为 (620)第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 平均温差tm与介质的流动形式有关。如如图图63所所示示，冷冷、热热流流体体的的流流动动形形式式主主要要有有4种种：两者平行且同向流动时称为顺流；两者平行而反向流动时称为逆流；彼此垂直的流动称为交叉流；图63d所示的情形称为混合流，对应于蛇形管换热器中的流动情形。在顺流和逆流情况下，冷、热流体的温度变化如图64所示。可以证明，当冷、热流体的热热容容量量(质量流量与比热容的乘积)在整个换热面上均为常量、传热系数k在整个换热面上不变、换热器无散热损失、沿换热面轴向的导热量可以忽略不计，以及换热器中任何一种流体都不能既有相变又有单相对流换热时，换热器内的平均传热温差取两端温差的对数平均值温差，计算式如下计算式如下：第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 图图6 63 3 流动型式示意图流动型式示意图第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 图图6 64 4 换热器中流体温度沿程变化换热器中流体温度沿程变化第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 (621)式中：tmax换热器两端冷、热流体间温差的最大值；tmin换热器两端冷、热流体间温差的最小值。当tmax/tmin2时，可以采用算术平均温差，即 (622)进、出口温度相同时，算术平均温差的数值略大于对数平均温差，偏差小于4%。当冷、热流体进、出口温度相同时，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。从从图图6 64 4可可以以看看出出，顺顺流流时时冷流体的出口温度冷流体的出口温度t2总是低于热流体的出口温度总是低于热流体的出口温度t1，第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 而逆流时t2却可以大于t1，因此从强化传热的角度出发，换热器应当尽量布置成逆流。但逆流的缺点是热流体和冷流体的最高温度t1、t2和最低温度t1、t2分别集中在换热器的两端，使换热器的温度分布乃至热应力分布不均匀。在蒸发器或冷凝器中，冷流体或热流体发生相变，如果忽略相变流体压力的变化，则相变流体在整个换热面上保持其饱和温度。在此情况下，由于一侧流体温度恒定不变，所以无论顺流还是逆流，换热器的平均传热温差都相同，如图65所示。纯粹的顺流和逆流只有套管式换热器、板式换热器才能实现，但对于工程计算，图63d所示的蛇形管换热器内的流动形式，第一种可作顺流处理，第二种可作逆流处理。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 图图6 65 5 有相变时换热器内流体的温度变化示意图有相变时换热器内流体的温度变化示意图第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 2 2析湿系数析湿系数 在涉及湿空气对流传热传质过程的换热器中，如冷却空气的蒸发器表面有结露、结霜的情形，空气侧的对流换热为既有显热交换又有潜热交换的全热交换。全热交换的驱动力为焓差。此时，一般引入析湿系数对表面传热系数进行折算，定义为定义为：(623)式中：cp、h和t分别为湿空气的比定压热容、湿空气与所流经表面(结露时为气液相界面，结霜时为空气与霜层间的气固相界面)间的比焓差及温差。可见，析析湿湿系系数数的的物理意义物理意义为全热交换量与显热交换热之比。为全热交换量与显热交换热之比。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 引入析湿系数后，针对全热交换的表面传热系数可表示为引入析湿系数后，针对全热交换的表面传热系数可表示为 (624)式中：ho,s为相同条件下的显热表面传热系数。