制冷空调用换热器研究现状及展望

制冷空调用换热器研究现状及展望

谢胜利  ,郑英丽

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摘要：换热器是制冷空调系统中最重要的部件之一,其性能的好坏直接影响整个系统的性能。因此,换热器的研究一直是制冷空调领域中一个非常活跃的研究方向。目前,国内外研究人员及学者对换热器性能优化进行了大量研究,这些研究涉及的换热器按照冷却介质主要分为风冷式换热器、水冷式换热器和蒸发式冷凝器。本文主要分析制冷空调用换热器研究现状及展望。

关键词：换热器；风冷式换热器；水冷式换热器；

引言

冷却换热是最常用的换热设备之一，由于结构简单、变换灵活、加工方便、适应性强，强化的翅片管导热系数分为主动导热系数，主动传热技术包括附加磁场和静态场，由于结构复杂而难以推广应用，且不使用外力的被动强化传热技术成本高昂，是目前强化传热的主要支撑臂。被动强化传热技术主要应用于光滑连续翅片及粗糙或不连续翅片管式换热器,小管径翅片管式换热器、变翅片间距翅片管式换热器。复合强化传热技术包括流体强化传热以及微通道强化传热、铝代铜技术等。

1、制冷空调装置对于换热器的要求

实际制冷空调装置除了蒸发器、压缩机、冷凝器、节流元件,还需要有其他部件协同工作。蒸发器用于实现制冷剂的冷量向空气传递,其中空气的流动依靠风机,风机由电机驱动;冷凝器是散热部件,其风机用于输送空气与冷凝器进行热交换,并由电机驱动;压缩机用于压缩蒸发器出来的制冷剂气体并排向冷凝器,现在主流的空调压缩机都是变频压缩机,带有变频器,用于实现压缩机转速调节;节流装置用于控制制冷剂流量大小;国内销售的空调器绝大多数是热泵型空调器,依靠四通阀使得制冷剂流向切换,以分别实现制冷与制热功能。制冷空调装置的基本性能要求包括:足够的冷热量、能效高。对于冷热量提升,蒸发器和冷凝器承担冷热量的传递,无疑是最直接的影响部件。对于能效提升,关注的重点大多会放到压缩机、风机这些直接耗能部件上。但针对产品的调研发现,目前压缩机和风机的效率都已经做到很高,比如它们的电机效率可以达到90%以上,所以提升的空间有限。换热器虽然不直接用电,但其传热温差的存在导致系统不可逆损失的发生。空调器在标准制冷工况下,蒸发器可以存在高达15℃以上的传热温差,冷凝器存在约10℃的传热温差,若与传热温差为零时理想情况相比,能效有70%以上的提升潜力。因此,换热器的换热能力是提升制冷空调装置性能的关键。制冷空调用换热器,最多的用途是用于实现制冷剂与空气间的热量传递;例如房间空调器中的蒸发器与冷凝器。由于空气的导热系数非常低,这类换热器的换热性能提升重点是增强空气侧的换热能力;采用在空气侧加大换热面积是常用手段。空调器中最常用的换热器型式是翅片管式换热器,管内走制冷剂,管外流过空气;管外设置很多换热翅片,用于增大换热面积,以弥补空气侧换热系数低的不足。

2、换热器定义和分类

对于石油化工、动态和食品等许多重要工业设备来说，恒温器是必不可少的，它的作用是将部分高温热量传递给冷却剂，以完成热交换器的传热，例如加热、制冷、冷凝和蒸发，这是开关行业需要热量传递的许多原因之一，尽管在不同温度下流体之间的热能传递会造成一定的损失，但这种热量传递原理有助于工业部门实现节能。 但在消除这种损失的同时，它也大大节省了能源，同时满足了许多国家的工业自蒸汽发生以来大多数工业所必需的流体温度和加工条件的指标，尽管如此，该国仍然是一个农业大国，但工业实力必须被低估。 由于人口众多，在各个行业也占有更大的市场份额，正如恒温器一样，调查显示，我国各行业的投资和应用几乎占化学和炼油厂总投资的一半，甚至在盐业，几乎所有的换热设备都是四种主要类型的热交换器，按分类可分为制冷、制冷、冷凝器、蒸发器等。，根据其使用情况，根据温度条件和热交换器的不稳定性，可分为流向、逆流、坏电流、混合型恒温器，根据传热方式对低壁、混合型、热输出进行分级。

