中央空调用管壳式换热器换热原理及高效换热管齿形和制造.pdf

中央空调用管壳式换热器换热原理，高效换热管齿形和制造 李强李强 2014-10-24 2.内容提要 一、高效换热管定义及概述 二、满液式蒸发器和冷凝器换热管的齿形特点 三、高效换热管的制造方法 Schneider Electric 3-Division-Name Date 0.1热流密度和传热温差关系：问题：沸腾是什么？问题：沸腾是什么？问题：蒸发器干什么用的？问题：蒸发器干什么用的？Schneider Electric 4-Division-Name Date 0.2 沸腾传热参考照片：0.3 沸腾换热现象 沸腾的定义：沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。的汽化过程称为沸腾。沸腾的特点沸腾的特点 1 1）液体汽化吸收大量的汽化潜热；）液体汽化吸收大量的汽化潜热；2 2）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。腾换热强度远大于无相变的换热。Schneider Electric 6-Division-Name Date 0.4 沸腾换热分类：1 1）大容器沸腾（池内沸腾）大容器沸腾（池内沸腾）；2 2）强制对流沸腾（管内沸腾）强制对流沸腾（管内沸腾）上述每种又分为上述每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。产生沸腾的条件：产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：1 1）液体必须过热；）液体必须过热；2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 0.5 大容器饱和沸腾曲线 （1 1）大容器沸腾）大容器沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。所发生的沸腾称为大容器沸腾。特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。进入容器空间。（2 2）饱和沸腾）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度定义：液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。特点特点 :随着壁面过热度的增高，出现随着壁面过热度的增高，出现 4 4 个换热个换热规律全然不同的区域。规律全然不同的区域。Schneider Electric 8-Division-Name Date （3 3）过冷沸腾）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。冷沸腾。（4 4）大容器饱和沸腾曲线：大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括共包括4 4个换热规律不同的阶段：个换热规律不同的阶段：自然对流自然对流、核态沸腾核态沸腾、过过渡沸腾和稳定膜态沸腾渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：如图所示：Schneider Electric 9-Division-Name Date qmax qmin Schneider Electric 10-Division-Name Date 如图如图 6 6-11 11 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段段、将整个曲线分成四个特定的换将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下：热过程，其特性如下：1 1）单相自然对流段（液面汽化段）单相自然对流段（液面汽化段）壁面过热度小时（图中壁面过热度小时（图中 ）沸腾尚未开）沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。始，换热服从单相自然对流规律。4tSchneider Electric 11-Division-Name Date 2 2）核态沸腾（饱和沸腾）核态沸腾（饱和沸腾）随着随着 的上升，在加热面的一些特定点上开的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：为起始沸点。其特点是：t开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为称为孤立汽泡区；孤立汽泡区；随着随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为称为相互影响区。相互影响区。tSchneider Electric 12-Division-Name Date 随着随着 的增大，的增大，q q 增大，当增大，当 增大到一定增大到一定值时，值时，q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾核态沸腾（泡状沸腾）。（泡状沸腾）。t其特点其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密温压小，换热强度大，其终点的热流密度度 q q 达最大值达最大值 。工业设计中应用该段。工业设计中应用该段。tSchneider Electric 13-Division-Name Date 3 3）过渡沸腾）过渡沸腾 从峰值点进一步提高从峰值点进一步提高 ，热流密度，热流密度 q q 减减小；当小；当 增大到一定值时，热流密度减小到增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一阶段称为这一阶段称为过渡沸腾过渡沸腾。