翅片式换热器的设计及计算

制冷剂系统翅片式换热器设计及计算制冷剂系统的换热器的传热系数可以通过一系列实验关联式计算而得，这是因为在这类换热器中存在气液两相共存的换热过程，所以比较复杂，现在多用实验关联式进行计算。之前的传热研究多对于之前常用的制冷剂，如R12，R22，R717，R134a等，而对于R404A和R410A的，现在还比较少。按照传热过程，换热器传热量的计算公式为：Q=KoFΔtm(W)Q—单位传热量，WKo—传热系数，W/（m2.C）F—传热面积，m2Δtm—对数平均温差，CΔtmax—冷热流体间温差昀大值，对于蒸发器，是入口空气温度—蒸发温度，对于冷凝器，是冷凝温度—入口空气温度。Δtmin—冷热流体间温差昀小值，对于蒸发器，是出口空气温度—蒸发温度，对于冷凝器，是冷凝温度—出口空气温度。传热系数K值的计算公式为：K=1/（1/α1+δ/λ+1/α2）但换热器中用的都是圆管，而且现在都会带有肋片（无论是翅片式还是壳管式），换热器表面会有污垢，引入污垢系数，对于蒸发器还有析湿系数，在设计计算时，一般以换热器外表面为基准计算传热，所以对于翅片式蒸发器表述为：Kof--以外表面为计算基准的传热系数，W/（m2.C）αi—管内侧换热系数，W/（m2.C）γi—管内侧污垢系数，m2.C/kWδ，δu—管壁厚度，霜层或水膜厚度，mλ，λu—铜管，霜或水导热率，W/m.Cξ，ξτ—析湿系数，考虑霜或水膜使空气阻力增加系数，0.8-0.9（空调用亲水铝泊时可取1）αof—管外侧换热系数，W/（m2.C）Fof—外表面积，m2Fi—内表面积，m2Fr—铜管外表面积，m2Ff—肋片表面积，m2ηf—肋片效率，公式分析：从收集的数据（见后表）及计算的结果来看，空调工况的光滑铜管内侧换热系数在2000-4000W/（m2.C）（R22取前段，R134a取后段，实验结果表明，R134a的换热性能比R22高)之间。因为现在蒸发器多使用内螺纹管，因此还需乘以一个增强因子1.6-1.9。下面这个计算公式来自《制冷原理及设备》（第二版，1996，吴业正主编）：αi—管内侧换热系数vm—质量流速，kg/(m2.s)di—铜管内径，mA1，A2—系数，μ—制冷剂的分子量但是对于现在一般的制冷产品，因为质量流量都比较大，因此流速都比较高，所以都符合这个要求，所以一般都用公式（9-43）但是上面这个公式对R134a不太适用，《小型制冷装置设计指导》（1999，吴业正主编），《制冷原理及设备》第三版，2010，吴业正）都引用了Kindlikar在1987年提出的一个经过大量数据验证精度较高的关联式用于R134a制冷剂，这个公式也可用于其他制冷剂如R22等，经过近几年的研究发现，该公式也可用于R410A蒸发器的计算：这个公式比较复杂，所需参数比较多，而且计算时需要假设热流q来进行迭代计算，但经过计算对比发现，可以在上一个公式的基础上再乘以一个系数，经推算为1.05，就可以将上一个公式用于R134a。冷柜工况的管内侧换热系数不到1000W/（m2.C）（R22），这和制冷剂质量流速有关，有研究人员用Kandlikar关联式通过计算机模拟得出了R134a不同质量流速下的换热特征（空调工况），见下图：而一般蒸发器设计时，考虑到质量流速的增大会引起阻力的增大，因此质量流速不宜过大，这个可结合流路长度一起分析，昀后选择合适的质量流速。而对于管内侧换热系数来说，主要影响换热的是制冷剂性质和制冷剂质量流速，从计算结果和经验分析，对于光管和平片来说，如果质量流速在200-400kg/(m2.s)，那么管内侧（平均）换热系数的范围主要集中在2000-8000W/（m2.C）之间，R22取靠前区间，R134a取靠后区间。污垢系数根据经验值是固定值，管内表面污垢系数取0.09x10^-3m2.C/W，而铜管管壁导热热阻δ/λ只和结构有关，而常用的9.52光管取8.8x10^-7，这个值太小了可以忽略不计。不过在《小型制冷装置设计指导》中给出了一个热阻值4.8x10^-3（m2.K/W），这个值包括管壁导热热阻，翅片与管壁间的接触热阻，翅片侧污垢热阻，而管内污垢热阻忽略不计。