式(624)代入前述传热系数计算式得到的传热系数，可用对数平均温差计算换热。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算五、换热器传热计算的平均温差法五、换热器传热计算的平均温差法 换热器传热计算的常规方法有两种：平平均均温温差差法法和效效能能传传热热单单元元数数法法。在制冷换热器的计算中，平均温差法较为常用。换热器的传热计算分两种类型：设计计算与校核计算，所谓设设计计计计算算，就是根据制冷循环热力计算确定的换热器负荷和工作条件设计换热器，需要确定换热器的型式、结构及传热面积。而校校核核计计算算是对已有的换热器进行核算，看其能否满足一定的换热要求，一般需要计算流体的出口温度、换热量以及流动阻力等。换热器传热计算的基本公式有传热方程式和冷、热流体的热平衡方程式：第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 (625)(626)式中：qm1、qm2，以及cp1、cp2分别为两侧流体的质量流量和比定压热容。如果cp1、cp2已知，则以上3个方程中共有8个独立变量，即、k、A、qm1、qm2以及t1、t1、t2、t2中的8个，只要知道其中5个变量，就可以算出其他3个。1 1设计计算设计计算 进行设计计算，一般是根据制冷系统热力计算结果，给定流体的质量流量qm1、qm2和4个进、出口温度中的3个，确定换热器的型式、结构，计算传热系数k及换热面积A。计算步骤如下：计算步骤如下：第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 (1)(1)根据给定的换热条件、流体的性质、温度和压力范围等条件，选择换热器的类型及流动型式，初步布置换热面，计计算算换热面两侧对流换热的表表面面传传热热系系数数hi、ho，及换热面的传热系数换热面的传热系数k；(2)(2)根据给定条件，由式(625)、(626)求出4个进、出口温度中未知的温度，并求出换热量求出换热量；(3)(3)根据冷、热流体进、出口的4个温度及流动型式确确定平均温差定平均温差tm；(4)(4)由传热方程式(620)求出所需的换热面积求出所需的换热面积A A；(5)(5)计算换热面两侧流体的流流动动阻阻力力，若计算结果不满足设计和经济性要求，重新布置换热面并重复上述计算步骤。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 2 2校核计算校核计算 对已有或设计好的换热器进行校核计算时，一般已知换热器的换热面积A，两侧流体的质量流量qm1和qm2、进口温度t1和t2等5个参数。由于两侧流体的出口温度未知，传热平均温差无法计算；同时由于流体的定性温度不能确定，也无法计算换热面两侧对流换热的表面传热系数及通过换热面的传热系数，因此不能直接利用式(620)、(625)、(626)求出其余的未知量。在这种情况下，通常采用试算法，其具体计算步骤如下计算步骤如下：(1)(1)先假设一个流体的出口温度t1(或t2)，用热平衡方程式(625)、(626)求求出出换换热热量量和和另另一一个个流流体体的的出出口口温温度。度。第一节第一节 热交换设备的传热过程及传热计算热交换设备的传热过程及传热计算 (2)(2)根据流体的4个进、出口温度求得平均温差求得平均温差tm。(3)(3)根据给定的换热器结构及工作条件计算换热面两侧的表面传热系数表面传热系数hi、ho，进而求得传热系数求得传热系数k。(4)(4)由传热方程式(620)求出换热量求出换热量。(5)(5)比比较较和和，如果两者相差较大(如大于2%或5%)，说明步骤(1)中假设的温度值不符合实际，再重新假设一个流体出口温度，重复上述计算步骤，直到和值的偏差小到满意为止。至于两者偏差应小到何种程度，则取决于要求的计算精度，一般认为应小于2%5%。