3、水冷式换热器

水冷式换热器的主要热阻在制冷剂侧,各种肋化结构的高效传热管在水冷式换热器的应用不断增多,新型肋化结构的高效传热管得到持续研发。由于水侧结垢、积污会增大热阻,因此各种抑制结构或者除污垢技术得到研究和应用。换热器内液态制冷剂的聚集,将影响制冷剂侧的相变换热过程,因此布液均匀或排液顺畅的换热器,将会在中大型制冷机组中得到推广应用。单位体积内具有较大换热面积或安装空间占用较小的换热器,有利于缩减制冷机组外形尺寸,将在中小型制冷机组中得到应用。目前对水冷式换热器的研究主要集中在降膜式蒸发器、管壳式换热器、套管式换热器、板式换热器和CO2气冷器等方面。

3.1降膜式蒸发器

膜蒸发冷却器的入口通常设置为分布在散热器表面上的均匀分布的分布系统，该分布系统将在散热器表面上形成一个膜，并与管内冷却水一起移动，如图4所示，与全液体蒸发器相比，蒸发器的结构减少了制冷剂的填充，从而减少了制冷剂的使用。目前，膜蒸发器的研究主要集中在方向性表面，如提高传热性能和制冷剂的均匀分布。

3.2同轴套管式换热器

同轴式热量表是管内外的热传导系数，通常是光滑的，内管通常是螺纹或波状的，也就是说，根据通常的热计量，在管内加入另外两个螺纹和螺旋性质，以增加热交换面积，增加流体的干扰，以及多维扰动流降低传热极限的热阻，增加热传导率，增加同步管热交换的传热系数，不仅是有效的传热，而且是耐压性， 目前的研究主要集中在矩形区域，例如优化热交换器模型和修正经验关联。

3.3板式换热器

板和管上的恒温器基本上是结构上的差异，它与热交换管(主要是按照固定的间隔压缩的波纹板)相比。主机板上的恒温器在相同的条件下具有更大的优势，而且在整个区域(如热传导率、压力损失和垫圈结构面积)中都是领先的，因此在高温和高压下也不合适。这种缺点对恒温器是致命的主要用于工业，所以它们仍然是管道的常见问题。对于制冷剂与载冷剂进行热交换,2种热交换介质的导热系数相差有限,因此一般不在某一个热交换介质侧特别加装换热翅片。对于大型集中式空调,制冷剂与载冷剂之间进行热交换用的换热器型式,以往基本采用管壳式换热器,换热管内走一种流体,管外走另外一种流体。但是管壳式换热器的体积较大。对于紧凑性要求高的场合,现已大量采用板式换热器。换热器主体部分由冲压成型的换热板组成,冷热流体在换热板形成的通道间交替流动,实现2种流体间的换热,流体进出口的接管可根据用户需要安放在端板或底板上。换热板四周的焊接线内形成传热板两侧的冷、热流体通道,冷热流体通过板壁进行热交换。在相同换热负荷情况下,板式换热器的体积、质量及所需的制冷剂充注量远远小于管壳式换热器。

结束语

随着各种工业市场需求的不断增长,换热器技术将不断更新,结构和性能将多样化,随着国际和国内环保理念的日益重视,换热器的节能环保特性将成为主流,我们的技术也意味着它有更多的机遇和创新潜力。总之,我国换热器行业仍处于快速发展期,其未来发展趋势仍相当可观。

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