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翅片管强化传热技术在冷凝器中的应用点击：2445 日期：[ 2014-04-26 21:57:57 ] |
| 翅片管强化传热技术在冷凝器中的应用 沈雅钧1，崔肖洁1，杨永华2 (1.浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山316004；2.浙江海洋学院公共实验中心、网络中心，浙江舟山316004) 摘要：介绍了常用冷凝器的特点，阐述了几种翅片管的强化传热机理及其在冷凝中的应用现状，对工程实际中冷凝器的强化传热有一定的参考价值。 关键词：冷凝器；翅片管；传热系数；强化传热技术 中图分类号：TK124文献标识码：A 冷凝器的应用范围十分广阔，特别是在制冷空调系统中。冷凝器作为主要的传热设备之一，其性能的好坏直接影响到装置的总体工作性能。因此，冷凝器传热过程的强化得到了越来越广泛的重视。为了提高冷凝设备的整体性能，通过管子形状或表面性质的改造来强化传热过程以提高冷凝器的效率，已成为国内外冷凝器发展的一种趋势。 1.常见冷凝器类型与特点 冷凝器又称“液化器”，是使蒸气在其中放出热量而液化的换热器。根据冷却介质和冷却方式的不同，冷凝器可分为水冷式、空冷式、蒸发式三种类型。 1.1水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。水冷式冷凝器具有传热效率高、结构紧凑的特点。目前，由于水资源短缺，水冷式冷凝器中使用的冷却水普遍循环使用，其主要缺点是需要设置专门的冷却水循环系统，初投资高，水处理费用大。常用的水冷式冷凝器有卧式壳管式、立式壳管式和套管式等型式。 在大中型空调制冷装置及工业制冷中一般均采用水冷式冷凝器，其中又以壳管式冷凝器最常用。在壳管式冷凝器中，制冷剂通常在管外冷凝，水在管内流动。目前使用的壳管式冷凝器有光管管束与滚压低翅片管（即螺旋管）两种。一般，氨用卧式壳管式冷凝器多采用光管管束，氟里昂冷凝器多采用滚压低翅片管。 1.2空冷式冷凝器 空冷式冷凝器也称风冷式冷凝器，制冷剂在管内冷凝，制冷剂放出的热量被空气带走。这种冷凝器中有自然对流空气冷却式冷凝器和强制对流空气冷却式冷凝器。由于空气的对流传热系数很低（25～35 W/m·2K）[1]，空冷式冷凝器的传热效率不如水冷式，冷凝温度与冷凝压力均较高。另外，在换热负荷一定的情况下，空冷式冷凝器所需传热面积比水冷式冷凝器大，故而设备体积和质量均庞大，占地大。但是可冷热两用，初投资低，系统维护管理相对简单。空冷式冷凝器在工程实际中的应用十分广泛，既可用于制冷系统，也广泛应用于空调系统。其最大的优点是不需冷却水，因此特别适用于缺水地区或者供水困难的场合，在小型制冷空调领域应用尤为广泛。 1.3蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器是以蒸发冷凝和显热交换为基础，制冷剂放出的热量同时由冷却水和空气带走。制冷剂在管内流动，冷却水在管外喷淋蒸发时吸收气化潜热，使管内制冷剂冷却和冷凝。蒸发式冷凝器中，省去了冷却水在冷凝器中的显热传递阶段，使冷凝温度更接近空气的湿球温度，可比水冷式冷凝器系统低3～5℃，从而大大降低压缩机的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系统的1/3左右[2]。我国蒸发式冷凝器的开发和应用相对滞后，以往多应用于大型的氨制冷系统。近年来，由于电力资源紧张和水资源匮乏，蒸发式冷凝器作为一种节能节水型换热设备，其研究和应用得到了广泛重视，促进了蒸发式冷凝器产品技术的成熟和进一步应用。目前，已有一些生产厂家在结构上对其进行了完善，使之应用于中央空调机组[2]。 