该区段的特点是属于不。该区段的特点是属于不稳定过程。稳定过程。tminq原因：原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 q m q m 下降。下降。Schneider Electric 14-Division-Name Date 4 4）稳定膜态沸腾）稳定膜态沸腾 从从 开始，随着开始，随着 的上升，气泡生长速度与的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升上升 时，热流密度时，热流密度 q q 上升，此阶段称为上升，此阶段称为稳定膜稳定膜态沸腾。态沸腾。minqttSchneider Electric 15-Division-Name Date 其特点：其特点：1.1.汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；2.2.辐射热量随着辐射热量随着 的加大而剧增，使热流密度大大增加；的加大而剧增，使热流密度大大增加；3.3.在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。液膜。Schneider Electric 16-Division-Name Date 说明：说明：（1 1）上述热流密度的峰值上述热流密度的峰值q qmaxmax 有重大意义有重大意义，称为称为临界热流密度临界热流密度，亦称烧毁点亦称烧毁点。一般用核态沸腾一般用核态沸腾转折点转折点DNBDNB作为监视接近作为监视接近q qmaxmax的警戒的警戒。这一点对这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要要。（2 2）对稳定膜态沸腾对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多所以换热系数比凝结小得多。2 2 汽化核心的分析汽化核心的分析 (1)(1)汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为产生气泡的点被称为汽化核心汽化核心，较普遍的看法，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。好的汽化核心，如图所示。Schneider Electric 18-Division-Name Date Schneider Electric 19-Division-Name Date (2)(2)汽泡的存在条件汽泡的存在条件 汽泡半径汽泡半径R R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙克拉贝龙方程方程)(2minswvsttrTRR式中：式中：表面张力，表面张力，N/m；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度，C ts 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度，C 可见，可见，(t(tw w t ts s ),R,Rminmin 同一加热面上，称为汽化同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强 Schneider Electric 20-Division-Name Date 0.3 平板沸腾传热照片：问题：为什么制冷剂液面有高有低？问题：为什么制冷剂液面有高有低？问题：实际蒸发器液面是什么，会引起什么问问题：实际蒸发器液面是什么，会引起什么问题？优点和好处是什么？怎么消除吸气带液？题？优点和好处是什么？怎么消除吸气带液？吸气带液有何好处？吸气带液有何好处？一、概述：1.高效换热管定义 1.1 高效换热管是指在普通光管基础上利用专用设备进行加工，并使光滑管内外表面或两者形成各种整体翅/齿或其它复杂表面，从而使表面积扩表面积扩大大和传热效果得以强化的换热管。1.2 管壳式换热器用高效管两端或中间支撑板段应带有光管段（无齿/翅）。1.2.1 光滑段作用：两端：用于胀管 中间：用于支撑换热管 问题：表面是否可以无穷扩大？为什么？有何优点和缺点？问题：表面是否可以无穷扩大？为什么？有何优点和缺点？问题：光管段长度如何设计，和什么因素相关？刀具？胀管工艺？轧制机床？问题：光管段长度如何设计，和什么因素相关？刀具？胀管工艺？轧制机床？Schneider Electric 22-Division-Name Date 1.翅片管分类 a)内表面强化型：b)外表面强化型：问题：各种不同的强化型式的用途是什么？用在什么方面？干式？满液式？还是其他介质？问题：各种不同的强化型式的用途是什么？用在什么方面？干式？满液式？还是其他介质？Schneider Electric 23-Division-Name Date 图3 c)内外表面强化型：1.翅片管分类 问题：换热管应该以那个壁厚来计算强度和刚度？问题：换热管应该以那个壁厚来计算强度和刚度？二、满液式蒸发器和冷凝器用翅片管的翅型特点：1.蒸发管的翅型特点 a)蒸发管的功能：最大限度地把管内(水侧)的热量通过管壁传递到管外，使与管壁接触的制冷剂产生汽化，形成连续的汽泡从管外表面逸出，以达到传热的目的。需控制壳程热阻（如壳程热阻大于管程热阻2倍以上，壳程的结垢较为严重，壳程为蒸汽，管程为水或水蒸汽冷凝）。对于显热传热的情形，传热表面两侧的对流换热系数相差35倍，则采用低肋壁螺纹管较适宜，当两侧对流换热系数相差10倍以上时，可考虑选用较高的肋片。