第六章 热交换过程及换热器.ppt

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1、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,-通过平壁的热流量，W；A-传热面积，m2；k-传热系数，W(m2K)。上式可改写成热流密度q的形式：q=/A=kt Wm2,6.1.1 通过平壁的传热,对于无内热源、热导率为常数、厚度为两侧流体温度为tf1

2、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1，2，n，且为常数，厚度分别为1，2，n，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

3、管外表面面积Ao为基准，相应的热流量为：,单位管长传热密度l为,kl=kodo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dodi2时，上式简化为：,为圆管壁厚，m；为圆管热导率，W(mK)；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

4、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

5、相变换热(沸腾或凝结)，其表面传热系数一般在500 W(m2K)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50 W(m2K)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，肋侧的热流量为：,A1-未加肋侧的面积，A2-加肋侧的肋基面积，A2-肋片面积，A2-肋侧总面积，A2=A2+A2；tw2-肋基温度，t”w2-肋片平均温度，-肋壁材料的热导率，为常数，ho-肋侧表

6、面传热系数，为常数，f-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=A2/A1,加肋后，肋侧的对流换热热阻是1/(ho)，而未加肋时为1/ho，加肋后热阻减小的程度与()有关。由肋化系数定义易知1，其大小取决于肋高与肋间距。增加肋高可以加大，但增加肋高会使肋片效率f降低。减小肋间距也可以加大，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=35时，一般选择较小的低肋；

7、当hi/ho10时，选择较大的高肋。,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dodi2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

8、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

9、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tmaxtmin2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，

10、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t1、t2和最低温度t1、t2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。,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

11、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

12、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

13、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

14、；(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；(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=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t1和t2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

15、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；(5)比较和，如果两者相差较大(如大于2或5)，说明步骤(1)中假

16、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，直到和值的偏差小于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。,1干式蒸发器,特点：制冷剂在

17、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库，以直接对库房进行冷却，也用于间接式制冷系统。如空调制冷站、制冰系统等，先用制冷剂冷却载冷剂，再通过载冷剂传递冷量。,图6-6 干式蒸发器示意图,6.2.1 蒸发器的结构,1干式蒸发器,在正常运转条件下，干式蒸发器中的液体体积约为管内体积的15-20。增加制冷剂的质量流量，可增加液体润湿面积，但蒸发器进、出口处的压差将因流动阻力的增大而增大，从而降低了性能系数。在多管路组成的蒸发器中，为了充分利用每条管路的传热面

18、积，应将制冷剂均匀地分配到各条管路中去，每条通道有相同的流动阻力.制冷剂经分配器进入各条管路中。管道的布置应使蒸发后的制冷剂与温度最高的气流接触，以保证蒸气进入压缩机吸气管道时略有过热。,6.2.1 蒸发器的结构,分配器,(1)干式壳管式蒸发器,直管式干式蒸发器：制冷剂在管内流动沸腾，载冷剂在管外流动。机器运转时制冷剂从左端盖进入，经一次(或多次)往返后汽化，产生的蒸气从右端盖引出。由于制冷剂在汽化过程中蒸气量逐渐增多，比容不断增大，在多流程的蒸发器中每流程的管子数也依次增多，以适应比容的增大。载冷剂从蒸发器的右端进入，左端流出。为了提高载冷剂的流速，并使载冷剂更好地与管外壁接触，在蒸发器壳体

19、内装有折流板。折流板的数量取决于载冷剂流速的大小。直管式干式蒸发器采用光滑管或具有纵向肋片的内肋片管。由于载冷剂侧强迫对流的表面传热系数较管内高，一般强化传热采用内微肋管。,图6-8 直管式干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,(1)干式壳管式蒸发器,U型管干式蒸发器：蒸发器的壳体、折流板以及载冷剂在壳侧的流动方式与直管式干式蒸发器相同。两者的不同之处在于U型管式是由许多根不同弯曲半径的U型管组成。U型管的开口端胀接在管板上，制冷剂液体从U型管的下部进入，蒸气从上部引出。U型管式蒸发器的管组可预先装配，而且可以抽出来清除管外的污垢，还可消除由于材料的膨胀而引起的内应力。制冷剂在流动过程中始终沿