还有Fof/Fi，空调常用9.52管套铝翅片，一般根据片距在1.7-2.12之间的变化在16-22之间变化。而对于管外侧换热系数，主要和空气性质，流速，换热器结构有关，对于舒适性空调工况而言，空气参数，流速都一样，换热器结构稍微有些调速，但变化不大，因此可取50-70W/（m2.C），但这是以平片来计算的，如果是使用波纹片和条缝片，因为现在还没有合适的计算式，因此可在平片的基础上乘以修正系数，波纹片可取1.3，条缝片可取1.8，而波形条缝片取2-3，这是《制冷原理及设备》（第三版）对蒸发器和冷凝器给出的，但《小型制冷装置设计指导》中对冷凝器的两种翅片给出的是1.2和1.6，经计算，这是比较合理的，下面冷凝器按此值计算。另外下面也给出了一个计算三角波纹翅片的计算公式参考。计算公式如下，下面第一个取自《制冷原理及设备》（2010，第三版），但是使用有限制，但下面给出的两个条件是矛盾的，雷诺数Ref的范围适用于低温蒸发器，但d0/b的范围适用于高温蒸发器。但计算结果和下面第二个取自《小型制冷装置设计指导》的公式相差不大，所以两个公式都可以用。另外，国内李妩，陶文铨等人总结了三角波纹翅片的换热关联式：1990.0320935.031518.0NsR687.0N−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛•⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=dsdeuaa，Nua=αo.do/λ，Nua为空气努塞尔数；Rea为管外空气雷诺数（计算公式见上9-58）；s1为翅片间距(m)；S2为沿空气流动方向管间距(m)；d3为翅根直径(m)；N为管排数，do为管外径（m），λ为空气导热率(W/m.C)。霜层在空调中不存在，所以取0，霜层修正系数取胜，空调析湿系数ξ一般在1.2-1.6之间，空调蒸发器标准工况下可达1.6，新风可取2.0，冰箱是结霜，只有1-2之间，或直接取1.0。翅片式换热器都是通过在换热管套上换热片来增大传热面积，叫表面肋化，这样可以强化换热，在上面的传热系数计算公式中，反映为管外换热系数的一个系数，计算如下：肋片效率主要和管外侧换热系数，析湿系数，蒸发器翅片和铜管结构尺寸有关，而翅片间距大，肋片效率会小些，一般取0.77-0.88，片距大取小值，片距小取大值。有了肋片效率，昀后可以算出肋面总效率，一般取0.8-0.9之间（但是计算时片距越大，反而效率越高，好象有点问题？？）Fof—外表面积，m2Fr—铜管外表面积，m2Ff—肋片表面积，m2对于取自《制冷原理及设备》的公式，需要假设换热器的结构，使用假设换热面积来进行迭代计算，但是因为结构参数其实可以用单位值来计算，这就只需如片距，片厚度，铜管内外径，排距，管距等特征尺寸而不需知道换热器全部物理尺寸，昀终计算出K值，另外考虑到蒸发器出口需要一定过热度，因此要取10-20%的设计余量。对于取自《小型制冷装置设计指导》的公式需要假设热流密度来进行迭代计算，比较繁琐，但实验证明该公式误差比较小。不过从实际计算结果来看，不管用什么公式还是选择什么样的结构，因为是理论计算，因此计算值光管平片一般在40-50W/m2.C范围内，如果用波纹片及内螺纹管，可达60-80W/（m2.C），昀终换热效果还需要调整流路设计来进行优化，所以换热面积大小还会变化。如果公式是从比较理想化的模型推导的，那实际设计的换热器效果应该比设计结果差，因此理论设计的换热器会偏小。当作为冷凝器时，δu=0，ξ=ξτ=1，ηo=(Fr+ηf.Ff)/Fof，翅片式冷凝器表述为：γo—管内侧污垢系数，m2.C/kWηo—肋面总效率因为在计算αi时要用到αo，所以要先计算αo，下面公式来自《制冷原理及设备》（1996，第二版，吴业正），这个公式没有给出应用范围，可以看作适用冷柜和空调工况。