对于那些需要进行精确控制的冷冻空调系统和运行环境恶劣的场合，蒸发式冷凝器更容易满足工艺控制要求。工程应用表明，采用该产品替代传统的“水冷式冷凝器+凉水塔”方式，增加的初投资一般能在一年左右即可收回，经济效益明显。 2 冷凝器中常用的强化传热翅片管 传热过程是热量从一种流体通过固体壁面传给另一种流体的过程。工程实际中，强化换热器的换热性能主要从强化两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热过程入手。常用的强化传热技术有:(1)表面涂层；(2)粗糙表面；(3)扩展表面；(4)各种内外螺纹管；(5)扰流元件；(6)添加物；(7)冲击传热[3]。在各种强化传热技术中，在壁面上加装翅片，作为增强传热的一个主要手段，在工程中得到广泛应用。翅片管式换热器具有高效传热、结构紧凑等特点，已被广泛地应用于制冷空调装置、航空航天设备、太阳能集热器和电子设备等各个领域中。在冷凝器中的应用尤为普遍。 翅片管的种类很多，而且还在不断涌现新的品种，在这方面的研究也较多[4～6]。大体上可按加工工艺、翅片形状、材质、用途等几个方面对翅片管进行分类。在冷凝器中，常用的翅片管有以下几种形式。 2.1螺纹类翅片管 在冷凝器中，常用的螺纹类翅片管有：内螺纹管、整体型螺旋翅片管、螺旋(纹)槽管、横纹管、肋片管等。 2.1.1内螺纹管 内螺纹管结构如图1所示。 内螺纹管是一种常见的传热特性很好的高效换热管。空调中采用的水冷式冷凝器一般为R22系统，普遍采用内螺纹管，其传热系数可达930～1 600 W/m·2K[7]，进而可以降低冷凝温度，单位制冷量冷水机组压缩机能耗就越少。另外，水冷式冷凝器，特别是大型冷水机组冷凝器冷却水一般都直接取自江河水，悬浮在水中的泥沙颗粒和微生物等污垢物很容易在换热管内壁形成污垢，使换热效果大大削弱。文献[8]的研究表明：冷凝器选用内螺纹管时，冷却水存在临界流速υ临界，当流速υ<υ临界时，不管机组运行多长时间，相对于光管而言都可实现经济性运行；如果冷却水流速υ>υ临界，那么必然存在临界时间t临界，当累计运行时间t≤t临界时，冷凝器选用内螺纹管仍然具有经济性。故只要以临界时间为参考点定期清洗冷凝器，就可维持机组经济性运行。 2.1.2整体型螺旋翅片管 整体形螺旋翅片管是由专用设备———整体形螺旋翅片管加工设备一次性加工成型，翅片呈螺旋形。整体型肋片管又可分为双金属肋片管和单金属肋片管两种。双金属肋片管由两种不同材料的金属管复合轧制而成，有铜铝复合管与钢铝复合管；单金属肋片管由一根铝管或铜管轧制而成，因不存在接触热阻的问题，可大大提高肋片管的换热性能。整体形螺旋翅片管的基本结构如图2所示。 整体形螺旋翅片管作为热交换设备中的重要换热元件，在采暖、制冷系统的冷凝器中得到普遍应用，另外还可广泛应用于石油、化工、电力、冶金、烘烤、余热回收等各种具有热交换过程的工农业生产、生活领域。 2.1.3螺旋槽管 螺旋槽管也即螺纹槽管，是在基管上加工出螺旋形凹槽而成，如图3所示。其强化传热机理是产生的边界层分离流使传热边界被破坏。螺旋槽管有单头和多头之分，考虑到传热效果和阻力因素的综合影响，工程上一般采用单头。实践证明：螺旋槽管对液-液、液-气、气-气间传热过程均有强化作用，与光管相比，总传热系数可提高20%～40%，可用于各种形式的换热器、余热锅炉等[9,10]。 有人在氨立式冷凝器中，采用螺旋槽钢管为强化传热元件，与光滑钢管进行了对比试验，结果表明螺旋槽钢管的传热系数比光滑钢管高12.9%～65.5%。某冷冻厂的氨立式冷凝器应用螺旋槽钢管，经过一年多的运行测试，传热系数比用光滑钢管高32.6%～57%[11]。水蒸汽在水平换热管外凝结的条件下，螺旋槽管是实现冷凝器小型化理想的管型之一，是一种双侧高效强化管。这种管型加工方便，抗结垢能力强，除垢方法简易，有的国家已用于船用冷凝器。