20、同一管道流动，分配比较均匀，因而传热效果较好。缺点是制造管组时要用不同的模具；不能使用纵向内肋片管，因为当管组的管子损坏时不易更换。,图6-9 U型管式干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,管板,隔板,折流板,(2)板式换热器,组装式板式换热器：由若干片压制成型的波纹状金属传热板片叠加而成，板四角开有角孔，相邻板片之间的边沿用特制的密封垫片隔开，使冷、热流体分别由一个角孔流入，间隔地在板间沿着由垫片和波纹所围成的流道流动，然后从另一角孔流出。组装式板式换热器具有拆装清洗方便的优点，但耐压能力有限。,6.2.1 蒸发器的结构,(2)板式换热器,组装式板式换热器：,6.2.1 蒸发器的结构,(2)

21、板式换热器,整体钎焊式板式换热器：此种板式换热器的换热板片与组装式相同，板片端部整体钎焊，承压能力高，但清洗不便，使用时应注意保证流体的清洁。,6.2.1 蒸发器的结构,(2)板式换热器,传热板片的型式：传热板片是板式换热器的关键元件，不同型式的板片直接影响到传热系数、流动阻力和耐压能力。板片的材料通常为不锈钢，国内有的厂家采用铝合金板片。板片波纹形状有锯齿形、水平波纹形、人字形等。目前，换热板片多采用人字形。,-锯齿形板片，-水平波纹板片，-人字形板片,6.2.1 蒸发器的结构,(2)板式换热器,传热系数：板式换热器是目前紧凑式换热器中单位体积换热能力最高的换热器之一，当两侧工质为水时，传热

22、系数可高达到5 0007 000 w(m2K)，由于氟利昂类制冷剂在板片间流动沸腾时表面传热系数较水强迫对流换热时小，用作此类制冷剂的蒸发器时，换热器的传热系数低于此值。优点：与其他形式换热器相比，具有传热系数高、阻力相对较小、结构紧凑、金属消耗量低、传热面积可通过调整片数灵活变更。应用：组装式已有用于溴化锂吸收式冷水机组中作为冷凝器和蒸发器的报道，而整体钎焊式已被广泛用于小型水源热泵机组作为蒸发器。,6.2.1 蒸发器的结构,(3)冷却空气型干式蒸发器,也称为直接蒸发式空气冷却器，广泛用于冰箱、冷藏柜、空调器及冷藏库中。此类蒸发器多做成蛇形管式，制冷剂在管内流动沸腾，空气在管外流过而被冷却。

23、为强化空气侧的换热，管外侧常装有各类肋片。,自然对流式,强制对流式,管板式吹胀式单脊翅片管式冷却排管,冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,6.2.1 蒸发器的结构,(3)冷却空气型干式蒸发器,管板式蒸发器,管板式蒸发器有两种典型结构，图6-12a所示的蒸发器是将紫铜管贴焊在钢板或薄钢板制成的方盒上。这种蒸发器制造工艺简单、不易破损泄漏，常用于直冷式冰箱的冷冻室。在立式冷冻箱中，此类蒸发器常做成多层搁架式，具有结构紧凑、冷冻效率高等优点。,图6-12b的管子装在两块四边相互焊接的金属板之间。蒸发器的管子和金属板之间充填共晶盐，并抽真空，使金属板在大气压力作用下紧压在管外壁，保证管板间

24、的良好接触。充填的共晶盐用于蓄冷。此类蒸发器常用于冷藏车的顶板及侧板，也可用作冷冻食品的陈列货架。,6-12 管板式蒸发器,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,吹胀式蒸发器,吹胀式蒸发器目前在国内外家用冰箱、冷柜中使用得较普遍。预先以两层铝板或铝-锌-铝三层金属板按蒸发器所需的尺寸裁切好，平放在刻有管路通道的模具上，通过加压、加热，并以高压氮气吹胀成形。,图6-13 铝复合板吹胀式蒸发器,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,吹胀式蒸发器,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,吹胀式蒸发器,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,