一般肋片的间距不小于边界层厚度的2倍。问题：可否简化为电热棒？Schneider Electric 25-Division-Name Date b)满足此功能所需的条件：.内翅的设置：设置内翅是为增加换热面积并使水在流经管内侧时产生紊流，加大热交换的程度。图4 蒸发管纵剖面示意图 问题：内翅的密度和高度？如何确定？太大和太小应如何处理？Schneider Electric 26-Division-Name Date .两内翅间的轴向距离：两内翅间应有足够的间隔，目的是使水能紧贴内壁运行，如间隔太小，由于紊流的作用，水可能沿翅尖作螺旋运行而无法与管内壁作充分的接触。内翅的条数、翅高和螺旋角诸参数的确定除考虑提高管内传热系数外，还应考虑管内压降。问题：太密太疏会如何？和什么参数有关？雷诺数？流速？管水利半径？压降内螺纹管和光管差别？Schneider Electric 27-Division-Name Date .管外表面的构造应有利于汽核的形成和汽泡的连续逸出，因此外表面加工出很多空穴，空穴的开口宽度小于穴体宽度，目的是控制汽泡的体积，在相同热流密度的条件下，有利于形成连续的汽泡柱连续的汽泡柱。满液式蒸发管在外表面上开有鱼鳞状的细槽,形成密集的小孔，并在管表层下形成互相连通的环形通道,(冷媒通过时)可以产生连续不断的气泡,所以它可获得优异的高度汽化的热传导性能 微孔提供了蒸发换热所需的大量的汽化核心,又促使液体的汽化过程变成在隧道壁上效率极高的液膜蒸发,使气泡与管壁面的液膜减薄，减小了热阻，还能利用孔隙的毛细作用使液体及气泡在孔内形成循环，有助于清除杂质和减轻结垢,促进单相液体对流，传热系数可达光管的10倍 图5 蒸发管外表面示意图 制冷剂蒸发示意图 问题：怎样理解右图中不同的蓝色气泡和红色箭头？Schneider Electric 28-Division-Name Date .封闭空穴，方法是在翅面的周向上加工出凹槽，经压平后就形成了多个独立空穴。.各个空穴间互相连通，翅顶凹槽同时也起到通道作用，目的是当部分液体汽化逸出后，其余的液体可迅速补充，使汽泡能连续产生。问题：现：外侧潜热，内侧显热（满液）。如：外侧显热，内侧潜热（干式）？如：外侧潜热，内侧潜热（化工）？Schneider Electric 29-Division-Name Date 蒸发管外表面示意图 Schneider Electric 30-Division-Name Date 蒸发管外部制冷剂蒸发过程示意图 Schneider Electric 31-Division-Name Date Turbo-B：Turbo-B的特点是其管外传热系数的曲线斜率较大，在高热流密度的条件下有较高的换热性能，因此，适用于R-22，它的翅型特点是空穴面积较大，在0.00022平方英寸(0.14mm2)以上，单位面积的数量小，大约为每平方英寸14001600个，从测试中可以看出，采用R-22时，逸出的汽泡比较大。图6 B翅顶示意图 Question：对R134a如何？应该如何设计翅型和间距 4.蒸发管翅型的发展趋势：a)增加空穴数量空穴数量，方法是减小翅片纵向节距和翅顶凹槽的周向距离，将空穴密度提高到每平方英寸3000个左右，但这种方法会受到刀具加工条件的限制。b)改善汽核生成条件汽核生成条件，增加汽泡数量，强化沸腾，方法是：在保持原有空穴、通道的基础上，在翅底再形成一层空穴构造，显著强化成核条件，空穴密度也大为增加。Question：刀具如何处理，陶瓷、金刚石刀具？还是换一种加工方法？激光？电化学加工？采用 表面腐蚀的方法？Question：1，对于降膜式换热器，到底降什么膜？换热管齿形是否要变？如果不变效果怎样？对喷淋系统要求如何？2，如果喷淋系统无法均匀喷出，那如何设计换热管齿形？需要考虑什么因素？3，喷淋系统怎样实现均有喷出？喷淋系统压降的计算？喷淋系统的FEA仿真和实验结果验证？4，对于降膜式换热器，分为两部分，满液区和降膜区，换热管齿形是否需要进行变化？5，如介质为花生牛奶，或八宝粥，翅型应该怎样？Question：1，当换热管外侧为水（溴化锂溶液）时，对换热管齿形的要求是什么？答：1，蒸发器中换热性能与管外壁的水湿润性有很大关系。高克联公司开发的麻面管（Turbo-CAB,Turbo-CAY）在表面有较多的圆柱状突起物，可改善水沿管轴方向对管表面的湿润性。2，同时由于突起物顶部水膜的张力使管表面的水膜减薄，大大提高冷剂水在管表面上的蒸发能力及有效换热面积。3，在提高换热效率的同时可将铜材料的消耗量降低约30%，有效地降低了造价。4，并且具有“自清洁”的功能(利用污垢与铜的不同膨胀系数使垢层破裂自动脱落),它同时也通过增加换热面积来强化换热。Schneider Electric 33-Division-Name Date 5.1制冷剂粘度表面张力对冷凝液滴的影响：Question：介质粘度的影响到底有多大？R22和R134a有何差别？Schneider Electric 34-Division-Name Date 5.2 制冷剂冷凝液滴下降：Question：对于冷凝管应该怎样？Schneider Electric 35-Division-Name Date 5.3 制冷剂冷凝：5.4 膜层中凝结液的流动状态 20Re 1600Re c无波动层无波动层流流 有波动层有波动层流流 湍流湍流 凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时仍然时ReRe，elduRe式中：式中：u ul l 为为 x=lx=l 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de de 为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。