在空调工况下的计算值比下面的公式稍小，估计在冷柜设计时比较适用，因为该工况下制冷剂质量流速相对较小，因此换热效果也差些，如果用在空调工况，可以乘以修正系数1.2。冷凝传热的空气侧因为温度较高，所以传热效率比较高，一般在60-80W/（m2.C），另外以下公式是以平片得出的，因此对于波纹片，可乘以1.2，对于条缝片，乘以1.6，作为修正系数：下面公式来自《小型制冷装置设计指导》（1999，吴业正），看适用范围，只有空调的结构参数及空调工况下的物性参数计算结果才在范围内，因此该公式只适用于空调工况的设计计算：Sf—翅片片距，m；s1—迎风面管距，m；ωmax—空气在昀窄截面上的流速，m/s；υ—空气的运动粘性系数，m2/s；δf—翅片厚度，m。对于一些热阻，冷凝器会有所不同，《小型制冷装置设计指导》给出了空气侧热阻（见上表），及接触热阻，见右图，接触热阻和接触率有关，接触率和换热器的加工工艺有关，一般在0.4-2%之间，常用接触热阻为0.004W/m2.K，而对于管壁热阻，其实还是很小，可以忽略不计。而对于管内污垢热阻，一般忽略不计。而《制冷原理及设备》里只计算管内污垢热阻，而不计算其他，考虑到工程实用性，考虑在内会比较符合实际情况。对于冷凝器的结构参数，如内外表面积，肋面效率等，因为和蒸发器相差不会太大，所以可以参考蒸发器。经过传热过程分析和公式推导，得出以下热平衡公式：αki—管内侧换热系数，W/（m2.C）ai—管内表面积，m2αof—管外侧换热系数，W/（m2.C）ao—管外表面积，m2η—表面效率tk—冷凝温度，Ctw—管壁平均表面温度，Ctm—进出口空气平均温度，C对于管内换热系数，《制冷原理及设备》的公式如下，因为计算温度方便，一般使用前者。而后一组公式来自《小型制冷装置设计指导》，其实两个公式是一样的，其中B=β^0.25，β是计算出来，B可以通过查表查出来，两者结果是一样的，一般范围在1300-1400。Δt=tk-tw，C，是冷凝温度和壁面温度之差。将下式代入上面的热平衡公式，只有tw是未知数，昀后可求出，再用下式计算出管内侧换热系数，一般在1600-2000W/（m2.C）。以下公式取自《小型制冷装置设计指导》，并给出的适用于R134a的计算公式。计算出所有值后，昀终可计算出Ko，这里的设计计算没有使用迭代试算法，而是通过传热过程来计算热流密度，昀终算出传热系数，对于平片光管一般在30-40W/（m2.C）之间，对于波纹片或条缝片，可达40-50W/（m2.C）。算出Ko值，昀后可以确定冷凝器结构尺寸，一般换热面积考虑到冷凝器出口要有一定的过冷度，因此实际换热面积要比计算值大5-10%。虽然有文献进行过冷凝器使用内螺纹管的研究，也表明可以增强换热效果，但好象在计算研究中并不太关心这个，从实际使用看，对于小的冷凝器可能比较明显，但对于稍大的可能不太明显。上面的计算公式都是针对早期使用的制冷剂，而R134a是使用了比较长时间的环保制冷剂，所以也总结出了计算关联式。对于R410A，近十多年来一直有研究，对于蒸发器的管内沸腾换热，上面给出的Kindlikar关联式，实验证明计算结果误差比较小，此外还有Christoffersen、M.Goto以及Koyama（因相关资料不容易找到，所以没有列出），但有资料说在质量流量小于400kg/m2s时计算值偏小，对于冷凝器，Yu&Koyama和Shikazono关联式与实验值比较吻合。而对于R404A，性质与R22相似，在中温制冷系统中只需做一些小改动就可以代替R22，因此在蒸发器中可以用Kindlikar关联式（这个公式对许多制冷剂都适用），或者用其他公式也行，但需再乘以修正系数，冷凝器是否可以借用R22的关联式还有待研究。对于换热器管径，一般使用的是OD9.52比较多，大点的有OD12.7和OD15.88。而现在在家用空调中，因为对成本比较敏感，因此需要更高效率的换热效果，之前开发了内螺纹管，在研究中发现，小管径换热管效率更高，如OD7.9，OD7.0，甚至到OD5.0,OD4.0，越来越多应用在产品上，特别是配上R410A制