25、吹胀式蒸发器,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,单脊翅片管式蒸发器一般用厚度为0.25 mm的铝板，使它弯曲成6.5mm的管形通道，其翅高在2026mm 之间，翅厚一般为0.5mm。特点是单位长度的制冷量小、工艺简单，并易于清洗，常在直冷式双门双温冰箱中用作冷藏室的蒸发器。,单脊翅片管式蒸发器,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,单脊翅片管式蒸发器 三维图,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,冷却排管式蒸发器,冷却排管主要用于各种冰箱、低温试验箱及冷库的冷藏间中。小型制冷装置中的冷却排管一般为蛇形管式，通常为光管，也有翅片管。光滑管式：光

26、滑管式蒸发器通常用于空气自然对流的冷藏室，传热系数较低，但设备简单。翅片管式：是在光滑管上套金属片或绕金属带后制成的。氟利昂翅片管式冷却排管一般是在直径为6 mm的紫铜管外套0.3-0.5 mm的铝翅片，翅片间距为1015 mm。翅高为2035 mm。由于肋片的作用，提高了蒸发器外侧的传热效果。有些肋片直接焊在管壁上，有些使用高压流体或机械方法使管径扩张，达到管壁和肋片的良好接触。,图6-14 吊装在冷库房顶上的翅片管式顶排管,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,表面式蒸发器（强制对流式）,强制对流空气冷却式蒸发器（表面式蒸发器）常用于小型制冷装置中，蒸发管一般做成蛇管，并在

27、管外装有各种类型的翅片，以强化空气侧的换热。此类蒸发器需配置风机，实现空气的强制对流。蒸发管外面的翅片最常见的是缠绕圆翅片和整体穿片式，整体穿片式有平直大套片、波纹形翅片、条缝形翅片等。,图6-15 缠绕圆翅片,(3)冷却空气型干式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,表面式蒸发器（强制对流式）,蒸发管组在低温下冷却空气时，水分有可能在肋片和管子上冻结成霜，影响空气的流通。结霜工况：低温下使用的蒸发器应采用较大的片距，通常取612 mm。非结霜工况：当蒸发器用于空气调节或蒸发温度在水的凝固点以上时，肋片和管子上不会结霜，此时可用较小的片距，一般取24 mm，最小可取1.6 mm。,干式蒸发器的优点

28、,6.2.1 蒸发器的结构,（1）充液量少，系统中不需要储液器或只要小的储液器，从而使整台机器的重量和体积减小；（2）适用于氟利昂系统，便于把蒸发器中的润滑油排回压缩机；（3）由于载冷剂在管外流动，消除了管道冻结的危险（4）可用热力膨胀阀供液。,(1)受管内制冷剂液体对管壁润湿程度的影响，干式蒸发器的传热系数较低；对于干式壳管式蒸发器：(2)折流板与壳体之间以及折流板与管子之间存在间隙，易使载冷剂发生泄漏，影响传热效果；(3)当出口蒸发温度不变时，入口蒸发温度由于流动阻力的存在而增高，因而使传热温差减小；(4)折流板的结构及装配工艺比满液式蒸发器复杂，管外污垢只能用化学方法清洗。（5）装配工艺

29、较复杂。,干式蒸发器的缺点,2 再循环式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,再循环式蒸发器中制冷剂需经过多次循环才能完全汽化。从蒸发管出来的两相混合物进入气液分离器，分离出的蒸气被吸入压缩机内，液体再次进入蒸发管中沸腾吸热。在再循环式蒸发器的管子中，液体所占的体积约为管内总容积的50，因而管子内表面得到良好的润湿。,2 再循环式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,如果液体用泵循环，最好将气液分离器安装在压缩机附近，这样管路损失可以小一些，在图6-20所示的回路中，气液分离器有水平的和垂直的两种。不管采用哪一种型式的气液分离器，都必须保证循环泵入口处的液柱高度，同时要有充分的空间进行气液分离。制冷剂