第二节第二节 蒸发器蒸发器内内 容容 提提 要要一、一、蒸发器的分类与结构蒸发器的分类与结构二、二、蒸发器内的对流换热蒸发器内的对流换热三、三、蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算第二节第二节 蒸发器蒸发器 制制冷冷剂剂在在蒸蒸发发器器内内吸吸热热汽汽化化，从从而而实实现现制制冷冷目目的的。为了使蒸发器效率高、体积小，蒸发器应具有高的传热系数。由于液体沸腾时表面传热系数远大于蒸气与管壁间的对流换热表面传热系数，故在设计蒸发器时要尽量使液体与管壁接触，并尽快将沸腾产生的蒸气排走。为保证压缩机正常运转，制冷剂离开蒸发器时不允许有液滴。实实际际系系统统中中，有有时时在在蒸蒸发发器器出出口口处处装装设设气气液液分分离离器器，使使压压缩缩机机得得到到进进一步的保护。一步的保护。蒸发器类型很多，按制冷剂在蒸发器内的充满程度及蒸发情况进行分类，主主要要有有三三种种：干干式式蒸蒸发发器器、再再循循环环式式蒸蒸发发器器和和满满液液式式蒸蒸发发器器。干式和再循环式蒸发器中，制冷剂在管内进行流动沸腾换热，而满液式蒸发器中，制冷剂在管间的大空间沸腾，可作为饱和池沸腾进行计算分析。第二节第二节 蒸发器蒸发器一、蒸发器的分类与结构一、蒸发器的分类与结构 1 1干式蒸发器干式蒸发器 制制冷冷剂剂在在管管内内一一次次完完全全汽汽化化的的蒸蒸发发器器称称为为干干式式蒸蒸发发器器。干干式式蒸蒸发发器器常常用用于于冷冷库库，以以直直接接对对库库房房进进行行冷冷却却，也也用用于于间间接接式式制制冷冷系系统统，如空调制冷站、制冰系统等，先用制冷剂冷却载冷剂，再通过载冷剂传递冷量。干干式式蒸蒸发发器器如如图图66所所示示，在这种蒸发器中，来自膨胀阀出口处的制冷剂从管子的一端进入蒸发器，吸热汽化，并在到达管子的另一端时全部汽化。管外的被冷却介质通常是载冷剂或被冷空间的空气。在正常运转条件下，干式蒸发器中的液体体积约为管内体积的15%20%。假定液体沿管子均匀分布，且润湿周长为圆周的30%，则管内有效沸腾传热面积第二节第二节 蒸发器蒸发器 为管内表面的30%。增加制冷剂的质量流量，可增加液体润湿面积，但蒸发器进、出口处的压差将因流动阻力的增大而增大，从而降低了性能系数。在多管路组成的蒸发器中，为了充分利用每条管路的传热面积，应将制冷剂均匀地分配到各条管路中去，常见的方法如图67所示。图中的分配器为六通道分配器。每条通道有相同的流动阻力，制冷剂经分配器进入各条管路中。管道的布置应使蒸发后的制冷剂与温度最高的气流接触，以保证蒸气进入压缩机吸气管道时略有过热。干干式式蒸蒸发发器器主主要要有有：用用于于冷冷却却液液体体的的干干式式壳壳管管式式蒸蒸发发器器和和板式换热器板式换热器，以及形式多样的以及形式多样的冷却空气的蒸发器冷却空气的蒸发器。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 66 6 干式蒸发器示意图干式蒸发器示意图第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 67 7 多路干式蒸发器中制冷剂的分配多路干式蒸发器中制冷剂的分配1 1肋片肋片2 2蒸发管蒸发管3 3集气管集气管4 4毛细管毛细管第二节第二节 蒸发器蒸发器 (1)(1)干式壳管式蒸发器干式壳管式蒸发器 这类蒸发器用于对液体进行冷却，按管组的排列方式又可分为直管式和U型管式两种。直直管管式式如如图图68所所示示。制冷剂在管内流动沸腾，载冷剂在管外流动。机器运转时制冷剂从左端盖进入，经一次(或多次)往返后汽化，产生的蒸气从右端盖引出。由于制冷剂在汽化过程中蒸气量逐渐增多，比体积不断增大，在多流程的蒸发器中每流程的管子数也依次增多，以适应比体积的增大。载冷剂从蒸发器的右端进入，左端流出。为了提高载冷剂的流速，并使载冷剂更好地与管外壁接触，在蒸发器壳体内装有折流板。折流板的数量取决于载冷剂流速的大小。折流板通常用拉杆固定，相邻两块折流板之间装有定距管，以保证折流板第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 68 8 直管式干式蒸发器直管式干式蒸发器第二节第二节 蒸发器蒸发器 的间距。