第四章--蒸发器

蒸发器在制冷系统中：蒸发器是制造和输出冷量的设备膨胀阀压缩机的作用：从蒸发器中抽取气化的蒸气,从而维持蒸发器内一定的蒸发温度和压力；对吸入的蒸气进行压缩,以维持冷凝器内的高压；输送制冷剂,是系统中的循环动力。膨胀阀的作用：膨胀阀起节流降压的作用,经冷凝器冷凝后的高压液态制冷剂转变为低压的液体,为制冷剂在低温低压下气化创造条件；调节蒸发器的供液量（用于控制压缩机入口处制冷剂蒸气的过热度）。蒸发器的类型、基本构造及工作原理制冷剂在水平管内的沸腾换热冷却空气型蒸发器的设计与计算冷却液体型蒸发器的设计与计算蒸发器的类型、基本构造及工作原理蒸发器是一种吸热设备；工作原理：制冷剂液体在较低的温度下沸腾，转变为蒸气，并吸收被冷却物体或空间所散发的热量，达到制冷的目的；蒸发器是制冷系统中制造和输出冷量的设备；按制冷剂的供液方式，蒸发器可分为满液式、非满液式、循环式和淋激式。按照蒸发器中被冷却介质的种类分为冷却空气型蒸发器和冷却液体型蒸发器液体制冷剂经过节流装置进人蒸发器，蒸发器内的液位保持一定。蒸发器内的传热管浸没在制冷剂液体中。吸热蒸发后的气液混合物中仍含有大量液体，故从蒸发器内逸出的湿蒸气经气液分离后再回人压缩机。满液式蒸发器的蒸发管表面为液体润湿，表面传热系数；制冷剂侧阻力较大；由于制冷剂液体静压力的影响，使其下部液体的蒸发温度提高，从而减小了蒸发器的传热温差，蒸发温度越低这种影响就越大。满液式蒸发器满液式蒸发器大多为壳管式，载冷剂在管内流动，制冷剂在管外蒸发，制冷剂液体基本浸满管束，上部留有一定的气空间。对于润滑油与制冷剂互溶情况下，满液式蒸发器的回油较难且不稳定，而回油状况直接影响机组的工作工况和工况油移。液体制冷剂经过膨胀阀节流后直接进人蒸发器，在蒸发器内处于气液共存状态，制冷剂边流动，边汽化，蒸发器中并无稳定的制冷剂液面。只有部分传热面积与液态制冷剂相接触，表面传热系数相对较小；充液量少，润滑油容易返回压缩机；依靠泵强迫制冷剂在蒸发器中循环，液体循环速度大小由泵调节，制冷剂循环量是蒸发量的几倍，沸腾换热强度较高，润滑油不易在蒸发器内积存。依靠泵把制冷剂喷淋在传热面上，蒸发器中制冷剂充灌量很少，液柱高度不会对蒸发温度产生影响。冷却空气型蒸发器广泛用于冰箱、冷藏柜、空调器及冷藏库中；多做成蛇形管式，制冷剂在管内蒸发，空气从管外流过被冷却；按引起空气流动的原因，可分为自然对流式和强制对流式。自然对流式空冷器两种典型的管板式蒸发器多层搁架式蒸发器铝合板吹胀式蒸发器单脊翅片管式蒸发器串联板吹胀式蒸发器翅片管式排管强制对流式空冷器冷却液体型蒸发器满液式蒸发器干式壳管式蒸发器干式壳管式蒸发器:液态制冷剂在管内流动，沿程吸收管外载冷剂的热量逐渐汽化，制冷剂处于液汽共存的状态，蒸发器部分传热面与气态制冷剂接触，导致总传热系数较满液式低,但其制冷剂充注量少，回油方便，适用于氟利昂作制冷剂。优点：（1）充液量少，为管内容积的40%左右；（2）受制冷剂液体静压力的影响较少；（3）排油方便；（4）载冷剂结冰不会胀裂管子（5）制冷剂液面容易控制；（6）结构紧凑。缺点:制冷剂在换热管束内供液不易均匀，弓形折流板制造与装配比较麻烦，由于装配间隙的存在，载冷剂在折流板孔和换热管间、折流板外周与筒体间容易产生泄漏旁流，从而降低传热效果。制冷剂在水平管内的沸腾换热制冷剂在水平管内的沸腾换热是蒸发器最常用的形式。1、润滑油对管内沸腾换热的影响因素润滑油与制冷剂的互溶性润滑油的浓度润滑油的物性蒸发器的热流密度及蒸发管的长度在制冷系统中，循环的制冷剂中含有润滑油其浓度一般为0.2-10%。