30、在气液分离器内的流速(按分离器的直径计算)应低于0.5 ms。,图6-20 用泵输送液体的再循环式蒸发器,2 再循环式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,直立管冷水箱式蒸发器是一种典型的再循环热蒸发器，这种蒸发器只用于氨制冷机。蒸发器的每一个管组上都装有上、下两个水平集管，沿集管的轴向焊有直径较小、两端略弯的主管，中间焊接一个直径稍大的直立管，管中插有中间进液管。整台蒸发器浸在水箱中。,图6-18 立管式水箱型蒸发器1-液体过滤器；2-节流阀；3、5、12、14、15、16-截止阀；4-气液分离器；6-上集管；7-搅拌器；8-立管；9-下集管；10-水箱；11-集油器；13-浮球阀,水箱式蒸发器

31、的特点,6.2.1 蒸发器的结构,占地面积大，结构不紧凑，用于非整体机组的系统；直立管和螺旋管式适用于氨制冷系统，盘管式适用于氟利昂系统；有蓄冷能力；蒸发器水容量大，热稳定性好，水温波动较小。只能使用非挥发性载冷剂；易积油。,2 再循环式蒸发器的应用及优缺点,6.2.1 蒸发器的结构,应用场合：除空调制冷站的氨水箱式蒸发器外，再循环式蒸发器还广泛用于冷藏库、人工冰场等制冷系统中。优点：与干式蒸发器相比，再循环式蒸发器的主要优点是蒸发管的内壁能够充分湿润，因而表面传热系数较高。缺点：主要缺点是体积大，需要的制冷剂多。在用泵输送液体的再循环式蒸发器中，需屏蔽泵等设备。,3 满液式蒸发器,6.2.1

32、 蒸发器的结构,特点：（1）制冷剂在管外沸腾，液体载冷剂在管内流动；（2）载冷剂的进出口设在端盖上，取下进上出走向。制冷剂液体从壳体底部或侧面进入壳内，蒸气由上部引出后返回到压缩机。（3）采用浮球阀供液，广泛用于氨制冷系统和离心式制冷机中。,3 满液式蒸发器的优缺点,6.2.1 蒸发器的结构,优点：制冷剂液体对传热壁面湿润性好，沸腾传热系数较高。缺点：(1)制冷剂的充灌量大。对价格较贵的氟利昂制冷剂，这个缺点显得更为突出；(2)当蒸发器壳体的直径较大时，受液体静压力的影响，底部液体的蒸发温度将有些提高，减少了蒸发器的传热温差。蒸发温度愈低，这种影响愈大。对于氟利昂，因其密度较大，静压高度影响将

33、更为显著；(3)对于氟利昂蒸发器，制冷剂中溶解的润滑油较难排出；(4)当用作船用制冷装置时，船体的摇摆有可能使制冷剂液体进入压缩机。(5)以水为载冷剂时，若蒸发温度降低到0以下，管内可能会结冰，严重时会导致传热管胀裂。(6)以水为载冷剂时，蒸发器水容量小，热稳定性差，水温波动较大。,4 淋激式蒸发器,6.2.1 蒸发器的结构,为了克服满液式蒸发器的缺点，将制冷剂从蒸发器底部抽出，用泵输送到壳顶后喷淋下来。这种蒸发器称为淋激式蒸发器，采用淋激式蒸发器，壳体中的液位可以很低，消除了因高液位造成的液体上、下部温度的不均匀，并减少了充灌量，但增加了泵和管路。,淋激式蒸发器,1 单组分制冷剂在管内的流动

34、沸腾换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,流动沸腾换热涉及气泡的发生、生长以及脱离加热表面的机制，又涉及到工质宏观定向运动规律，可以看作核沸腾与强迫对流换热的综合。著名的陈氏(Chen)模型即基于此：,hi-管内流动沸腾表面传热系数，W(m2K)；hs-液相单独流过管内的强迫对流表面传热系数，W(m2K)；hn-核态沸腾表面传热系数，W(m2K)f-由于管内沸腾，液相转化为气相使液相强迫对流换热增强的因子，称为增强系数，f1；s-考虑强迫对流和大空间核态沸腾按百分比进行叠加的系数。,1 单组分制冷剂在管内的流动沸腾换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,在20世纪80年代初，随着对制冷剂管内流动

