翅片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)在冷凝器中的應(yīng)用

                        沈雅鈞1，崔肖潔1，楊永華2

    (1.浙江海洋學(xué)院船舶與建筑工程學(xué)院，浙江舟山316004；2.浙江海洋學(xué)院公共實(shí)驗(yàn)中心、網(wǎng)絡(luò)中心，浙江舟山316004)

    摘要：介紹了常用冷凝器的特點(diǎn)，闡述了幾種翅片管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理及其在冷凝中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對工程實(shí)際中冷凝器的強(qiáng)化傳熱有一定的參考價(jià)值。

    關(guān)鍵詞：冷凝器；翅片管；傳熱系數(shù)；強(qiáng)化傳熱技術(shù)

    中圖分類號：TK124文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

    冷凝器的應(yīng)用范圍十分廣闊，特別是在制冷空調(diào)系統(tǒng)中。冷凝器作為主要的傳熱設(shè)備之一，其性能的好壞直接影響到裝置的總體工作性能。因此，冷凝器傳熱過程的強(qiáng)化得到了越來越廣泛的重視。為了提高冷凝設(shè)備的整體性能，通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強(qiáng)化傳熱過程以提高冷凝器的效率，已成為國內(nèi)外冷凝器發(fā)展的一種趨勢。

    1.常見冷凝器類型與特點(diǎn)

    冷凝器又稱“液化器”，是使蒸氣在其中放出熱量而液化的換熱器。根據(jù)冷卻介質(zhì)和冷卻方式的不同，冷凝器可分為水冷式、空冷式、蒸發(fā)式三種類型。

    1.1水冷式冷凝器

    水冷式冷凝器是以水作為冷卻介質(zhì)，靠水的溫升帶走冷凝熱量。水冷式冷凝器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。目前，由于水資源短缺，水冷式冷凝器中使用的冷卻水普遍循環(huán)使用，其主要缺點(diǎn)是需要設(shè)置專門的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，初投資高，水處理費(fèi)用大。常用的水冷式冷凝器有臥式殼管式、立式殼管式和套管式等型式。

    在大中型空調(diào)制冷裝置及工業(yè)制冷中一般均采用水冷式冷凝器，其中又以殼管式冷凝器最常用。在殼管式冷凝器中，制冷劑通常在管外冷凝，水在管內(nèi)流動。目前使用的殼管式冷凝器有光管管束與滾壓低翅片管（即螺旋管）兩種。一般，氨用臥式殼管式冷凝器多采用光管管束，氟里昂冷凝器多采用滾壓低翅片管。

    1.2空冷式冷凝器

    空冷式冷凝器也稱風(fēng)冷式冷凝器，制冷劑在管內(nèi)冷凝，制冷劑放出的熱量被空氣帶走。這種冷凝器中有自然對流空氣冷卻式冷凝器和強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器。由于空氣的對流傳熱系數(shù)很低（25～35 W/m·2K）[1]，空冷式冷凝器的傳熱效率不如水冷式，冷凝溫度與冷凝壓力均較高。另外，在換熱負(fù)荷一定的情況下，空冷式冷凝器所需傳熱面積比水冷式冷凝器大，故而設(shè)備體積和質(zhì)量均龐大，占地大。但是可冷熱兩用，初投資低，系統(tǒng)維護(hù)管理相對簡單?？绽涫嚼淠髟诠こ虒?shí)際中的應(yīng)用十分廣泛，既可用于制冷系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是不需冷卻水，因此特別適用于缺水地區(qū)或者供水困難的場合，在小型制冷空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。

    1.3蒸發(fā)式冷凝器

    蒸發(fā)式冷凝器是以蒸發(fā)冷凝和顯熱交換為基礎(chǔ)，制冷劑放出的熱量同時(shí)由冷卻水和空氣帶走。制冷劑在管內(nèi)流動，冷卻水在管外噴淋蒸發(fā)時(shí)吸收氣化潛熱，使管內(nèi)制冷劑冷卻和冷凝。蒸發(fā)式冷凝器中，省去了冷卻水在冷凝器中的顯熱傳遞階段，使冷凝溫度更接近空氣的濕球溫度，可比水冷式冷凝器系統(tǒng)低3～5℃，從而大大降低壓縮機(jī)的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系統(tǒng)的1/3左右[2]。我國蒸發(fā)式冷凝器的開發(fā)和應(yīng)用相對滯后，以往多應(yīng)用于大型的氨制冷系統(tǒng)。近年來，由于電力資源緊張和水資源匱乏，蒸發(fā)式冷凝器作為一種節(jié)能節(jié)水型換熱設(shè)備，其研究和應(yīng)用得到了廣泛重視，促進(jìn)了蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品技術(shù)的成熟和進(jìn)一步應(yīng)用。目前，已有一些生產(chǎn)廠家在結(jié)構(gòu)上對其進(jìn)行了完善，使之應(yīng)用于中央空調(diào)機(jī)組[2]。

