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無錫市金科爾動力設備有限公司
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【低溫省煤器】我國翅片管在冷凝器中的應用

翅片管是為了提高換熱效率,通常在換熱管的表面通過加翅片,增大換熱管的外表面積(或內表面積),從而達到提高換熱效率的目的,這樣一種換熱管。冷凝器是空調系統的機件,能將管子中的熱量,以很快的方式,傳到管子附近的空氣,大部分的汽車置于水箱前方。把氣體或蒸氣轉變成液體的裝置。發電廠要用許多冷凝器使渦輪機排出的蒸氣得到冷凝;在冷凍廠中用冷凝器來冷凝氨和氟利昂之類的致冷蒸氣。石油化學工業中用冷凝器使烴類及其他化學蒸氣冷凝。在蒸餾過程中,把蒸氣轉變成液態的裝置稱為冷凝器。所有的冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運轉的。

  1、常見冷凝器類型與特點:

  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。根據冷卻介質和冷卻方式的不同,冷凝器可分為水冷式、空冷式、蒸發式三種類型。

  1)水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是以水作為冷卻介質,靠水的溫升帶走冷凝熱量。水冷式冷凝器具有傳熱效率高、結構緊湊的特點。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使用,其主要缺點是需要設置專門的冷卻水循環系統,初投資高,水處理費用大。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。

  在大中型空調制冷裝置及工業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。

  2)空冷式冷凝器
空冷式冷凝器也稱風冷式冷凝器,制冷劑在管內冷凝,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制對流空氣冷卻式冷凝器。由于空氣的對流傳熱系數很低(25~35 W/m·2K),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,故而設備體積和質量均龐大,占地大。但是可冷熱兩用,初投資低,系統維護管理相對簡單。空冷式冷凝器在工程實際中的應用十分廣泛,既可用于制冷系統,也廣泛應用于空調系統。其最大的優點是不需冷卻水,因此特別適用于缺水地區或者供水困難的場合,在小型制冷空調領域應用尤為廣泛。

  3)蒸發式冷凝器
蒸發式冷凝器是以蒸發冷凝和顯熱交換為基礎,制冷劑放出的熱量同時由冷卻水和空氣帶走。制冷劑在管內流動,冷卻水在管外噴淋蒸發時吸收氣化潛熱,使管內制冷劑冷卻和冷凝。蒸發式冷凝器中,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低3~5℃,從而大大降低壓縮機的功耗,耗水量只有水冷式冷凝器系統的1/3左右。我國蒸發式冷凝器的開發和應用相對滯后,以往多應用于大型的氨制冷系統。近年來,由于電力資源緊張和水資源匱乏,蒸發式冷凝器作為一種節能節水型換熱設備,其研究和應用得到了廣泛重視,促進了蒸發式冷凝器產品技術的成熟和進一步應用。目前,已有一些生產廠家在結構上對其進行了完善,使之應用于中央空調機組。

  對于那些需要進行精確控制的冷凍空調系統和運行環境惡劣的場合,蒸發式冷凝器更容易滿足工藝控制要求。工程應用表明,采用該產品替代傳統的“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,經濟效益明顯。

  2、冷凝器中常用的強化傳熱翅片管
 
  傳熱過程是熱量從一種流體通過固體壁面傳給另一種流體的過程。工程實際中,強化換熱器的換熱性能主要從強化兩側介質與換熱管內、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強化傳熱技術有:

(1)表面涂層;

(2)粗糙表面;

(3)擴展表面;

(4)各種內外螺紋管;

(5)擾流元件;

(6)添加物;

(7)沖擊傳熱。

  在各種強化傳熱技術中,在壁面上加裝翅片,作為增強傳熱的一個主要手段,在工程中得到廣泛應用。翅片管式換熱器具有高效傳熱、結構緊湊等特點,已被廣泛地應用于制冷空調裝置、航空航天設備、太陽能集熱器和電子設備等各個領域中。在冷凝器中的應用尤為普遍。

  翅片管的種類很多,而且還在不斷涌現新的品種,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、用途等幾個方面對翅片管進行分類。在冷凝器中,常用的翅片管有以下幾種形式。


   1)內螺紋管
內螺紋管是一種常見的傳熱特性很好的高效換熱管。空調中采用的水冷式冷凝器一般為R22系統,普遍采用內螺紋管,其傳熱系數可達930~1 600 W/m·2K,進而可以降低冷凝溫度,單位制冷量冷水機組壓縮機能耗就越少。另外,水冷式冷凝器,特別是大型冷水機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壁形成污垢,使換熱效果大大削弱。研究表明:冷凝器選用內螺紋管時,冷卻水存在臨界流速υ臨界,當流速υ<υ臨界時,不管機組運行多長時間,相對于光管而言都可實現經濟性運行;如果冷卻水流速υ>υ臨界,那么必然存在臨界時間t臨界,當累計運行時間t≤t臨界時,冷凝器選用內螺紋管仍然具有經濟性。故只要以臨界時間為參考點定期清洗冷凝器,就可維持機組經濟性運行。

   2)整體型螺旋翅片管
整體形螺旋翅片管是由專用設備———整體形螺旋翅片管加工設備一次性加工成型,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合軋制而成,有銅鋁復合管與鋼鋁復合管;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。

  整體形螺旋翅片管作為熱交換設備中的重要換熱元件,在采暖、制冷系統的冷凝器中得到普遍應用,另外還可廣泛應用于石油、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業生產、生活領域。

  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。其強化傳熱機理是產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。實踐證明:螺旋槽管對液-液、液-氣、氣-氣間傳熱過程均有強化作用,與光管相比,總傳熱系數可提高20%~40%,可用于各種形式的換熱器、余熱鍋爐等。


  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。與光管相比,它們具有下述共同特點:

  (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,使換熱得到不同程度的強化;

  (2)在負荷一定的條件下,冷凝器所需面積可大大減小;

  (3)根據大多數人的常識,粗糙的翅片管表面容易引起結垢;事實上,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,污垢也呈現離散的鱗片狀,設備運行中溫度的變化使管子發生膨脹和收縮,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,翅片管的結垢情況并不比光管嚴重多少。

  冷凝器的應用范圍十分廣闊,特別是在制冷空調系統中。冷凝器作為主要的傳熱設備之一,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化得到了越來越廣泛的重視。為了提高冷凝設備的整體性能,通過管子形狀或表面性質的改造來強化傳熱過程以提高冷凝器的效率,已成為國內外冷凝器發展的一種趨勢。柏恩翅片管換熱器所采用的緊湊型串片式管片系統,它是一種新型的高效傳熱元件。其獨特的片型結構和加工工藝流程,使得空冷器產品具有更加緊湊的外形尺寸,更高的換熱效率和更輕的重要。

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