制冷空调用换热器的高效传热技术

制冷空调用换热器的高效传热技术

张子聪

身份证号码：44010519860915513X

摘要：随着我国科技的飞速发展，制冷空调在换热器的高效传热技术方面有了很大突破。换热器是制冷空调装置中不可缺少的组成部分,其性能优劣成为决定制冷空调装置能效的关键。本文介绍制冷空调装置对于换热器的技术要求,总结主流换热器的结构型式、技术特点、适用条件及发展趋势,这些换热器包括翅片管式换热器、微通道换热器、板式换热器、印刷板路换热器等,最后介绍提升制冷剂换热能力以及避免换热器长期性能衰减的技术。

关键词：制冷空调；换热器；高效传热技术

引言

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

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。为构成一个典型的热泵型空调器的主要部件及影响各自发挥的主要因素。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。

2风冷式换热器

2.1小管径翅片管式换热器

小管径翅片管式换热器是换热器结构紧凑化的一个主要方向,是用较小管径的铜管替代现有换热器中直径较大的铜管,即将换热管外径从9.52mm减小到7mm和5mm或以下。采用小管径后,能够减少铜的消耗量、提高铜管耐压强度,还可以减少制冷剂的充注量,将会降低使用低GWP和ODP的易燃工质的爆炸危险性。在相同换热量下,采用小管径后换热器外形尺寸和内容积均会变小。由于空气侧的换热热阻较制冷剂侧的热阻要大得多,故研究人员将重点放在翅片侧的换热和压降方面。

2.2铝代铜换热器

2.2.1铝管替代连接铜管

铝管在空调器上的替代主要是空调器室内机与室外机的制冷剂连接管道,该连接管只需耐压、防腐,对换热性能几乎没有要求,因此成为制冷空调领域的新选择。

2.2.2全铝换热器

全铝换热器结构平行流换热器由集流管、数条平行支路的多孔扁管和铝翅片焊接而成,具有高效、紧凑、体积小且质量轻的优点。

2.3微通道换热器

Kandlikar等将微通道定义为水力直径为0.01~0.2mm的通道,水力直径为0.2~3mm的通道为细通道,水力直径大于3mm的为常规换热器通道。随着扁管型材开发、翅片制作工艺、钎焊技术等的发展,微通道换热器得到了广泛应用。微通道换热器,相比传统尺寸换热器,微通道换热器作为一种高效、节材、环保、轻量的换热器,具有换热效率高、可控性好、噪声低、运行稳定、承压能力好、抗腐蚀和节约成本等优点。

3制冷剂的换热性能

3.1换热器换热性能的提升

换热器换热性能的提升，离不开制冷剂侧换热能力的强化,选用换热能力强的制冷剂是很自然的考虑。只是在制冷剂选择时,需要考虑的因素非常多,这会影响对于制冷剂自身换热性能的考虑。例如,近年来的制冷剂选择,大多以环保性能作为首要的考虑因素,要求必须做到臭氧层破坏潜能(ODP)为零,温室效应潜能(GWP)尽可能小。以空调器用的制冷剂为例,上世纪我国批量生产采用的制冷剂是R22,其ODP不为零。本世纪初开始,空调器中已大量采用ODP为零的R410A替代R22。但R410A的GWP较高,可用R32替代,因为R32的GWP值只有R410A的1/3左右。并且R32容积制冷量比较高,系统充注量大约为R22的60%,因此与R22相比,R32温室气体直接减排率接近80%;考虑到R32产品能效的提高,采用R32作为替代技术将带来更高的温室气体减排效果。

3.2控制制冷剂的流动状态

控制制冷剂的流动状态是改善制冷剂换热性能的重要方法,其中控制制冷剂流速可以发挥显著的作用。一般来说,制冷剂的流速越高,换热系数越大,从而可以减小传热温差,减少不可逆损失,并有利于提升制冷系统能效。但是流速越高,会带来流动压降过大的问题,这样又会增加不可逆损失。因此,制冷剂合理流速的确定,需要同时兼顾传热提升的正面效果与压降增大的负面效果,取得综合性能的最佳。当制冷剂总流量一定时,改变制冷剂流速的主要方法是改变换热器中的流路数。相互平行的流路数增加,可以减小制冷剂流速、降低压降。换热器的用途不同(用作蒸发器和冷凝器),对于换热系数和压降的关心重点也就不同。对于蒸发器,更需要避免压降过大,这是因为蒸发器内压力低,气体密度小,导致相同质量流量下的体积流量大,且加速压降和摩擦压降会有迭加效应,这样不仅容易造成蒸发器的总压降较大,而且低压下相同压降对应的温降较大,即对应的不可逆损失较大。冷凝器内压力高,气体密度大,导致相同质量流量下的体积流量小,且加速压降和摩擦压降有相互抵消作用,这样冷凝器的总压降比较小;高压下,相同压降对应的温降较小,即对应的不可逆损失较小。

3.3控制制冷剂中的润滑油

润滑油含量也是提升制冷剂换热性能的途径之一。制冷剂在蒸气压缩式制冷系统中循环时,不可避免地会与压缩机内的润滑油接触混合。润滑油的存在对制冷剂的物性及管内流型的转化有不同的作用,从而影响制冷剂的换热性能。R32-润滑油混合物在管径为7mm的光管内流动沸腾换热系数随干度和油浓度的变化。可以看出,蒸发温度为5℃时,R32-润滑油混合物管内局部换热系数在低干度下(x<0.4)随油浓度的升高而升高;在中、高干度下(x>0.5),局部换热系数随油浓度的增大先增大再减小,并在3%油浓度处取得最大值;随着干度的增大,局部换热系数的最大值逐渐趋于低油浓度,并且在高干度下(0.6

3.4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。

结语

风冷式换热器、水冷式换热器和蒸发式冷凝器的发展现状,未来换热器的发展应遵循以下几个方面:满足高效及低充注量的要求,如进一步研究翅片形状及涂层,开发新型高效换热管等;适应自然工质应用的要求,大力发展CO2和NH3等自然工质的高效与安全性研究;适应节约资源的要求,开发紧凑型换热器,提升换热器的性能,缩小体积、降低成本。

参考文献

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