35、沸腾换热研究的不断深入，不断改进和完善管内流动沸腾模型，提出了一些适用于多种制冷剂的半经验通用关联式。影响较大的有：1982年，夏(Shah)提出的通用关联式；1986年，冈戈尔(Gungor)和温特劳(Winteron)提出的通用关联式；1987年，凯特里卡(Kandlikar)提出了经过改进的具有更高精度的通用关联式。涉及的工质有水、R11、R12、R1381、R113、R114、R152a、R134a、氮、氖等，凯特里卡的关联式可表示为：,(6-28),1 单组分制冷剂在管内的流动沸腾换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,近年来，蒸发器中广泛采用微细内肋管。管内的微肋数目一般为60-70

36、，肋高为0.1-0.2 mm，螺旋角为10-30其中对传热性能和流动阻力性能影响最大的参数为肋高。微细内肋管有两个突出的优点：与光管相比它可以使管内蒸发表面传热系数增加1.63倍，压降的增加却只有12倍，即传热的增强明显大于压降的增加；微肋管与光管相比，单位长度的重量增加得很少，同样换热负荷下材料耗量少。对流换热增强因子：微肋管表面传热系数与其当量直径光滑管的表面传热系数的比值，是评价高效强化传热管的指标之一。由于一些形状复杂的强化传热管的实际传热面积难以准确确定，所以在一般对流换热增强因子中，强化传热管的表面传热系数是按等内径、同样长度光管定义的名义表面传热系数，而不是按实际换热面积定义，故

37、增强因子实际上包括了对换热面积扩展导致的强化传热作用。,2单组分制冷剂在板式换热器中的流动沸腾换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,随着板式换热器的应用向制冷系统的扩展，制冷剂在其内的流动沸腾研究引起了一定关注，但除了各生产厂家的一些为用户提供选型的资料外，迄今尚无通用关联式。有关换热器的一些专门著作，提到的沸腾计算方法基本是基于水流动沸腾的一些经典计算方法，如前述陈氏方法，尚缺乏对制冷剂的专门试验数据支持。在尚不多见的文献中，2002年Hsieh等对R134a、R410a在人字形板片板式换热器内流动沸腾的实验数据关联式可作为设计计算参考，关联式如下：,h-沸腾表面传热系数，W(m2K)；Bo

38、-沸腾特征数，见式(6-28)；hl-液相单独流过时的表面传热系数，由下式计算：,3 单组分制冷剂在满液式蒸发器中的沸腾换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,制冷剂在水平光管束外大空间内沸腾时，广为采用的计算式仍为米海耶夫大容器饱和沸腾公式，沸腾表面传热系数为h0为：,q-热流密度；系数a和指数b与制冷剂种类及热流密度有关，由对制冷剂的实验得出。当热流密度q2 100 Wm2 时：对于R717：a=103，b=0.25当热流密度q2 100 Wm2 时：对于R717：a=4.4(1+0.77t0)，b=0.7，t0为蒸发温度。对于低肋管，氟利昂的沸腾表面传热系数与光管时相近。,4 表面式蒸发器

39、空气侧强制对流换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,干工况：表面式蒸发器换热过程中，湿空气的含湿量保持不变的工况。由于叉排管束对流换热性能好于顺排，目前表面式蒸发器多采用叉排。对平直套片叉排的蒸发器，当排数为4-8排时，管外对流换热的传热因子由著名的麦克奎勋(McQuistion)关联式计算：,(1)干工况,j-传热因子；Red-以管外径为特征尺度的空气雷诺数；a-空气的密度，kgm3,cp为空气的比定压热容；do-管外径，m；a-空气的粘度，Pa.s；At-总外表面面积，m2；Ao-光管管束的外表面面积，m2；umax-翅片间最大流速，m/s；St-斯坦顿数，研究强制对流的准数。,4 表面式

40、蒸发器空气侧强迫对流换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,当排数小于4时，上式应进行排数修正，计算式为（N为管排数）：,在做换热器设计计算时，还应求得肋片效率。平直套片的肋片效率可由下式计算：,其中，,f-肋片材料的热导率，w(m.K)；肋片厚度，m；h-肋片的折合高度，m。,双曲正切函数thx=（exex）/（exex）,4 表面式蒸发器空气侧强迫对流换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,折合高度h可按下式计算：,对长方形翅片：,其中A和B是长方形的长边与短边，A=B时则为正方形。,对六角形翅片：,其中A和B分别是六角形的长对边距离与短对边距离。,4 表面式蒸发器空气侧强迫对流换热,6.2.