直管式干式蒸发器采用光滑管或具有纵向肋片的内肋片管。由于载冷剂侧强迫对流的表面传热系数较管内高，一般强化传热采用内微肋管。U型型管管干干式式蒸蒸发发器器如如图图69所所示示。这种蒸发器的壳体、折流板以及载冷剂在壳侧的流动方式与直管式干式蒸发器相同。两者的不同之处在于U型管式是由许多根不同弯曲半径的U型管组成。U型管的开口端胀接在管板上，制冷剂液体从U型管的下部进入，蒸气从上部引出。U型管式蒸发器的管组可预先装配，而且可以抽出来清除管外的污垢。此外，还可消除由于材料的膨胀而引起的内应力。制冷剂在流动过程中始终沿同一管道流动，分配比较均匀，因而传热效果较好。其缺点是制造管组时要用不同的模具；不能使用纵向内肋片管，因为当管组的管子损坏时不易更换。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 69 9 U型管式干式蒸发器型管式干式蒸发器第二节第二节 蒸发器蒸发器 (2)(2)板式换热器板式换热器 板板式式换换热热器器有有组组装装式式和和整整体体钎钎焊焊式式两两种种。其中组装式由若干片压制成型的波纹状金属传热板片叠加而成，板四角开有角孔，相邻板片之间用特制的密封垫片隔开，使冷、热流体分别由一个角孔流入，间隔地在板间沿着由垫片和波纹所设定的流道流动，然后从另一对角线角孔流出，如如图图610所所示示。组装式板式换热器具有拆装清洗方便的优点，但耐压能力有限。图图611所所示示为为整整体体钎钎焊焊式式板板式式换换热热器器，此种板式换热器的换热板片与组装式相同，板片端部整体钎焊，承压能力高，但清洗不便，使用时应注意保证流体的清洁。一般单个整体钎焊式换热器换热能力较组装式小。第二节第二节 蒸发器蒸发器 传传热热板板片片是是板板式式换换热热器器的的关关键键元元件件，不不同同型型式式的的板板片片直直接接影影响响到到传传热热系系数数、流流动动阻阻力力和和耐耐压压能能力力。板片的材料通常为不锈钢，国内有的厂家采用铝合金板片。板板片片波波纹纹形形状状有有人人字字形形、水水平平波波纹纹形形、锯锯齿齿形形等等。目前，换热板片多采用人字形，如如图图611所所示示。板式换热器是目前紧凑式换热器中单位体积换热能力最高的换热器之一，当当两两侧侧工工质质为为水水时时，传传热热系系数数可可高高达达50007000 W/(m2K)，由于氟利昂类制冷剂在板片间流动沸腾时表面传热系数较水强迫对流换热时小，用作此类制冷剂的蒸发器时，换热器的传热系数低于此值。与其他形式换热器相比，具有阻力相对较小、结构紧凑、金属消耗量低、传热面积可通过调整片数灵活变更等优点。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 610 10 组装式板式换热器组装式板式换热器第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 611 11 整体钎焊式板式换热器整体钎焊式板式换热器第二节第二节 蒸发器蒸发器 (3)(3)冷却空气型干式蒸发器冷却空气型干式蒸发器 冷却空气的蒸发器广泛用于冰箱、冷藏柜、空调器及冷藏库中。此类蒸发器多做成蛇形管式，制冷剂在管内流动沸腾，空气在管外流过而被冷却。为强化空气侧的换热，管外侧常装有各类肋片，按按引引起起空空气气流流动动的的原原因因，又又可可分分为为自然对流式自然对流式和和强迫对流式强迫对流式两大类型。两大类型。根据蒸发器结构形式的不同，自自然然对对流流蒸蒸发发器器主主要要有有管板式管板式、吹胀式吹胀式、单脊翅片管式单脊翅片管式以及以及冷却排管冷却排管等种类。等种类。管板式蒸发器有两种典型结构，图612a所示的蒸发器是将紫铜管贴焊在钢板或薄钢板制成的方盒上。这种蒸发器制造工艺简单、不易破损泄漏，常用于直冷式冰箱的冷冻室。在立式冷冻箱中，此类蒸发器常做成多层搁架式，具有结构紧凑、冷冻效率高等优点。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 612 12 管板式蒸发器管板式蒸发器第二节第二节 蒸发器蒸发器 图612b是另一种管板式结构，管子装在两块四边相互焊接的金属板之间。