    對于那些需要進(jìn)行精確控制的冷凍空調(diào)系統(tǒng)和運(yùn)行環(huán)境惡劣的場合，蒸發(fā)式冷凝器更容易滿足工藝控制要求。工程應(yīng)用表明，采用該產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的“水冷式冷凝器+涼水塔”方式，增加的初投資一般能在一年左右即可收回，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

    2 冷凝器中常用的強(qiáng)化傳熱翅片管

    傳熱過程是熱量從一種流體通過固體壁面?zhèn)鹘o另一種流體的過程。工程實(shí)際中，強(qiáng)化換熱器的換熱性能主要從強(qiáng)化兩側(cè)介質(zhì)與換熱管內(nèi)、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強(qiáng)化傳熱技術(shù)有:(1)表面涂層；(2)粗糙表面；(3)擴(kuò)展表面；(4)各種內(nèi)外螺紋管；(5)擾流元件；(6)添加物；(7)沖擊傳熱[3]。在各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)中，在壁面上加裝翅片，作為增強(qiáng)傳熱的一個(gè)主要手段，在工程中得到廣泛應(yīng)用。翅片管式換熱器具有高效傳熱、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于制冷空調(diào)裝置、航空航天設(shè)備、太陽能集熱器和電子設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域中。在冷凝器中的應(yīng)用尤為普遍。

    翅片管的種類很多，而且還在不斷涌現(xiàn)新的品種，在這方面的研究也較多[4～6]。大體上可按加工工藝、翅片形狀、材質(zhì)、用途等幾個(gè)方面對翅片管進(jìn)行分類。在冷凝器中，常用的翅片管有以下幾種形式。

    2.1螺紋類翅片管

    在冷凝器中，常用的螺紋類翅片管有：內(nèi)螺紋管、整體型螺旋翅片管、螺旋(紋)槽管、橫紋管、肋片管等。

    2.1.1內(nèi)螺紋管

    內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                         

    內(nèi)螺紋管是一種常見的傳熱特性很好的高效換熱管?？照{(diào)中采用的水冷式冷凝器一般為R22系統(tǒng)，普遍采用內(nèi)螺紋管，其傳熱系數(shù)可達(dá)930～1 600 W/m·2K[7]，進(jìn)而可以降低冷凝溫度，單位制冷量冷水機(jī)組壓縮機(jī)能耗就越少。另外，水冷式冷凝器，特別是大型冷水機(jī)組冷凝器冷卻水一般都直接取自江河水，懸浮在水中的泥沙顆粒和微生物等污垢物很容易在換熱管內(nèi)壁形成污垢，使換熱效果大大削弱。文獻(xiàn)[8]的研究表明：冷凝器選用內(nèi)螺紋管時(shí)，冷卻水存在臨界流速υ臨界，當(dāng)流速υ<υ臨界時(shí)，不管機(jī)組運(yùn)行多長時(shí)間，相對于光管而言都可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行；如果冷卻水流速υ>υ臨界，那么必然存在臨界時(shí)間t臨界，當(dāng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間t≤t臨界時(shí)，冷凝器選用內(nèi)螺紋管仍然具有經(jīng)濟(jì)性。故只要以臨界時(shí)間為參考點(diǎn)定期清洗冷凝器，就可維持機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

    2.1.2整體型螺旋翅片管

    整體形螺旋翅片管是由專用設(shè)備———整體形螺旋翅片管加工設(shè)備一次性加工成型，翅片呈螺旋形。整體型肋片管又可分為雙金屬肋片管和單金屬肋片管兩種。雙金屬肋片管由兩種不同材料的金屬管復(fù)合軋制而成，有銅鋁復(fù)合管與鋼鋁復(fù)合管；單金屬肋片管由一根鋁管或銅管軋制而成，因不存在接觸熱阻的問題，可大大提高肋片管的換熱性能。整體形螺旋翅片管的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