文献[10]对螺纹槽管的研究结果表明：(1)在冷却水质量流量及水阻相等的条件下，螺纹槽管冷凝器的换热面积可比光管减少30.6%～33.8%；(2)在清洁状态下，螺纹管槽传热系数是光管的1.25～1.41倍，运行一年后(结垢状态)，其传热性能仍超过光管。 2.1.4横纹槽管 横纹槽管是20世纪70年代中期出现的一种高效传热元件。它用普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环翅，具有加工简单，制造成本低廉的优点，其结构如图4所示。横纹槽管是螺旋槽管螺旋角为90°时的极限形式。其强化传热机理为：径向流动破坏了边界层底层的形成，在一定程度上强化了传热。另一方面，当管内流体经横向环翅时，管壁附近形成横向漩涡，增大了边界层的扰动，有利于热量通过边界层向流体主体的传递。由于横向环翅的不断出现，当前一个涡流即将消失时，流体流经下一个横翅马上产生新的横向涡流，因而可保持连续且稳定的强化作用[12]。横纹槽管主要用来强化管内单相流体的传热，研究发现，在相同流速下，横纹槽管流动阻力要小于单头螺旋槽管。 文献[12]对横纹管的污垢性能进行了实验研究，结果表明：横纹管有较好的传热性能，在清洁状态下，横纹管的强化比约为1.2；在结垢状态下，横纹管的强化比约为1.4。故横纹管比光管更适宜于结垢状态下使用。 2.1.5肋片管 肋片管分为低肋片管和高肋片管。低肋管也即通常所称的螺纹管，是制冷壳管式换热器中普遍采用的换热管，也是蒸发式冷凝器中普遍采用的强化传热方法之一，用于油品冷却效果也较好。高肋片管则主要用在空冷器上。采用肋片管，通过调节管内、外某一侧的膜传热系数，即翅片位于传热系数较小的一侧，可使总传热系数值增加几倍[9,13,14]。 低肋片管和高肋片管均已标准化，可按标准直接向专业厂家订购。 2.1.6变螺距内螺纹管 采用在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹，不但可以扩大管子的内表面积，增加传热面积，并且由于管子不再是光管，内部有螺纹所以内壁变得粗糙，可以破坏层流边界层，使管内的制冷剂的流态变成紊流，从而提高管内对流换热系数。同时，因为采用变螺距，沿着流体流动方向螺距从大变小，这样可进一步增强流体的扰动，强化流体的换热系数。 研究表明，将等间距内螺纹翅片管换热器的管内螺纹改为变间距，由于管内有规则、连续的凸肋和凹槽发生改变，可使其内表面积比等间距增大8.4%，传热系数增大3.82%，管内换热系数增加4.89%[15]。等间距内螺纹管与变间距内螺纹管的结构示意图如图5、图6所示。 2.2套片管 套片式翅片管是将冲压成型的翅片紧套在金属管壁上制成的。翅片管材料通常采用钢管钢翅片，也可采用铜管铝片，然后经表面热镀锌处理。翅片形状为矩形，每片翅片可以套在一根管上或同时套在多根管上，根据情况还可在翅片上加工出不同形状的口子，如图7所示。 工程中常用的套片式翅片管有两排或四排，采用的管束以正三角形叉排布置，如图8所示。 文献[16]将整体套片的肋效率与等截面、变截面直肋和环肋的肋效率相比，发现整体套片式肋的肋效率较其它形式肋大，单位体积的传热面也较大，金属耗量大，但其加工简单、安装方便。 由于套片管换热器具有加工简单，结构紧凑，占地面积小等优点，在空调工程中的得到广泛的应用。如空冷式冷凝器，就多采用套片管或螺旋绕片管。图9所示为空调中使用的双排冷凝器翅片形式。 2.3波纹管 波纹换热管如图10所示，其强化传热机理是：波纹形翅片引起的流动方向改变导致边界层分离，从而提高换热效率。 波纹管是一种高效能传热表面，目前在强化换热管领域占有重要地位，常用于各种强化传热的场合，如制冷系统中的中间冷却器等。波纹管也常用于强化蒸发式冷凝器的传热[7]。 