低螺纹管的冷凝换热分析

    1 引言

    管壳式换热器是制冷空调、石油化工各行业中应用最广泛的换热器。换热器的性能与传热过程的机理密切相关,很多学者对传热的机理和结构强化进行分析研究,对换热器的高效和安全运行起了很大作用。

    低螺纹管是管壳式换热器应用于制冷空调而采用的一种换热管,其特点是管壁薄、翅片高较小、翅片间距和管间距相对较大,低螺纹管的外表面积为同直径光管外表面积的三倍以上,是一种传热特性很好的换热管。低螺纹管的传热特性对管壳式冷凝器性能乃至整个系统性能有很大影响。现代换热器的发展方向应是高效、节能、紧凑和安全,因此堆砌传热机理进行分析研究,建立合理的计算模型显得十分重要,也是整个系进行仿真和优化的基础之一。具有重要的理论及实际应用价值。

    2 单根低螺纹管的传热特性

    如图1所示,低螺纹管是薄壁紫铜管在常温下辊轧而成的。

    其翅高通常为1.2~2.0mm。管内是冷却水,管外则是制冷剂蒸汽,整个过程是一个相变传热过程,蒸汽被冷却后凝结在低螺纹管外并滴落,其过程中制冷剂的比容、比热容、粘度等参数均发生变化,冷凝换热系数比单相时换热系数要大。本节将建立其传热计算模型并分析影响因素。

    2.1 单位传热面积和传热效率的表达

    a.低螺纹管的单位长度外表传热ft面积可表示成:

ft=ff+fb+fT(1)

    式中翅片表面积:

    翅片间基管外表面积:

    翅顶面积:

    在以上各式中:

    dt、db—翅顶和基管直径(m);

    δb、δT—翅根宽和翅顶宽(m);

    θ—翅片夹角;

    n—每米管长翅片数。

    b.低螺纹管的翅片效率ùf可由下式给出:

    式中翅片参数:

    低螺纹管的当量翅高:

    公式中αk—翅片管与制冷剂蒸气的放热系数(W/K•m²)

    Kf—低螺纹管导热系数(W/m•K)

    δf—翅片平均厚度(m)

    2.2 低螺纹管上的凝结换热

    制冷剂蒸气在传热壁面外冷凝时,冷凝液通常会有两种情况,一种是膜状冷凝,另一种是珠状冷凝。冷凝液与传热表面间湿润性好则出现膜状冷凝,反之表面有油污,湿润性不好时就产生珠状冷凝。但珠状冷凝往往是暂时和局部的,当油层被速度较高的蒸气冲刷干净后还是形成膜状冷凝,对于在封闭有限壳体内地落恩管的冷凝液属于这种情况,因此我们视作膜状冷凝进行处理。

    制冷剂蒸气在低螺纹管上冷凝换热可分为三个部分:

    a.蒸气在翅片表面冷凝