     

    整體形螺旋翅片管作為熱交換設(shè)備中的重要換熱元件，在采暖、制冷系統(tǒng)的冷凝器中得到普遍應(yīng)用，另外還可廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、烘烤、余熱回收等各種具有熱交換過程的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活領(lǐng)域。

    2.1.3螺旋槽管

    螺旋槽管也即螺紋槽管，是在基管上加工出螺旋形凹槽而成，如圖3所示。其強(qiáng)化傳熱機(jī)理是產(chǎn)生的邊界層分離流使傳熱邊界被破壞。螺旋槽管有單頭和多頭之分，考慮到傳熱效果和阻力因素的綜合影響，工程上一般采用單頭。實(shí)踐證明：螺旋槽管對液-液、液-氣、氣-氣間傳熱過程均有強(qiáng)化作用，與光管相比，總傳熱系數(shù)可提高20%～40%，可用于各種形式的換熱器、余熱鍋爐等[9,10]。

               

    有人在氨立式冷凝器中，采用螺旋槽鋼管為強(qiáng)化傳熱元件，與光滑鋼管進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果表明螺旋槽鋼管的傳熱系數(shù)比光滑鋼管高12.9%～65.5%。某冷凍廠的氨立式冷凝器應(yīng)用螺旋槽鋼管，經(jīng)過一年多的運(yùn)行測試，傳熱系數(shù)比用光滑鋼管高32.6%～57%[11]。水蒸汽在水平換熱管外凝結(jié)的條件下，螺旋槽管是實(shí)現(xiàn)冷凝器小型化理想的管型之一，是一種雙側(cè)高效強(qiáng)化管。這種管型加工方便，抗結(jié)垢能力強(qiáng)，除垢方法簡易，有的國家已用于船用冷凝器。文獻(xiàn)[10]對螺紋槽管的研究結(jié)果表明：(1)在冷卻水質(zhì)量流量及水阻相等的條件下，螺紋槽管冷凝器的換熱面積可比光管減少30.6%～33.8%；(2)在清潔狀態(tài)下，螺紋管槽傳熱系數(shù)是光管的1.25～1.41倍，運(yùn)行一年后(結(jié)垢狀態(tài))，其傳熱性能仍超過光管。

    2.1.4橫紋槽管

    橫紋槽管是20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的一種高效傳熱元件。它用普通圓管作毛胚，在管外壁經(jīng)簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽，同時(shí)在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)翅，具有加工簡單，制造成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。橫紋槽管是螺旋槽管螺旋角為90°時(shí)的極限形式。其強(qiáng)化傳熱機(jī)理為：徑向流動破壞了邊界層底層的形成，在一定程度上強(qiáng)化了傳熱。另一方面，當(dāng)管內(nèi)流體經(jīng)橫向環(huán)翅時(shí)，管壁附近形成橫向漩渦，增大了邊界層的擾動，有利于熱量通過邊界層向流體主體的傳遞。由于橫向環(huán)翅的不斷出現(xiàn)，當(dāng)前一個(gè)渦流即將消失時(shí)，流體流經(jīng)下一個(gè)橫翅馬上產(chǎn)生新的橫向渦流，因而可保持連續(xù)且穩(wěn)定的強(qiáng)化作用[12]。橫紋槽管主要用來強(qiáng)化管內(nèi)單相流體的傳熱，研究發(fā)現(xiàn)，在相同流速下，橫紋槽管流動阻力要小于單頭螺旋槽管。

    

    文獻(xiàn)[12]對橫紋管的污垢性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：橫紋管有較好的傳熱性能，在清潔狀態(tài)下，橫紋管的強(qiáng)化比約為1.2；在結(jié)垢狀態(tài)下，橫紋管的強(qiáng)化比約為1.4。故橫紋管比光管更適宜于結(jié)垢狀態(tài)下使用。