这种蒸发器的管子和金属板之间充填共晶盐，并抽真空，使金属板在大气压力作用下紧压在管外壁，保证管板间的良好接触。充填的共晶盐用于蓄冷。此类蒸发器常用于冷藏车的顶板及侧板，也可用作冷冻食品的陈列货架。吹吹胀胀式式蒸蒸发发器器目目前前在在国国内内外外家家用用冰冰箱箱中中使使用用得得较较普普遍遍。这这类类蒸蒸发发器器如如图图613所所示示，预先以铝锌铝三层金属板，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，通过加压、加热，并以高压氮气吹胀成形。单脊翅片管式蒸发器是由固定在架板上的盘管构成，它的特点是单位长度的制冷量小、工艺简单，并易于清洗，常在直冷式双门双温冰箱中用作冷藏室的蒸发器。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 613 13 铝复合板吹胀式蒸发器铝复合板吹胀式蒸发器第二节第二节 蒸发器蒸发器 冷却排管主要用于各种冰箱、低温试验箱及冷库的冷藏间中。小型制冷装置中的冷却排管一般为蛇形管式，通常为光管，也有翅片管。氟利昂翅片管式冷却排管一般是在直径为6mm的紫铜管外套0.30.5mm厚的铝翅片，翅片间距为1015mm，翅高为2035mm。图图614为为吊吊装装在在库库房房顶顶上上的的翅翅片片管管式式顶顶排排管管。光滑管式蒸发器通常用于空气自然对流的冷藏室，传热系数较低，但设备简单。肋片管式蒸发器是在光滑管上套金属片或绕金属带后制成的。由于肋片的作用，提高了蒸发器外侧的传热效果。肋片和管壁应接触良好，以保证良好的导热性能。为此，有些肋片直接焊在管壁上，有些使用高压流体或机械方法使管径扩张，达到管壁和肋片的良好接触。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 614 14 翅片式顶排管翅片式顶排管第二节第二节 蒸发器蒸发器 小型制冷装置中使用的强强制制对对流流空空气气冷冷却却式式蒸蒸发发器器(常常称称为为表表面面式式蒸蒸发发器器)如如图图615、图图616所所示示，蒸发管一般做成蛇管，并在管外装有各种类型的翅片，以强化空气侧的换热。此类蒸发器需配置风机，实现空气的强制对流。蒸发管外面的翅片最常见的是缠绕圆翅片(图615)和整体穿片式，整体穿片式有平平直直大大套套片片(图616)、波波纹纹形形翅翅片片、条缝形翅片条缝形翅片等。蒸发管组在低温下冷却空气时，水分有可能在肋片和管子上冻结成霜，影响空气的流通。因此低温下使用的蒸发器应采用较大的片距，通常取612mm。当蒸发器用于空气调节或蒸发温度在水的凝固点以上时，肋片和管子上不会结霜，此时可用较小的片距，一般取24mm，最小可取1.6mm。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 615 15 缠绕圆翅片缠绕圆翅片第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 616 16 平直大套片平直大套片第二节第二节 蒸发器蒸发器 干干式式蒸蒸发发器器有一系列的优优点点：充充液液量量少少，系系统统中中不不需需要要储储液液器器或或只只要要小小的的储储液液器器，从从而而使使整整台台机机器器的的重重量量和和体体积积减减小小；便便于于把把蒸蒸发发器器中中的的润润滑滑油油排排回回压压缩缩机机；由由于于载载冷冷剂剂在在管管外外流流动动，冷冷量量损损失失较较小小，且且可可以以减减缓缓冻冻结结的的危危险险。受管内制冷剂液体对管壁润湿程度的影响，干干式式蒸蒸发发器器的的传传热热系系数数较较低低，这这是是其其缺缺点点。带折流板的干式壳管式蒸发器还还有有下下列列缺缺点点：(1)(1)折流板与壳体之间以及折流板与管子之间存在间隙，易使载冷剂发生泄漏，影响传热效果；(2)(2)当出口蒸发温度不变时，入口蒸发温度由于流动阻力的存在而增高，因而使传热温差减小；(3)(3)折流板的结构及装配工艺比满液式蒸发器复杂，管外污垢只能用化学方法清洗。