用波纹管作为换热管的高效波纹管换热器是实现双面强化传热的高效换热设备，它综合了管壳式换热器和板式换热器的优点，具有传热系数高（其换热效率可比管壳式换热器和板式换热器提高2倍以上）、适应性强（耐温差、压差性能好，自补偿性能好）、防垢除垢、耐腐蚀、单台处理量大（热负荷最高可达150×106 kcal[h1]/h）、流动阻力小、结构简单、制作方便、体积小、重量轻、节省钢材等众多优点。特别地，波纹管的防垢自洁效应，实现了在整个运行过程中均能维持较高的传热效果。因此，波纹管换热器的社会效益和经济效益非常显著，已成为现有换热器的更新换代产品，得到广泛的应用，具有很好的推广应用前景。 2.4螺旋扭曲管 目前，对强化传热管的研究已进入第三代管型———三维传热管，螺旋扭曲管就是其中的新管型之一。三维的非连续翅片管比二维的连续翅片管具有更不规则的扩展表面，流体流过时，边界层反复不断地受到破坏，从而使传热系数得到进一步提高。 螺旋扭曲管的具体形式较多，其中，文献[17]设计的一种螺旋扭曲管如图11所示。该管可采用碳钢管、不锈钢管、Ti管、紫铜管和镍合金管制造，用于水-氨吸收机时，可采用铝管。该管可用于冷凝器中，也可用于其 他制冷换热器、吸收式制冷机发生器和吸收器中，达到管内外两侧强化传热的效果。 瑞典ALLARDS公司、华南理工大学化机所和武汉化工学院化机系、天津大学等都对螺旋扭曲管换热器及其传热和阻力性能有一定的研究[17,18]。在蒸发式冷凝器中，也常用扭曲管作为一种新型强化传热元件，其内部的螺旋扭曲流道使管程流体产生以纵向旋转和二次旋流为主要特点的强扰动，使管内流体在温度梯度较大的径向产生混合，使壁面处的温度梯度增大，从而实现强化传热。 2.5螺旋绕片管 螺旋绕片管也是典型的三维传热管之一。它是利用金属带材的伸缩性，将薄金属带（钢带或不锈钢带/铜带）螺旋形地强制立绕在金属基管上，使翅片与基管紧密接合在一起，然后对翅片管进行镀层处理，使接触热阻降低到最低限度，同时强化翅片管的传热性能和抗腐蚀能力。螺旋绕片管的基本型式如图12所示，其片距及片高可以根据使用要求而定。 螺旋绕片管换热器具有传热性能好、承压能力大、传热速度快、耐腐蚀、寿命长等优点，空冷式冷凝器中常采用螺旋绕片管来强化传热。 3 结束语 螺纹类翅片管、套片式翅片管、波纹管、螺旋扭曲管、螺旋绕片管等高效传热元件在冷凝器中得到了广泛的应用，传热效果得到了显著提高。除此之外，新齿形传热管还在不断出现。与光管相比，它们具有下述共同特点：(1)不同形状的翅片均可使传热壁面变得粗糙，从而破坏静止的层流边界层，提高对流换热系数，使换热得到不同程度的强化；(2)在负荷一定的条件下，冷凝器所需面积可大大减小；(3)根据大多数人的常识，粗糙的翅片管表面容易引起结垢；事实上，由于粗糙表面引起的紊流破坏了静止的附面层，会使污垢难于附着；即使有污垢附着，污垢也呈现离散的鳞片状，设备运行中温度的变化使管子发生膨胀和收缩，会因污垢与管壁材料间的胀差巨大而引起剥离，在介质的冲击下自行脱落。而光管垢层为圆柱体，无任何自脱力。因此，翅片管的结垢情况并不比光管严重多少。 近年来，各种翅片管换热器在制冷空调领域的应用日趋广泛，解决了换热器运行中的许多问题，也收到了很好的强化传热的效果。随着制冷空调企业的科技进步、高效技术改造的深入，强化传热仍是蒸发器、冷凝器等换热设备的主要发展方向，新型的翅片管强化传热技术将会得到越来越广泛的研究和应用。 参考文献： [1]程金强,梅宁,赵杰．风冷翅片管换热器传热特性研究[J]．热科学与技术,2008,7(2):120-125． [2]朱冬生,沈家龙,蒋翔,等．蒸发式冷凝器性能研究及强化[J]．制冷学报,2006,27(3):45-49． [3]杨世铭,陶铨．传热学[M]．第4版.北京:高等教育出版社,2006. 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