    2.1.5肋片管

    肋片管分為低肋片管和高肋片管。低肋管也即通常所稱的螺紋管，是制冷殼管式換熱器中普遍采用的換熱管，也是蒸發(fā)式冷凝器中普遍采用的強(qiáng)化傳熱方法之一，用于油品冷卻效果也較好。高肋片管則主要用在空冷器上。采用肋片管，通過調(diào)節(jié)管內(nèi)、外某一側(cè)的膜傳熱系數(shù)，即翅片位于傳熱系數(shù)較小的一側(cè)，可使總傳熱系數(shù)值增加幾倍[9,13,14]。

    低肋片管和高肋片管均已標(biāo)準(zhǔn)化，可按標(biāo)準(zhǔn)直接向?qū)I(yè)廠家訂購。

    2.1.6變螺距內(nèi)螺紋管

    采用在已加工好的管壁內(nèi)部加工變螺距內(nèi)螺紋，不但可以擴(kuò)大管子的內(nèi)表面積，增加傳熱面積，并且由于管子不再是光管，內(nèi)部有螺紋所以內(nèi)壁變得粗糙，可以破壞層流邊界層，使管內(nèi)的制冷劑的流態(tài)變成紊流，從而提高管內(nèi)對流換熱系數(shù)。同時(shí)，因?yàn)椴捎米兟菥啵刂黧w流動方向螺距從大變小，這樣可進(jìn)一步增強(qiáng)流體的擾動，強(qiáng)化流體的換熱系數(shù)。

    研究表明，將等間距內(nèi)螺紋翅片管換熱器的管內(nèi)螺紋改為變間距，由于管內(nèi)有規(guī)則、連續(xù)的凸肋和凹槽發(fā)生改變，可使其內(nèi)表面積比等間距增大8.4%，傳熱系數(shù)增大3.82%，管內(nèi)換熱系數(shù)增加4.89%[15]。等間距內(nèi)螺紋管與變間距內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5、圖6所示。

                  

                  

    2.2套片管

    套片式翅片管是將沖壓成型的翅片緊套在金屬管壁上制成的。翅片管材料通常采用鋼管鋼翅片，也可采用銅管鋁片，然后經(jīng)表面熱鍍鋅處理。翅片形狀為矩形，每片翅片可以套在一根管上或同時(shí)套在多根管上，根據(jù)情況還可在翅片上加工出不同形狀的口子，如圖7所示。

    

    工程中常用的套片式翅片管有兩排或四排，采用的管束以正三角形叉排布置，如圖8所示。

    

    文獻(xiàn)[16]將整體套片的肋效率與等截面、變截面直肋和環(huán)肋的肋效率相比，發(fā)現(xiàn)整體套片式肋的肋效率較其它形式肋大，單位體積的傳熱面也較大，金屬耗量大，但其加工簡單、安裝方便。

    由于套片管換熱器具有加工簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在空調(diào)工程中的得到廣泛的應(yīng)用。如空冷式冷凝器，就多采用套片管或螺旋繞片管。圖9所示為空調(diào)中使用的雙排冷凝器翅片形式。

    

    2.3波紋管

    波紋換熱管如圖10所示，其強(qiáng)化傳熱機(jī)理是：波紋形翅片引起的流動方向改變導(dǎo)致邊界層分離，從而提高換熱效率。

    

    波紋管是一種高效能傳熱表面，目前在強(qiáng)化換熱管領(lǐng)域占有重要地位，常用于各種強(qiáng)化傳熱的場合，如制冷系統(tǒng)中的中間冷卻器等。波紋管也常用于強(qiáng)化蒸發(fā)式冷凝器的傳熱[7]。

    用波紋管作為換熱管的高效波紋管換熱器是實(shí)現(xiàn)雙面強(qiáng)化傳熱的高效換熱設(shè)備，它綜合了管殼式換熱器和板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，具有傳熱系數(shù)高（其換熱效率可比管殼式換熱器和板式換熱器提高2倍以上）、適應(yīng)性強(qiáng)（耐溫差、壓差性能好，自補(bǔ)償性能好）、防垢除垢、耐腐蝕、單臺處理量大（熱負(fù)荷最高可達(dá)150×106 kcal[h1]/h）、流動阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、體積小、重量輕、節(jié)省鋼材等眾多優(yōu)點(diǎn)。特別地，波紋管的防垢自潔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)運(yùn)行過程中均能維持較高的傳熱效果。因此，波紋管換熱器的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，已成為現(xiàn)有換熱器的更新?lián)Q代產(chǎn)品，得到廣泛的應(yīng)用，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