41、2 蒸发器内的对流传热,(2)湿工况,湿工况：当湿空气流过表面式蒸发器时，如翅片表面温度低于空气的露点温度，空气中含有的水蒸气将在翅片表面上凝结，一般也称为结露。湿工况对换热的影响:（1）由于液膜的波动，流经蒸发器的表面传热系数将增大；（2）在显热对流换热的同时发生水蒸气凝结的潜热传递。,（3）然而，湿工况时翅片效率明显下降，最大可下降30。,使结露时的总传热系数比干工况时高出3050。,由于表面传热系数的增加与翅片效率的降低起着相反的作用，因而总传热系数比干工况时只增加10左右。,4 表面式蒸发器空气侧强迫对流换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,湿工况对压降的影响：,结露时由于析出的水分附

42、着在翅片表面上，使空气流过蒸发器的阻力大为增加,当液膜连结成为“液桥”时，对传热和流动均不利。因而，湿工况下工作的表面换热器，肋片间距应大于干工况时的肋片间距。在风机功率不变条件下，空气阻力的增加使湿工况下的风量明显低于干工况下的风量。解决办法：采用亲水膜表面处理技术，在翅片表面上涂覆亲水性的涂层，包括特殊的树脂漆、合成硅石和一些表面活性添加剂。涂覆的方法是对整个翅片管束进行整体浸涂。这些涂覆层的作用是尽可能减小水和翅片表面的润湿角，使凝结水膜极易从翅片表面流下。与不涂覆的翅片比较，经涂覆处理后的翅片表面，其湿工况时的阻力可减小40。,4 表面式蒸发器空气侧强迫对流换热,6.2.2 蒸发器内的

43、对流传热,结霜对传热和压降的影响：,当蒸发器表面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，表面结霜后对蒸发器性能的影响主要为：（1）在肋片外表面附加了霜层的导热热阻；（2）结霜使肋片间的空气通流截面变窄，在风机功率一定的情况下，由于阻力增大，风量减小，使空气与霜层表面间的对流换热减弱，其影响更大。,对于翅片管式蒸发器，霜层厚度随时间的变化可由下式估算：,umax-最窄截面中的质量流速，kg(m2s)；-空气的相对湿度；Ct-温度系数Ct=0.940.97，；-结霜时间，h。,5 其他条件下的单相对流换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,(1)空气自然对流换热 自然对

44、流表面传热系数远小于强迫对流，在计算此类空气冷却器空气侧表面传热系数时，必须同时考虑空冷器表面与外界的辐射换热。因为在室温条件下，辐射换热与自然对流换热处于同一数量级，如计算冷库内冷却排管与空气间的换热时，辐射换热所占的比例就较大，有时可占总换热量的4050。管板式和吹胀式蒸发器：冰箱中常见的管板式和吹胀式蒸发器，可以看作是一种复杂的翅片式换热器，其肋化系数仍可定义为蒸发器外表面面积与管外表面面积之比。一般冰箱的管板式蒸发器，其肋化系数在3.54.5之间，而吹胀式蒸发器的肋化系数在4.56.0之间。目前尚无精确计算该类蒸发器外表面的自然对流换热和辐射换热通用的计算方法，主要仍依赖经验数据，一般

45、家用冰箱采用的管板式与吹胀式蒸发器的表面传热系数在1114 W(m2K)之间(未结霜状态)。,5 其他条件下的单相对流换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,(2)管内强制对流换热,制冷机管内的流动多数为湍流，可采用广为应用、形式简单的迪图斯-玻尔特(Dittus-Boelter)公式进行计算，公式为：,-流体的热导率，w(mK)；di-管内径，m；定性温度取流体平均温度。计算Re时，取u为流体的平均速度，ms。上式的适用范围是Ref104以及Prf=0.72 500。如果管道截面不是圆形，特性尺度应取其当量直径do，但对偏离圆断面形状较远的通道，最好采用专用关联式。,流体在螺旋管内或螺旋形槽道

