制冷與空調用套管換熱器強化換熱研究

張海濤 ZHANG Hai-tao

（合肥通用職業技術學院，合肥 230031）

0 引言

換熱器也稱熱交換器，是把熱量從一和種介質傳給另一種介質的設備。換熱器是各種工業部門最常見的通用熱工設備，廣泛應用于化工、能源、機械、交通、制冷、空調及航空航天等各個領域。換熱器不僅是保證某些工藝流程和條件而廣泛使用的設備，也是開發利用工業二次能源，實現余熱回收和節能的主要設備。制冷換熱器是在制冷行業和制冷系統中使用的，用以實現冷量傳遞和冷量回收的設備，常見的形式有冷凝器、蒸發器、風機盤管和組合式空調機組等等。

1 套管換熱器傳統基本結構和換熱原理

1.1 套管換熱器基本結構

傳統套管換熱器利用同軸雙層套管的形式進行制冷系統冷量的傳遞，內層管走換熱介質冷凍水，內層管與外層管之間走制冷劑，利用流體對流換熱的形式進行熱量傳遞，具體結構如圖1。

圖1 套管式換熱器原理圖

如圖1所示為套管式換熱器的構造簡圖，它由不同直徑的兩種管子套在一起組成同軸套管構成。小圓管內流過一種流體，小圓管外壁與大圓管內壁質檢形成環形空間流過另一種流體。小圓管的管壁就形成隔在兩種流體之間的傳熱壁面。在實際設計和制造這種換熱器時，采用同軸套管以螺旋式結構堆疊在一起，以減小換熱器占用空間，提高空間利用率。

1.2 套管換熱器的熱阻計算

在換熱器傳熱計算過程中，通常以經典熱力學公式作為基礎進行計算如圖2所示，兩種流體在壁面間傳遞熱量時，符合經典熱力學穩態導熱的傳熱方程，即為：

圖2 換熱器傳熱原理圖

其中，?表示傳熱過程中的熱流量，單位為w；K表示壁面間的傳熱系數，單位是w/（m·℃）；F表示換熱面積，單位是m，Δt表示兩壁面之間的溫差，單位為℃。

在研究換熱器在傳熱過程中的規律，通常以傳熱系數的倒數來表示熱傳遞過程中的阻力，我們稱為熱阻，這樣就可以套用電學的基本規律來研究傳熱學。套管式換熱器在換熱過程中，除了壁面本身的熱阻之外，兩種流體與壁面之間換熱的時候，也會存在熱阻，這種熱阻我們稱之為對流換熱熱阻。不同的流體介質具有不同的性質，在換熱時也會以不同熱阻的形式呈現。如圖3所示。

圖3 對流換熱熱阻示意圖

以電學中的歐姆定律來描述傳熱學中的熱流量，這個方程可以寫成如下形式：

式中，t和t為換熱器表面兩側流體的溫度；R為流體1與壁面傳熱時的對流換熱熱阻；R為流體2與壁面傳熱時的對流換熱熱阻，R為壁面本身的熱阻。從公式（1）和（2）可以看出總熱阻可以描述為各串聯熱阻之和，公式如下：

這種以對流換熱形式進行的熱量傳遞，其熱阻包含以下幾個方面：

①熱流體側對流換熱熱阻R，包括該側擴展表面或肋片的溫度不均勻性產生的熱阻；

②壁面本身的傳熱熱阻R；

③冷流體側對流換熱熱阻R，包括該側擴展表面或肋片的溫度不均勻性產生的熱阻。

2 套管換熱器結構改進設計

從公式（3）可以看出，如果想讓換熱器在換熱過程中的熱流量提高，可以從以下幾個方面來進行，首先可以增加換熱器的傳熱表面，傳統增加傳熱表面的方式是在管內增加肋片的形式。其次是可以減小換熱過程中的熱阻，熱阻有三個方面，冷流體側的換熱熱阻，熱流體側的換熱熱阻和管壁本身的換熱熱阻。換熱器管壁本身的熱阻跟換熱器材料有關，流體側的對流換熱熱阻的大小跟流體本身的流動形式有關。普通制冷劑和水等流體在常規流速的情況下是以紊流狀態存在的，但是可以通過螺旋流動的方式增加其繞動，從而可以降低其對流換熱熱阻。流體的螺旋流動可以通過在管內壁和外壁增加螺旋肋片的形式來實現。這種方式不僅可以增強流體擾動，降低換熱熱阻的情況下，同時可以降低在流體流動過程中的阻力。既可以增強換熱效率，又可以在系統運行過程中降低水泵能耗，起到節能的效果。

套管式換熱器為了強化換熱，可以對套管換熱器進行以下改造：①套管內管內壁采用螺旋肋片結構；②內管外壁采用螺旋肋片結構。

2.1 套管內管內壁采用螺旋肋片結構

制冷套管換熱器的外管內壁采用螺旋肋片結構，可以使流體在流經管路的過程中增加流程，從而增加換熱效率，同時由于流體在螺旋結構的引導下，以渦流形式流動增加的在與壁面的對流換熱過程中的擾動，使對流換熱系數大大增加，第三個方面，內壁的螺旋結構增加的換熱面積，增加了換熱量，如圖4所示。

