本期我們來探討下套管換熱器可以如何強(qiáng)化換熱。
【資料圖】
（示意圖，不對應(yīng)文中任何產(chǎn)品信息）
1套管換熱器傳統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和換熱原理
1.1 套管換熱器基本結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)套管換熱器利用同軸層套管的形式進(jìn)行制冷系統(tǒng)冷量的傳遞，內(nèi)層管走換熱介質(zhì)冷凍水，內(nèi)層管與外層管之間走制冷劑，利用流體對流換熱的形式進(jìn)行熱量傳遞，具體結(jié)如圖1。
如圖1所示為套管式換熱器的造簡圖，它由不同直徑的兩種管子套在一起組成同軸套管成。小圓管內(nèi)流過一種流體，小圓管外壁與大圓管內(nèi)壁質(zhì)檢形成環(huán)形間流過另一種流體。小圓管的管壁就形成隔在兩種流體之間的傳熱壁面。
在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造這種換熱器時(shí)，采用同軸套管以螺旋式結(jié)堆疊在一起，以小換熱器占用間，提間利用率。
1.2 套管換熱器的熱阻計(jì)算
在換熱器傳熱計(jì)算過程中，通常以經(jīng)典熱力學(xué)公式作為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算如圖2所示，兩種流體在壁面間傳遞熱量時(shí)，符合經(jīng)典熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)熱的傳熱方程，為：
在研究換熱器在傳熱過程中的規(guī)律，通常以傳熱系數(shù)的倒數(shù)來表示熱傳遞過程中的阻力，我們?yōu)闊嶙?，這樣就可以套用電學(xué)的基本規(guī)律來研究傳熱學(xué)。套管式換熱器在換熱過程中，了壁面本身的熱阻之外，兩種流體與壁面之間換熱的時(shí)候，會(huì)存在熱阻，這種熱阻我們之為對流換熱熱阻。不同的流體介質(zhì)具有不同的性質(zhì)，在換熱時(shí)會(huì)以不同熱阻的形式呈現(xiàn)。如圖3所示。
以電學(xué)中的歐姆定律來描述傳熱學(xué)中的熱流量，這個(gè)方程可以寫成如下形式：
2套管換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)
從公式（3）可以出，如果想讓換熱器在換熱過程中的熱流量提，可以從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行：
首先可以加換熱器的傳熱表面，傳統(tǒng)加傳熱表面的方式是在管內(nèi)加肋片的形式。
其次是可以小換熱過程中的熱阻，熱阻有三個(gè)方面，冷流體側(cè)的換熱熱阻，熱流體側(cè)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(guān)，流體側(cè)的對流換熱熱阻的大小跟流體本身的流動(dòng)形式有關(guān)。
普通制冷劑和水等流體在常規(guī)流速的情況下是以紊流狀態(tài)存在的，但是可以通過螺旋流動(dòng)的方式加其繞動(dòng)，從而可以低其對流換熱熱阻。流體的螺旋流動(dòng)可以通過在管內(nèi)壁和外壁加螺旋肋片的形式來實(shí)現(xiàn)。這種方式不可以強(qiáng)流體擾動(dòng)，低換熱熱阻的情況下，同時(shí)可以低在流體流動(dòng)過程中的阻力。既可以強(qiáng)換熱效率，可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中低水泵能耗，起到節(jié)能的效果。套管式換熱器為了強(qiáng)化換熱，可以對套管換熱器進(jìn)行以下改造：
①套管內(nèi)管內(nèi)壁采用螺旋肋片結(jié)；
②內(nèi)管外 壁采用螺旋肋片結(jié)。
2.1 套管內(nèi)管內(nèi)壁采用螺旋肋片結(jié)構(gòu)
制冷套管換熱器的外管內(nèi)壁采用螺旋肋片結(jié)，可以使流體在流經(jīng)管路的過程中加流程，從而加換熱效率，同時(shí)由于流體在螺旋結(jié)的引下，以渦流形式流動(dòng)加的在與壁面的對流換熱過程中的擾動(dòng)，使對流換熱系數(shù)大大加，第三個(gè)方面，內(nèi)壁的螺旋結(jié)加的換熱面，加了換熱量，如圖4所示。
由式（5）可以得出，如果想低在傳熱過程中的熱阻，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)，其一就是通過加管長，可以低熱阻；其二就是大圓管內(nèi)徑。換熱器到自身間大小的限制，要加管長很難實(shí)現(xiàn)；大圓管內(nèi)徑勢要少壁厚，壁厚低的情況下會(huì)低管路強(qiáng)度，因此，在這樣的情況下，采用的唯一方法就是以在圓管內(nèi)壁加肋壁的方式來加圓管內(nèi)徑。