第二节第二节 蒸发器蒸发器 2 2再循环式蒸发器再循环式蒸发器 再再循循环环式式蒸蒸发发器器中中制制冷冷剂剂需需经经过过几几次次循循环环才才能能完完全全汽汽化化。由蒸发管出来的两相混合物进入气液分离器，分离出的蒸气被吸入压缩机内，液体再次进入蒸发管中沸腾，如如图图617所所示示。实际上蒸发管由若干平行的上升管组成，这些管子的上下端均与集管相连。下端的集管由下降液体供液，上端的集管与气液分离器相连。由冷凝器向气液分离器供液的数量由液位控制器控制。在再循环式蒸发器的管子中，液体所占的体积约为管内总容积的50%，因而管子内表面得到良好的润湿。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 617 17 再循环式蒸发器示意图再循环式蒸发器示意图第二节第二节 蒸发器蒸发器 根据换热机理，立立管管式式冷冷水水箱箱型型蒸蒸发发器器是是一一种种典典型型的的再再循循环环热热蒸蒸发发器器，其其结结构构及及接接管管方方式式如如图图618所所示示。这种蒸发器只用于氨制冷机。蒸发器的每一个管组上都装有上下两个水平集管，沿集管轴向两侧焊有直径较小、两端略弯的立管，中间焊接一个直径稍大的直立管，管中插有中间进液管，如如图图619所所示示。立管式冷水箱型蒸发器的下集管与储水箱外的集油器相连。氨液从中间进液管进入。进液管一直插到直立管的下部，这样可以利用氨液流入时的冲力扰动蒸发器内的氨液，有利于提高传热能力，也有利于直立管内氨液的流动。立管式冷水箱型蒸发器在汽化过程中形成的蒸气沿上集管进入气液分离器，在气液分离器中流速降低，使蒸气中挟带的液滴被分离出来。蒸气从上面第二节第二节 蒸发器蒸发器 第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 619 19 直立管内制冷剂的流动直立管内制冷剂的流动第二节第二节 蒸发器蒸发器 引出，液体返回到下集管中。蒸发器中的润滑油积存在集油管中，定期排放。整台蒸发器浸在水箱中，蒸发管组视制冷量的大小由一组或几组并列安装后构成。水箱用钢板制成，外侧敷设隔热层。水箱中的载冷剂在电动搅拌器作用下循环流动。载载冷冷剂剂流流速速通通常常取取0.5m/s。立立管管式式冷冷水水箱箱型型蒸蒸发发器器的的主主要要缺缺点点是是立立管管与与上上、下下集集管管的的焊焊接接点点较较多多。螺旋管式冷水箱型蒸发器克服了这一缺点，用螺旋管代替了立管。为了充分利用螺旋管中的空间，采用内、外两组螺旋管。这种结构使上、下管的焊点大为减少。第二节第二节 蒸发器蒸发器 如果液液体体用用泵泵循循环环，最好将气液分离器安装在压缩机附近，这样管路损失可以小一些，如如图图620所所示示。在图620所示的回路中，气气液液分分离离器器有有水水平平的的和和垂垂直直的的两两种种。不管采用哪一种型式的气液分离器，都必须保证循环泵入口处的液柱高度，同时要有充分的空间进行气液分离。制冷剂在气液分离器内的流速(按分离器的直径计算)应低于0.5m/s。除前文所述空调制冷站的氨水箱式蒸发器外，再循环式蒸发器还广泛用于冷藏库、人工冰场等制冷系统中。与干式蒸发器相比，再循环式蒸发器的主要优点是蒸发管的内壁能够完全湿润，因而表面传热系数较高。其主要缺点是体积大，需要的制冷剂多。在用泵输送液体的再循环式蒸发器中，需密封泵等设备。第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 620 20 用泵输送液体的再循环式蒸发器用泵输送液体的再循环式蒸发器第二节第二节 蒸发器蒸发器 3 3满液式蒸发器满液式蒸发器 满液式蒸发器广泛应用于制冷机中。这种蒸发器结构紧凑，传热效果好，易于安装，使用方便。图621所示为满液式蒸发器的原理图。在满液式蒸发器中，制冷剂在管外沸腾，液体载冷剂在管内流动。卧式满液式蒸发器如图622所示。这种蒸发器有一个用钢板卷制焊成的圆筒形外壳，外壳两端焊有两块圆形的管板。管板上钻了许多小孔，每个小孔内装了一根管子，管子两端用胀接法或焊接法紧固在管板上，形成一组直管管束。