圖4 套管換熱器外管內壁螺紋示意圖

在換熱器適用圓管壁面導熱是，傳熱的熱流量為：

式中d為圓管壁的外徑，單位為m；d為圓管壁的內徑，單位為m；L為圓管壁的長度，單位為m；λ為圓管壁材料的導熱系數，單位為W/（m·℃）。

由此我們可以得出在圓管導熱的情況下的熱阻為：

由式（5）可以得出，如果想降低在傳熱過程中的熱阻，有兩種方法可以實現，其一就是通過增加管長，可以降低熱阻；其二就是增大圓管內徑。換熱器受到自身空間大小的限制，要增加管長很難實現；增大圓管內徑勢必要減少壁厚，壁厚降低的情況下會降低管路強度，因此，在這樣的情況下，采用的唯一方法就是以在圓管內壁增加肋壁的方式來增加圓管內徑。

在換熱器表面一側采用肋壁的形式來強化傳熱，是一種增強換熱器傳熱性能的有效方法，如圖5所示。如房間空調器的蒸發器、冷凝器等都適用肋片來強化傳熱。肋片的形狀有很多種，如片狀、條狀、柱形、齒形等等。套管換熱器其內部增加的肋壁，有流體通過的情況下，為了降低阻力，其肋壁的形狀宜采用圓角的形式，如圖5所示，設肋和壁是同一種材料，導熱系數為λ，厚度為δ，肋壁的表面積為F，肋面溫度為t，肋壁側流體的溫度為t，流體對肋壁面的對流換熱系數為h，無肋側光壁的表面積為F，肋面溫度為t，肋壁側流體的溫度為t，流體對肋壁面的對流換熱系數為h。

圖5 肋壁傳熱示意圖

設t＞t，通過肋壁的穩態導熱形式如下，

流體與光壁表面一側的換熱量為：

肋壁的導熱為：

冷流體與肋壁表面一側的換熱量為：

將上述三式移項后相加可得：

所以通過肋壁的傳熱量可以寫成如下公式：

從公式（10）中可以看出，通過對流換熱進行熱量傳遞時，可以有以下幾種方法，其一，擴大兩種流體的溫差，在制冷系統中，如果想擴大溫差，在熱流體溫度不變的情況下，只能降低冷流體的溫度。在制冷原理中，如果要降低冷流體的溫度，就需要降低制冷循環的蒸發溫度，降低蒸發溫度會是制冷系統的能效比降低，這是得不償失的。其二，減少肋壁的厚度，這種情況會降低換熱器的強度。其三，增加F的面積，這是通過增加肋壁的形式來實現的，由于肋壁的表面積F大于光壁的表面積F，這說明，平壁改為肋壁后會增強傳熱。在制冷空調工程中，把表面傳熱系數小的一側的面積增大，是一種增強傳熱的最廣泛的方法。肋壁面的面積F與光面的面積F的比值F/F被稱為肋化系數，用α來表示。當h（F/F）的值接近于h時，即使再增加F/F的值，也不會有明顯的增強換熱的效果。

2.2 內管外壁采用螺旋肋片結構

在公式（10）中，如果以光壁的面積為基準來計算傳熱系數，則傳熱系數的公式可以寫成如下形式：

則傳熱量的公式可以寫成如下形式：

從這個公式可以看出，如果想增強換熱效果還可以增加F的面積，這就是在套管換熱器中的內管的外壁增加螺旋肋片結構的理論基礎。在對流換熱過程中，傳遞的熱流量與套管換熱器內管外壁的面積成正比，因此，我們在內管外壁上增加螺旋肋片以增加換熱面積，如圖6所示。

圖6 內管雙肋片截面示意圖

在制冷空調設備的換熱器中傳熱面大都是金屬薄壁，薄壁的導熱熱阻很小，一般可以忽略不計，在不計入污垢熱阻時，傳熱系數可以寫成如下公式

如果在換熱器兩邊的肋片面積相同的情況下F=F，這個公式可以轉化成

其中，

3 結構改進后的效果

在套管式換熱器在進行對流換熱過程中，為了強化在換熱過程中的換熱效率，對套管式換熱器的內壁進行肋片化改造，并使這種肋片以螺旋形態在管壁內壁和外壁繞行。這種方式可以使套管式換熱器的換熱效率得到大幅度的提升，主要表現在以下幾個方面，首先，通過肋片化改造，使套管換熱器的換熱面積得到較大程度的提高，這不僅提高了套管間的對流換熱的熱流量，也使內管內壁的對流換熱的熱流量得到提升。其次，通過在管路內的肋片以螺旋的形式存在，可以是流體在流過換熱壁面時產生強烈的擾動，大大增強了流體與壁面之間的對流換熱系數，對流換熱系數的增強，也會使換熱效率提升。使制冷系統的能效比提高，起到了很好的節能效果。第三，在換熱器制作過程中，在不增加材料使用量的情況下，改變壁面形狀，可以使換熱器的強度加以提升。第四，流體在管內流動過程中，由于是以螺旋的狀態進行的，流體的流程比原來的光壁套管得到較大的提高，增加流體在套管換熱器內流動的時間，從而能增強換熱器的換熱效率。第五，本文討論的套管換熱器，在套管內外流動的流體，是以逆流的方式進行換熱的，這種方式同樣比順流式的換熱器有較強的換熱效果。

4 結論和效益

通過前面的討論我們可以得出下面的結論，在套管式換熱器進行換熱的過程中，對內管內壁和外壁進行肋片化改造，可以使套管換熱器的換熱效率大幅度的提升，起到很好的節能效果，如果能在工業生產過程中得到大規模的使用，將會帶來很好的社會效益和經濟效益。