在換熱器表面一側(cè)采用肋壁的形式來強(qiáng)化傳熱，是一種強(qiáng)換熱器傳熱性能的有效方法，如圖5所示。
如房間調(diào)器的蒸發(fā)器、冷凝器等都適用肋片來強(qiáng)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(nèi)部加的肋壁，有流體通過的情況下，為了低阻力，其肋壁的形狀宜采用圓角的形式，如圖5所示，設(shè)肋和壁是同一種材料，熱系數(shù)為λ，厚度為δ，肋壁的表面為F2 ，肋面溫度為tw2，肋壁側(cè)流體的溫度為tf2 ，流體對肋壁 面的對流換熱系數(shù)為h2，無肋側(cè)光壁的表面為F1 ，肋面溫度為tw1 ，肋壁側(cè)流體的溫度為tf1 ，流體對肋壁面的對流換熱系數(shù)為h1 。
從公式（10）中可以出，通過對流換熱進(jìn)行熱量傳遞時(shí)，可以有以下幾種方法：
其一，擴(kuò)大兩種流體的溫差，在制冷系統(tǒng)中，如果想擴(kuò)大溫差，在熱流體溫度不的情況下，只能低冷流體的溫度。在制冷原理中，如果要低冷流體的溫度，就需要低制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度，低蒸發(fā)溫度會(huì)是制冷系統(tǒng)的能效比低，這是得不償失的。
其二，少肋壁的厚度，這種情況會(huì)低換熱器的強(qiáng)度。
其三，加F2 的面，這是通過加肋壁的形式來實(shí)現(xiàn)的，由于肋壁的表面F2 大于光壁的表面F1 ，這明，壁改為肋壁后會(huì)強(qiáng)傳熱。
在制冷調(diào)工程中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的一側(cè)的面大，是一種強(qiáng)傳熱的最廣泛的方法。肋壁面的面F2與光面的面F1 的比值F2 /F1 為肋化系數(shù)，用αν 來表示。當(dāng)h2（F2 /F1 ）的值接近于h1時(shí)，使再加F2 /F1 的值，不會(huì)有明顯的強(qiáng)換熱的效果。
2.2 內(nèi)管外壁采用螺旋肋片結(jié)構(gòu)
在公式（10）中，如果以光壁的面為基準(zhǔn)來計(jì)算傳熱系數(shù)，則傳熱系數(shù)的公式可以寫成如下形式：
從這個(gè)公式可以出，如果想強(qiáng)換熱效果還可以加F1 的面，這就是在套管換熱器中的內(nèi)管的外壁加螺旋肋片結(jié)的理論基礎(chǔ)。在對流換熱過程中，傳遞的熱流量與套管換熱器內(nèi)管外壁的面成正比，因此，我們在內(nèi)管外壁上加螺旋肋片以加換熱面，如圖6所示。
在制冷調(diào)設(shè)備的換熱器中傳熱面大都是金屬薄壁，薄壁的熱熱阻很小，一可以忽不計(jì)，在不計(jì)入污垢熱阻時(shí)，傳熱系數(shù)可以寫成如下公式：
3結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的效果
在套管式換熱器在進(jìn)行對流換熱過程中，為了強(qiáng)化在換熱過程中的換熱效率，對套管式換熱器的內(nèi)壁進(jìn)行肋片化改造，并使這種肋片以螺旋形態(tài)在管壁內(nèi)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，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
首先，通過肋片化改造，使套管換熱器的換熱面得到較大程度的提，這不提了套管間的對流換熱的熱流量，使內(nèi)管內(nèi)壁的對流換熱的熱流量得到提。
其次，通過在管路內(nèi)的肋片以螺旋的形式存在，可以是流體在流過換熱壁面時(shí)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，大大強(qiáng)了流體與壁面之間的對流換熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)的強(qiáng)，會(huì)使換熱效率提。使制冷系統(tǒng)的能效比提，起到了很好的節(jié)能效果。
第三，在換熱器制作過程中，在不加材料使用量的情況下，改壁面形狀，可以使換熱器的強(qiáng)度加以提。
第四，流體在管內(nèi)流動(dòng)過程中，由于是以螺旋的狀態(tài)進(jìn)行的，流體的流程比原來的光壁套管得到較大的提，加流體在套管換熱器內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間，從而能強(qiáng)換熱器的換熱效率。
第五，本文討論的套管換熱器，在套管內(nèi)外流動(dòng)的流體，是以逆流的方式進(jìn)行換熱的，這種方 式同樣比順流式的換熱器有較強(qiáng)的換熱效果。
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