00/140442ZpZKkPat0蒸发器进出口的制冷剂压降与所对应的饱和温度降的关系：t系数，，对于不同制冷剂仅为饱和温度的函数，可查、制冷剂流阻页对蒸发器传热的影响：的表。3、制冷剂液体高度对蒸发器传热的影响。4、制冷剂在微细内翅管中的沸腾换热：传热的增强明显大于压降的增加，成本比较低。微细内翅管剖面图5241013010.40.811110.80102121C()(25)()(1)Pr0.023[]1()()9.85CCCfmiigmmiCFrCBFgxddxCxqBgrgFrdTP1凯特里卡的、纯制冷剂在管内的沸腾换用热通关系式：冷却空气型蒸发器的设计与计算自然对流空冷器空气侧的换热湿工况下空冷器空气侧的换热设计实例自然对流空冷器空气侧的换热在计算自然对流空冷器的表面与空气间的传热系数时，必须同时考虑空冷器表面与外界的辐射换热；对于工程设计，一般对于家用冰箱（采用的管板式与吹胀式蒸发器），其对流换热系数在11-14W/(m2K)之间(未结霜状态)；对于家用冰箱（采用的单脊翅片管式、管板式和吹胀式蒸发器）也可以采用下面的式子估算传热面积A。0440000440000000000()[()()]100100()[()()]10010011111()2aaCRCaaRiiipffpfATTKttKAttTTAKAAAAAAAAdLhL湿工况下空冷器空气侧的换热1、空气流过蒸发器时状态的变化dh12=11等湿（干式）冷却：空气在含湿量不变的情况下冷却。当换热壁面的温度低于湿空气露点温度（tstD)时，空气侧的换热属于无相变换热。dh12=112’析湿冷却：空气在含湿量下降的同时的冷却。当换热壁面的温度低于湿空气露点温度（tstD)时，空气气侧的换热属于有相变换热，空气流经蒸发器时状态的变化可用湿空气的h-d图来表示。空气经过蒸发器时状态变化过程AB当换热壁面的温度低于湿空气露点温度（tstD)时，湿空气气侧的换热属于有相变换热，空气流经蒸发器时状态的变化可用湿空气的h-d图来表示。绝热混合过程dh12h3h23h1d1d2ma2ma1ma3d3ma1ma2=12、蒸发器的接触系数maxmax1111ss()()()msmKWqhhqhhhm质量流量为q的湿空气流经蒸发器时，仅有部分空气与冷表面接触，其余则旁通而过。显然，接触冷表面的空气越多，出口空气的状态越接近冷表面处饱和空气的状态，理想情况下出口空气的状态可以达到点S的状态。理想情况下空气与蒸发器冷表面的换热热流量为：接实际情况下的换热热流量为：触系数：1111111110101t1t1;1sssssstththhttttCtC与点状态相对应的空气湿球温度，与点状态相对应的空气湿球温度，。ss31exp()//;/();aypaypaNucumskgmckJkgKN2ofY2ofY式中：外表面显热传热系数，kW/(mK)；迎面风速，；空气密度，干空气比定压热容，沿气流方向翅的大小反映了空气与冷表面之间热、湿交换的完善程度，反映了蒸发器的冷却效率，a--翅通系片管排数；A，a=NAA和A分别为蒸发器总外表面积和迎风面积，m数。00S00SWs0327,19.5,35,24,15%0.9,6976,1395/,101325NNWVBtCtCtCtCmWqmhpPa已知：室内空气状态参数为干球温度湿球温度室外空气状态参数为干球温度湿球温度新分析空气通过蒸发器时的状态变化：风比，接触系数蒸发器的传热量送风量大气压力。求空气经过蒸发器后的出口状态参数。,,,101325Pa55.8/,72.1/NSNWSWttttkJkgkJkgBNW根据的数值，在p的湿空气的h-d图上确定室内、外空气的状态点N及W，hh。