Schneider Electric 37-Division-Name Date 5.5 湍流膜状凝结换热 实验证明：实验证明：（1 1）膜层雷诺数）膜层雷诺数 Re=1600 Re=1600 时，液膜由层流转时，液膜由层流转变为紊流变为紊流 ；（2 2）横管均在层流范围内，因为管径较小。）横管均在层流范围内，因为管径较小。特征特征 :对于紊流液膜，热量的传递：（对于紊流液膜，热量的传递：（1 1）靠近壁）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（2 2）层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。Schneider Electric 38-Division-Name Date 5.6 影响膜状凝结的因素 工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种受各种因素的影响因素的影响。1 1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下同时使饱和温度下 降降，减小了凝结的驱动力减小了凝结的驱动力 t。h2.2.蒸气流速蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使增大；反之使 减小。减小。h 4 4.液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代要用下式代替计算公式中的替计算公式中的 ，5 5.管子排数管子排数 管束的几何布置管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。rpswrr0.68c(tt)3.3.过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。5.7 管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低蒸气流速低时时，凝结液主要在管子底部凝结液主要在管子底部，蒸气则位于蒸气则位于 管子上半部管子上半部。流速较高流速较高时时，形成环状流动形成环状流动，凝结液均匀分布在管子凝结液均匀分布在管子 四周四周，中心为蒸气核中心为蒸气核。5.8 凝结表面的几何形状 1 1,强化凝结换热的原则强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度表面上的液膜的厚度。2 2,用各种带有尖峰的表用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜面使在其上冷凝的液膜拉薄拉薄，或者使已凝结的或者使已凝结的液体尽快从换热表面上液体尽快从换热表面上排掉排掉。Schneider Electric 42-Division-Name Date 6.冷凝管的翅型特点：a)冷凝管的功能：冷凝管的功能是将冷凝在其外表面的制冷剂液滴尽快扩散，加速滴落。b)冷凝管提高效率的措施：提高换热装置的性能:增大换热面积和提高换热系数 原理：蒸汽分子大致达到饱和温度附近时热能被夺走,开始冷凝,形成一层很薄的液膜,并逐渐变厚,而换热面就必须保持比饱和温度低的温度。措施：用高效换热管(低肋管)使换热面积增大,同时在翅片的尖端附近冷凝液膜变薄,故换热系数大于光管；高克联高效冷凝管更增大了换热面积,形成了锯齿状的齿，翅片距更小，且其翅片外缘开有锯齿缺口，传热面积更大。效果：又因翅片顶部呈错开锯齿状，从而使冷凝液的流动呈扰动状态，加强了“Gregoring”效应，从而促进了冷凝液膜的对流传热。高克联冷凝管的特殊的三维结构增强了冷凝液表面张力的作用，使冷凝液能迅速从翅片顶部流向根部，并在重力作用下从管底排出。内壁加里脊可使内表面积和紊流二次流作用增大。进一步增强了总换热能力。Schneider Electric 43-Division-Name Date 制冷剂冷凝 6.翅片冷凝时液膜特点：Schneider Electric 44-Division-Name Date 6.冷凝管的翅型特点：c)满足此功能的条件：.翅顶形状：翅顶和凹槽的突出部尽量尖锐尽量尖锐，目的是割裂液滴，破坏其表面张力，使其未流到管底部就开始滴落。因此，要尽可能将翅做薄。.改变外翅根部形状，将槽底部尽量做平做平(见图11-2)，目的是降低聚集在翅底部液面的厚度，加快滴落，减少热阻，由于此举改变了刀片的形状，管子延伸增加，因此也减轻了管子的重量。图11-1 图11-2 冷凝管外翅演变示意图 Question：对冷凝器，是否可简化为下雨？液膜是否也对传热有影响？怎样提高冷凝器液膜和换热效率？上层管和下层管换热效率差别是 Schneider Electric 45-Division-Name Date 三、翅片管的制造方法：母管加工工艺 三、翅片管的制造方法：翅片管的加工流程：母管 经化学成分、力学性能、探伤检测 轧制 翅片成型机 翅型检测 投影仪 滚压 滚压机 圆度检测 塞规 冲洗 高压冲洗机 定尺切断 切管机 长度检测 尺 气密性试验 试压槽 清洗 超声波清洗机 清洁度检测 表面络化 装箱 烘干 热气流烘干炉 换热性能测试 测试台 表面质量检测 肉眼 倒角 倒角机 管端检测 肉眼 Schneider Electric 47-Division-Name Date 三、翅片管的制造方法：翅型轧制：图13-1 蒸发管轧制示意图 图13-2 冷凝管轧制示意图 Schneider Electric 48-Division-Name Date 四、Questions