46、内流动时，换热过程有所增强，其表面传热系数可先按式(6-36)计算，再乘以校正系数：,(636),螺旋管的曲率半径，m。,5 其他条件下的单相对流换热,6.2.2 蒸发器内的对流传热,(3)管束外横向绕流时的对流换热,对于光管束强制对流，当流体流动方向与管轴线垂直，Ref=200200000时，平均的表面传热系数可按下列关联式计算：,空气：顺排管束 叉排管束,液体：顺排管束 叉排管束,由于前排对后排的扰动，管束表面传热系数随管排数n增加而增大，当n10时可忽略不计。对于沿流动方向有n排管子的管束，上述公式应乘以管排校正系数n，见表6-3。,5 其他条件下的单相对流换热,6.2.2 蒸发器内的对

47、流传热,(3)管束外横向绕流时的对流换热,当流体在具有折流板的壳管式换热器管束外流动时，对镗削筒体，表面传热系数为：,筒体不镗削时，表面传热系数略低，计算公式为：,计算时取流体的平均温度为定性温度；取管外径为特性尺度；Ref按壳体中心线附近管间横流截面上的流速与折流板缺口处流速的几何平均值计算。,以上介绍的对流换热计算式并不能涵盖所有，应根据具体对象参阅必要的设计参考资料。,1 流动压降,6.2.3 蒸发器的传热计算,(1)干式壳管式蒸发器,在蒸发器中，被冷却介质的流动阻力直接影响制冷系统的运行工况，因而也影响着系统的经济性。下面对几种典型蒸发器涉及到的流动压降计算作简要介绍。,管外液体载冷剂

48、纵向混合流动，使用圆缺形折流板时，纵向流速ub是折流板缺口中的流速，如图6-24所示。,管外液体载冷剂的纵向流速ub,图6-24干式壳管式蒸发器壳侧的流通截面,qv-体积流量，m3s；Ab-折流板的缺口面积，m2。,若折流板的缺口高度为H，其中包含有nb根传热管(图中，nb=5)，管外径为do，则,Kb-折流板缺口面积的折算系数,6.2.3 蒸发器的传热计算,管外液体载冷剂的横向流速uc,图6-24干式壳管式蒸发器壳侧的流通截面,qv-体积流量，m3s；Ac-壳体直径附近的横向流通面积，m2。,横向流速uc为壳体中心线附近的流速，即：,nc为壳体直径附近的管数；L为折流板间距，m。在蒸发器两端

49、，为了安装进、出口管而使折流板的间距较大，L应取Li(图6-24)的加权平均值。,6.2.3 蒸发器的传热计算,载冷剂压降,载冷剂压降由四部分组成：流经进、出口管接头时的阻力，流经折流板缺口时的阻力，与管子平行流动时的阻力以及横掠管束时的阻力。,流经每块折流板缺口时的阻力：,流体横掠管束时的阻力：,层流(Re100)时：,f-阻力系数s-管子的中心距,湍流时：,其余两项阻力按一般的公式计算。,6.2.3 蒸发器的传热计算,制冷剂压降,制冷剂在管内流动沸腾的压力降包括沿程阻力pl及局部阻力pm，即：,f-沿程阻力系数；l-传热管的长度，m；di-管内径，m；ug为制冷剂饱和蒸气的流速，ms；g-

50、制冷剂饱和蒸气的密度，kgm3；R-两相流动阻力换算系数，与制冷剂的种类及质量流速有关.Reg-对应于单根管内平均流速的制冷剂饱和蒸气雷诺数，特征尺度为管内径。,实验表明，沿程阻力约占总阻力的2050，因而总阻力为：,6.2.3 蒸发器的传热计算,（2）表面式蒸发器空气流动压降,空气横向流过整体翅片管式换热器时，流动压降可由下式计算：,qm,max-最小流通断面处空气的单位面积质量流量，kg(m2s)；n-管排数；-以平均温度为定性温度的空气密度，kgm3；f-摩擦阻力系数，由下式计算：,-空气的粘度，Pa.s；do-光管外径，m；s1-管间距，m；s-肋片间距，m；de-当量直径，按下式计算