111001()()m,(1)(1)58.3/128.2,20.2mWmWmmmWWmNNmWmmNmWNSqqqqhqhqhqqqmqhmhmhkJkgNWNWhCtCh11新风室外空气，回风室内空气，混合后总风量。蒸发器的进口空气状态参数：而所以蒸发器的进口空气状态点应在点、的连线上，即线与的交点。t。空气通过蒸发器时的质量焓降为：h=h0110011115/k15.5()(1)16.3110.5/VSskJKgqhCttChddgkg1S11S11S1出口空气比焓为：hh=43.3J/kg查湿空气的性质表可得出口空气的湿球温度：t出口空气的干球温度：tt由t、t可在图上确定出口空气状态点，。3、表面凝露时的传热系数ttaasss空气流经表面式空气冷却器的蒸发器时，由于空气冷却器的外表面温度低于湿空气的干球温度，所以湿空气要向外表面放热。如果外表面的温度低于湿空气的露点温度，湿空气中的部分水蒸气将在外表面上凝结，使外表面形成一层水膜，那么两者之间要进行显热交换和潜热交换。空气与dA的水膜接触时，如两者温差为（-t），则通过dA的显热交换热流量为：d（-t）dA式中：外表面的显热传2/()tWmKs热系数，（-t）湿空气与水膜之间的温度差，基本等于湿空气干球温度与外壁面温度之差。dd/d[()()]1,[()()],llassapssppdkgkgdttddrdALecttdddAchctrds2ss在微元面在微元面上的潜热交换热流量=（-d）rdA式中：--传湿系数，kg/(ms)；,d湿空气、水膜表面饱和湿空气的含湿量，（干空气）；r--水的比潜热，J/kg。d=引入路易斯数则：d=引入湿空气的比上总交焓换热流量apcss则：d=（h-h）dA=（h-h）dA可推动湿空气与水膜表面之间热湿交换的动见：力是比焓差。11s11s0p,p,0h()d()d()()KpasaaeaemahcttdttdAttdAttdAKAtp0=所以，对于翅片管：以基管外表面温度t为计算基准，湿工况下翅片管外表面的当量传析湿系数：热系数；空气冷却器的表面效率；直接蒸发式空气冷却器的总传热热流量若忽传热系数为略管壁热阻和管内污垢热阻，则1则=1[：：,,1aeieiioA1r+r+]A其中：r外表面集灰等所形成的污垢热阻。4、表面结霜时的换热1001[];/();1()frafrfrfrdiimWmKeKra,e当蒸发器表面的温度低于水的凝固点时，从湿空气中析出的凝结水还会凝固在表面上形成霜层，表面结霜后总体的结果是使蒸发器的性能恶化。表面结霜时，蒸发器外表面的当量传热系数为：式中：霜层的厚度，霜层的导热系数，考虑水膜或霜层的形成会使传热系数下降，此时蒸发器的传热系数：0011()0.80.9domaaArAee0式中：霜层、水膜及温度分配不均匀对K的影响系数，。设计步骤确定空气流经蒸发器的状态变化；计算循环空气量；蒸发器结构的初步规划；计算空气侧干工况下对流表面传热系数；计算空气侧当量对流表面传热系数；计算管内制冷剂蒸发时对流表面传热系数：假设管内热流密度，确定制冷剂质量流速，这些假设值在后面必须校核；计算蒸发器的传热系数并核算假设的管内热流密度；具体确定蒸发器的结构尺寸；制冷剂侧流动阻力核算；空气侧流动阻力核算。设计实例00000112719.51345101.3217.514.6116001340.16,1.0,CCRaCkPaCCWRaxxa1s10Ba1s10试设计一台表面式空气冷却器的蒸发器。进口空气的干球温度t，湿球温度t；管内的蒸发温度t，当地大气压力p；要求出口空气的干球温度t，湿球温度t，蒸发