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第6章热交换过程及换热器蒸发器和冷凝器的结构传热特性蒸发器供液量自动调节传热强化与削弱换热器是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备，其特性对制冷机的性能有重要影响。热交换过程沸腾凝结强制对流自然对流本章内容6.1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：热量由壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧流体的过程。制冷机热交换设备中的传热：通过平壁、圆管以及肋壁的传热Ф-通过平壁的热流量，W；A-传热面积，m2；k-传热系数，W／(m2·K)。上式可改写成热流密度q的形式：q=Ф/A=kΔtW／m26.1.1通过平壁的传热对于无内热源、热导率λ为常数、厚度为δ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，通过平壁的热流量可由下式计算：6.1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可分成三个分过程：6.1.1通过平壁的传热传热热阻：传热系数：对于n层平壁，当各层材料的热导率分别为λ1，λ2，…，λn，且为常数，厚度分别为δ1，δ2，…，δn，层与层之间接触良好，无接触热阻时，热阻计算公式为：高温流体与壁面的对流换热平壁导热壁面向低温流体的对流换热6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.2通过圆管的传热图6-1圆管壁的传热过程由于圆管的内、外表面积不相等，所以传热系数也有内、外之分。一般以圆管外表面面积Ao为基准，相应的热流量Ф为：单位管长传热密度Фl为kl=koπdo为单位管长的传热系数6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.2通过圆管的传热以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数ko为工程计算中，当圆管的内、外径之比do／di≤2时，上式简化为：δ为圆管壁厚，m；λ为圆管热导率，W／(m·K)；dm为圆管内、外直径的算术平均值，m；Am为圆管内、外表面面积的算术平均值，m2。计算表明，简化后的计算偏差小于4％。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.2通过圆管的传热换热器投入使用后，传热表面会产生污垢，增大传热热阻，污垢对传热的影响通过污垢热阻考虑。计及污垢热阻的圆管传热系数公式为：内表面污垢热阻（或污垢系数）外表面污垢热阻（或污垢系数）6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.2通过圆管的传热制冷剂侧污垢：主要为润滑油的油膜及其他悬浮物的沉积；水侧污垢：主要为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。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.3通过肋壁的传热在制冷及低温工程中，常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)，其表面传热系数一般在500W／(m2·K)以上；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／(m2·K)以下。此时，强化传热主要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，一般采用加肋方式扩展换热面积以增大肋侧热流量，从而使两侧对流换热相匹配，是强化传热的有效措施。图6-2通过肋壁的传热过程稳态传热情况下，肋侧的热流量Ф为：A1-未加肋侧的面积，A'2-加肋侧的肋基面积，A2-肋片面积，A2-肋侧总面积，A2=A'2+A2；t’w2-肋基温度，t”w2-肋片平均温度，λ-肋壁材料的热导率，为常数，ho-肋侧表面传热系数，为常数，ηf-肋片效率6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.3通过肋壁的传热通过肋壁的传热热流量计算公式为：肋片总效率：以肋侧总面积为基准，传热计算公式为：肋化系数β=A2/A1加肋后，肋侧的对流换热热阻是1/(βηho)，而未加肋时为1/ho，加肋后热阻减小的程度与(βη)有关。由肋化系数定义易知β1，其大小取决于肋高与肋间距。增加肋高可以加大β，但增加肋高会使肋片效率ηf降低。减小肋间距也可以加大β，但肋间距过小会增大流体的流动阻力。一般肋间距应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/ho=3~5时，一般选择β较小的低肋；当hi/ho10时，选择β较大的高肋。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.3通过肋壁的传热引入污垢系数后，以肋侧总表面面积为基准的传热系数为：对于带肋的圆管，当do／di2时，以肋侧总表面面积为基准的传热系数为：Am为管道内外表面积的算术平均值6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.4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．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。传热计算公式为：（6-20）6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.4平均传热温差与析湿系数平均温差△tm与介质的流动形式有关冷、热流体的流动形式主要有4种：顺流：两者平行且同向流动；逆流：两者平行而反向流动；交叉流：彼此垂直的流动；混合流：对应于蛇形管换热器中的流动情形。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.4平均传热温差与析湿系数当冷、热流体的热容量(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，计算式为：△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／△tmin≤2时，可以采用算术平均温差，即：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%。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.4平均传热温差与析湿系数当冷、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。从图6-4可以看出，顺流时冷流体的出口温度t2总是低于热流体的出口温度t1，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t'1、t2和最低温度t1、t'2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。在顺流和逆流情况下，冷、热流体的温度变化:6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.4平均传热温差与析湿系数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。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.4平均传热温差与析湿系数2．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：cp--湿空气的比定压热容；△h-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，或为湿空气进出口焓差△t-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)间的温差，或为湿空气进出口温差析湿系数的物理意义为全热交换量与显热交换热量之比。引入析湿系数后，全热交换的表面传热系数为：ho,s为相同条件下的显热表面传热系数6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.5换热器传热计算的平均温差法换热器的传热计算分两种类型：设计计算与校核计算设计计算：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。校核计算：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：换热器传热计算的常规方法平均温差法(常用)效能-传热单元数法qm1、qm2-两侧流体的质量流量cp1、cp2-两侧流体的定压比热3个方程中共有8个独立变量，只要知道其中5个变量，就可以算出其他3个。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.5换热器传热计算的平均温差法1．设计计算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。设计计算步骤：(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，计算换热面两侧对流换热的表面传热系数h1、h2及换热面的传热系数k；(2)根据给定条件，由式(6-25)、(6-26)求出4个进、出口温度中未知的温度，并求出换热量Ф；(3)根据冷、热流体进、出口的4个温度及流动型式确定平均温差△tm；(4)由传热方程式Ф=kA△tm求出所需的换热面积A；(5)计算换热面两侧流体的流动阻力，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。6.1制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法6.1.5换热器传热计算的平均温差法2．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、qm2、进口温度t'1和t'2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(6-20)、(6-25)、(6-26)求出其余的未知量。在这种情况下，通常采用试算法。校核计算步骤：(1)先假设一个流体的出口温度t1或t”2，用热平衡方程式(6-25)、(6-26)求出换热量Ф'和另一个流体的出口温度；(2)根据流体的4个进、出口温度求得平均温差△tm；(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hi、ho，进而求得传热系数k。(4)由传热方程式(6-20)求出换热量Ф；(5)比较Ф'和Ф，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Ф'和Ф值的偏差小于2％-5％为止。6.2蒸发器蒸发器的类型很多，按制冷剂在蒸发器内的充满程度及蒸发情况进行分类，主要有4种：蒸发器的分类制冷剂在蒸发器内吸热汽化从而实现制冷目的。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。实际系统中，有时在蒸发器出口处装设气一液分离器，使压缩机得到进一步的保护。再循环式蒸发器（制冷剂在管内进行流动沸腾换热）满液式蒸发器（制冷剂在管间的大空间沸腾换热）干式壳管式蒸发器板式换热器空气冷却型干式蒸发器直管式U型管式自然对流式强制对流式干式蒸发器（制冷剂在管内进行流动沸腾换热）管板式吹胀式单脊翅片管式冷却排管整体钎焊式组装式淋激式蒸发器（制冷剂以喷淋方式在管间沸腾换热）1．干式蒸发器特点：制冷剂在管内一次完全汽化。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。应用范围：干式蒸发器常用于冷