压缩式制冷空调机组壳管式换热器的传热强化研究进展

【摘要】在压缩式制冷空调机组里，冷凝和蒸发器在设备组成当中是处于重要地位的，由于它传热系数高低对于机组效率和成本是存在直接性影响的。在传热强化研究过程中，要提高冷凝器和蒸发器的传热性能，最主要是找到适合的方法，强化传热技术的利用就是一个关键。以Turbo-C管为例，把它作为基础，通过将翅片的顶部到根部完全切割而开，三维翅片管就变成断裂开的，以此减少传热过程中，传热管的表面黏滞特性因表面张力作用下的影响。为了更好的改善壳程流体的流动性及传热性，把冷凝器以及干式蒸发器通过弓形的螺旋隔板替代，以此达到更好的效果。由于降膜蒸发器中，满液和降膜两个蒸发区不相同的特点，要到达更好的提高传热系数，可以采用不同种类的强化管来进行。

【关键词】传热强化；冷凝器；蒸发器；压缩式制冷；空调机组

现今广泛应用在大型的压缩式制冷空调机组之中的换热器主要是壳管式换热器，主要以冷凝、蒸发器两大类为主。两者在机组中所占比重也是较大的，单比蒸发器和冷凝器重量就占35%左右，对于动力的消耗就占25%左右。另外，水冷式冷凝器又不同，它的冷凝方法主要依靠冷却水的作用达到冷凝目的，即将工质蒸汽以传热管传递，在传热管外通过冷却水降温，而冷却水的温度升高之后再通过凉水塔的降温再次循环进入冷凝器继续冷凝作用。蒸发器的工作原理则是将蒸发后的液体制冷工质传入压缩机之中，其中流程就是把液态制冷工质和常温的水换热，得到的冷冻水便用于空调的制冷作用，其他蒸发后的液态工质便排进了压缩机里。如今最主要的蒸发器有三种类型，其一为降膜式蒸发器；其二为干式蒸发器；其三为满液式蒸发器。降膜蒸发器的工作原理则是冷冻水在管内流动，制冷工质管外降膜蒸发。干式蒸发器的是管内蒸发制冷工质，冷冻水管外流动。满液式蒸发器与前两者有一点区别，是将传热管放入制冷工质之中，冷冻水通过管内流动。在制冷空调机组之中，尤其是那些较大型的压缩式空调机组，因本身冷凝器和蒸发器换热和传热上，换热面积比较广，传热管也较长，所以为了提高传热系数，通常将其支撑结构做成弓形隔板的形式，增加壳程的流体速度以及防止在冷凝器和蒸发器运行振动时将管束破坏。

现今社会倡导节约型社会，对资源的合理利用与开发有了相应的要求，出于对节能、节才方面的需求，使得传热强化技术的发展进步。与此同时，对于压缩式制冷空调机组壳管式换热器的强化研究进展这一领域，通过对其发展的情况，也为冷凝器、蒸发器传热性能的提供了一些可行性的优化建议。

一、制冷传热强化

（一）强化管外冷凝传热

通常情况下，我们知道，在大型的空调机组当中，制冷时冷却水在管内流动，制冷工质在冷凝器的管外冷凝的。在强化冷凝传热时，翅片因其能够将换热面积进行有效地扩展而开，同时能够将翅尖和侧面的液膜厚度减薄得到了很好的认可。但是同样的它也有其局限性，因表面张力的原因，在翅片间和翅片底部有冷凝液被淹没的现象，致使了有效传热面积缩减，导致传热系数降低。所以可以发现，给定的制冷工质缺乏最佳的翅片结构参数。

由于在空调机制冷原料中，传统的氯元素制冷工质由于对环境的污染较大，所以，根据国际环保公约的相关规定，传统的氯元素制冷工质已经被氢氯烃制冷工质R134a、R410A和R470C等替代，然而管外冷凝传热强化仍旧还是三维翅片管。通过曾经Dongsoo、Belghazi、Honda等的实验结果可以发现Dongsoo等的实验研究证实了单管冷凝传热强性能最好的是Turbo-C管。Belghazi等的实验研究证实了Turbo-C管提高了低肋管冷凝约30%的传热系数。Honda等的实验研究是通过对于翅片结构肋管性能影响的研究发现R407C冷凝传热性能比R134a要小。通过三种细密状翅片结构的冷凝强化管，可以了解到，以Turbo-C管的基础上，完全隔离翅片顶到根并适当增加翅片高度说产生的三维翅片结构能减少传热管的表面黏滞特性在表面张力作用下的影响。另外，针对大型空调机组来说，强化管之外还包括冷凝器本身结构的设计也是十分重要的，一般情况下都是采用弓形结构的隔板作为支撑作用，能够有效的使得冷凝液在底部泄流通道的流动速度，加快气液的分离降低传统管对冷凝液淹没作用影响，让冷凝传热性能提升。

与此同时，管材的导热性对于冷凝的传热也有着相应的影响，也是冷凝传热性能重要的因素之一。在相同的条件基础上，两种具有不同参数结构的冷凝管，随着冷凝温度和温差的增长，低肋冷凝管的强化倍数也会变大，冷凝传热强度也是会产生改变的。

（二）强化管内沸腾传热

我们首先了解到干式蒸发器的工作原理是管内蒸发制冷工质，冷冻水管外流动。它是空调制冷中常见的一种蒸发器，它的制冷工质在管内过程中逐渐沸腾，使得其中的相变传热和对流传热达到同时产生的效果。制冷工质分为环、块、泡状流等几种管内流型，同时也可以是几种类型组合的流动过程，在传热和流动方面都显得较为复杂。

（三）强化管外沸腾传热

同样，我们也知道满液式蒸发器的工作原理是将传热管放入制冷工质之中，冷冻水通过管内流动。在满液式的传热方式中，它的传热系数高于干式蒸发器，但是也有不足之处，即回油难，蒸发液位的难以精确控制。而它的传热强化最关键的地方就是要合理的应用高效传热管。

二、制冷水传热强化

（一）强化制冷水管内对流传热

从水冷式冷凝器和满液式、降膜式蒸发器的现实应用来看，通过采用内螺旋翅片结构的方式，扩展换热面积，流体的湍动，较低的压降等方式来强化传热性能，增大对流传热系数。

（二）强化制冷水管外对流传热

在对制冷水管外对流传热的强化时，对于反混现象，流动死区，压降高，容易聚集污垢的情况要特别注意，同时，对于蒸发器中干式的我们可以以螺旋式隔板的替代弓形式隔板，以至于改变壳程流动还有传热性能。

结束语

随着时代的发展与进步，总体看来，强化传热管的广泛应用，制冷空调机组壳管式换热器的传热性能还是得到了一定的提升，不过这还不够，对于水冷式的冷凝器来说，可以转换为完全断裂的三维翅片结构，以螺旋隔板代替弓形隔板，让降膜蒸发器替代满液式蒸发器，在进行制冷介质管外强化后，要有效的控制管内热阻。通过这些方面，达到传热强化目的，让其发展的更能跟上时代节奏。

参考文献：

[1]张正国，石国权，徐涛，高学农，汪双凤.压缩式制冷空调机组壳管式换热器的传热强化研究进展[J].制冷学报，2012，10（05）