如果管子太长，可在筒体内装一块或几块支承板，以防止下垂。筒体两端装有封头，封头可用铸铁铸成，也可用钢板制成。封头内设有隔板，将管子按一定的管数和流向分成几个流程，使载第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 621 21 满液式蒸发器满液式蒸发器第二节第二节 蒸发器蒸发器 图图6 622 22 卧式满液式蒸发器卧式满液式蒸发器第二节第二节 蒸发器蒸发器 冷剂按规定的流速及流向在管内往返流动。制冷剂按一定的液面高度充灌在壳体内，它在管间吸收管内载冷剂的热量后汽化，使载冷剂得到冷却。为防止蒸气从蒸发器引出时挟带液体，除了控制液面高度外，有时在筒体上部设置气包，达到气液分离的目的。管板上的管孔常排列成正三角形，这样的排列比较紧凑。管孔的中心距(节距)一般取s1.25do(do是管子外径)，管孔边缘间的距离不应小于4mm，最外部孔的边缘与外壳内表面的距离不应小于5mm。与透平压缩机配套的满液式氟利昂蒸发器的总体结构与一般卧式满液式蒸发器相类似，其不同点是在管束上方装有挡液板，以阻挡从蒸气中带出的液滴。此外，容器上部不装管束，以减少蒸气流动时的阻力。第二节第二节 蒸发器蒸发器 满满液液式式蒸蒸发发器器虽虽然然有有制制冷冷剂剂液液体体对对传传热热壁壁面面湿湿润润性性好好，因而沸腾传热系数较高等优点，但因而沸腾传热系数较高等优点，但存在下列缺点：存在下列缺点：(1)(1)制冷剂的充灌量大。对价格较贵的氟利昂制冷剂，这个缺点显得更为突出。(2)(2)当蒸发器壳体的直径较大时，受液体静压力的影响，底部液体的蒸发温度将有些提高，减少了蒸发器的传热温差。蒸发温度愈低，这种影响愈大。对于氟利昂，因其密度较大，静压高度影响将更为显著。(3)(3)对于氟利昂蒸发器，制冷剂中溶解的润滑油较难排出。(4)(4)当用作船用制冷装置时，船体的摇摆有可能使制冷剂液体进入压缩机。(5)(5)由于制冷剂在管间流动，直接与壳体外环境接触，所以冷量损失较大。第二节第二节 蒸发器蒸发器 为了克服上述缺点，有时将制冷剂从蒸发器底部抽出，用泵输送到壳顶后喷淋下来。这种蒸发器又称为淋淋激激式式蒸蒸发发器器，它也可以看成是一种用泵输液的再循环式蒸发器，只是氟利昂在蒸发管的管外流动。采用淋激式蒸发器，壳体中的液位可以很低，消除了因高液位造成的液体上、下部温度的不均匀，并减少了充灌量，但增加了泵和管路。应用各种蒸发器时，载冷剂多采用不与空气接触的闭式循环，对系统中设备的腐蚀性小；可以使用挥发性载冷剂；在使用盐水作载冷剂时，不会因吸收空气中的水分而稀释。但在载冷剂系统中需设置膨胀容器，以消除载冷剂温度变化时因体积变化而引起的压力变化。第二节第二节 蒸发器蒸发器二、蒸发器内的对流换热二、蒸发器内的对流换热 蒸蒸发发器器内内的的对对流流换换热热包包括括制制冷冷剂剂沸沸腾腾换换热热与与被被冷冷却却工工质质的的对对流流换换热热。前者根据蒸发器的不同，有干式及循环式蒸发器中管内流动沸腾换热及满液式蒸发器内制冷剂在壳侧的饱和池沸腾，后者有强迫对流及自然对流换热两种模式。本节提供的关联式是数百种关联式中较为通用的一些，以提供设计训练和理解传热机理的基本依据。对具体蒸发器的设计计算，专用的关联式一般计算精度要高一些，可以根据具体设计要求，从文献或产品样本中寻找形式简单的专用关联式。第二节第二节 蒸发器蒸发器 1 1单组分制冷剂在管内的流动沸腾换热单组分制冷剂在管内的流动沸腾换热 流动沸腾换热涉及气泡的产生、长大以及脱离加热表面的机制，又涉及到工质定向宏观运动规律，可以看作核沸腾与强迫对流换热的综合。著名的陈陈氏氏(Chen)模模型型即基于此，认为 (627)式中：hi管内流动沸腾表面传热系数，W/(m2K)；hs液相单独流过管内的强迫对流表面传热系数，W/(m2K)；hn核态沸腾表面传热系数，W/(m2K)；f由于管内沸腾，液相转化为气相使液相强迫对流换热增强的因子，称为增强系数，f1；第二节第二节 蒸发器蒸发器 s考虑强迫对流和大空间核态沸腾按百分比进行叠加的系数。在20世