    2.4螺旋扭曲管

    目前，對強(qiáng)化傳熱管的研究已進(jìn)入第三代管型———三維傳熱管，螺旋扭曲管就是其中的新管型之一。三維的非連續(xù)翅片管比二維的連續(xù)翅片管具有更不規(guī)則的擴(kuò)展表面，流體流過時(shí)，邊界層反復(fù)不斷地受到破壞，從而使傳熱系數(shù)得到進(jìn)一步提高。

    螺旋扭曲管的具體形式較多，其中，文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)的一種螺旋扭曲管如圖11所示。該管可采用碳鋼管、不銹鋼管、Ti管、紫銅管和鎳合金管制造，用于水-氨吸收機(jī)時(shí)，可采用鋁管。該管可用于冷凝器中，也可用于其

    他制冷換熱器、吸收式制冷機(jī)發(fā)生器和吸收器中，達(dá)到管內(nèi)外兩側(cè)強(qiáng)化傳熱的效果。

    

    瑞典ALLARDS公司、華南理工大學(xué)化機(jī)所和武漢化工學(xué)院化機(jī)系、天津大學(xué)等都對螺旋扭曲管換熱器及其傳熱和阻力性能有一定的研究[17,18]。在蒸發(fā)式冷凝器中，也常用扭曲管作為一種新型強(qiáng)化傳熱元件，其內(nèi)部的螺旋扭曲流道使管程流體產(chǎn)生以縱向旋轉(zhuǎn)和二次旋流為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動，使管內(nèi)流體在溫度梯度較大的徑向產(chǎn)生混合，使壁面處的溫度梯度增大，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱。

    2.5螺旋繞片管

    螺旋繞片管也是典型的三維傳熱管之一。它是利用金屬帶材的伸縮性，將薄金屬帶（鋼帶或不銹鋼帶/銅帶）螺旋形地強(qiáng)制立繞在金屬基管上，使翅片與基管緊密接合在一起，然后對翅片管進(jìn)行鍍層處理，使接觸熱阻降低到最低限度，同時(shí)強(qiáng)化翅片管的傳熱性能和抗腐蝕能力。螺旋繞片管的基本型式如圖12所示，其片距及片高可以根據(jù)使用要求而定。

                  

    螺旋繞片管換熱器具有傳熱性能好、承壓能力大、傳熱速度快、耐腐蝕、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，空冷式冷凝器中常采用螺旋繞片管來強(qiáng)化傳熱。

    3 結(jié)束語

    螺紋類翅片管、套片式翅片管、波紋管、螺旋扭曲管、螺旋繞片管等高效傳熱元件在冷凝器中得到了廣泛的應(yīng)用，傳熱效果得到了顯著提高。除此之外，新齒形傳熱管還在不斷出現(xiàn)。與光管相比，它們具有下述共同特點(diǎn)：(1)不同形狀的翅片均可使傳熱壁面變得粗糙，從而破壞靜止的層流邊界層，提高對流換熱系數(shù)，使換熱得到不同程度的強(qiáng)化；(2)在負(fù)荷一定的條件下，冷凝器所需面積可大大減??；(3)根據(jù)大多數(shù)人的常識，粗糙的翅片管表面容易引起結(jié)垢；事實(shí)上，由于粗糙表面引起的紊流破壞了靜止的附面層，會使污垢難于附著；即使有污垢附著，污垢也呈現(xiàn)離散的鱗片狀，設(shè)備運(yùn)行中溫度的變化使管子發(fā)生膨脹和收縮，會因污垢與管壁材料間的脹差巨大而引起剝離，在介質(zhì)的沖擊下自行脫落。而光管垢層為圓柱體，無任何自脫力。因此，翅片管的結(jié)垢情況并不比光管嚴(yán)重多少。

    近年來，各種翅片管換熱器在制冷空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，解決了換熱器運(yùn)行中的許多問題，也收到了很好的強(qiáng)化傳熱的效果。隨著制冷空調(diào)企業(yè)的科技進(jìn)步、高效技術(shù)改造的深入，強(qiáng)化傳熱仍是蒸發(fā)器、冷凝器等換熱設(shè)備的主要發(fā)展方向，新型的翅片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)將會得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用。

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