管壳式冷凝器内低螺纹管的凝结传热模型

    低螺纹管是管壳式传热器应用于制冷空调中采用的一种传热管,具有较好的传热特性.Tagliafi-co[1]在分析低螺纹管的流动传热时,出于系统模型的要求对螺纹管管簇作了很多分析,但没有考虑结构参数对单管的影响.黄兴华[2]提出了一种管壳式传热器壳程单相流动和传热的三维模拟方法.用体积多孔度、表面渗透度、分布阻力和分布热源来考虑壳程复杂几何结构造成的流道缩小和流动阻力、传热效应,通过数值求解平均的流体质量、动量、能量守恒方程,得到壳程流动和传热的分布.

    本文对低螺纹管的传热机理进行分析研究,但考虑到低螺纹管是管壳式传热器,在冷凝传热时不仅受到管径和翅片参数(如翅片间距,翅片角度,翅片高度)的影响,亦受到管簇的影响,为此本文首先建立了单管模型,并在此基础上建立管簇模型.

    1　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1.2～2.0 mm,管内是冷却水,管外则是制冷剂蒸气.在这个相变传热过程中,蒸汽被冷却后凝结在低螺纹管外并滴落,制冷剂的比容、比热容、粘度等参数均发生变化,且冷凝传热系数比单相时要大.

    1.1　单位传热面积和传热效率的表达

    低螺纹管的单位长度外表传热面积可表示为

    Af为翅片表面积;Ab为翅片间基管外表面;AT为翅顶面积;dt为翅顶直径;db为基管直径;Sf为翅片间距;θ为翅片夹角;δ0为翅根宽;n为每米管长翅片数.

    低螺纹管的翅片效率为

    m为翅片参数;h′为当量翅高;αk为翅片管与制冷剂蒸气的传热系数;Kf为低螺纹管导热系数;δf为翅片平均厚度.

    1.2　低螺纹管上的凝结传热

    制冷剂蒸气在传热壁面外冷凝时,冷凝液通常会有膜状冷凝和珠状冷凝两种情况.冷凝液与传热表面间湿润性好则出现膜状冷凝;反之,表面有油污则产生珠状冷凝.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,封闭在有限壳体内的螺纹管的冷凝液就属于这种情况,可将其视作膜状冷凝进行处理.

    制冷剂蒸气在低螺纹管上冷凝传热可分为以下三部分.

    (1)蒸气在翅片表面冷凝.制冷剂沿着翅片表面的冷凝传热相当于蒸气在竖直壁上的膜状冷凝,根据Nusselt公式[3],有

    式中:αkf为蒸气在翅表面冷凝的传热系数;c为常数,完全层流时c=0.943,但实际上蒸气流动对液膜有影响,不可能保持完全层流,因此可取c=1.13;ρ为在液膜温下冷凝液的密度;rs为在膜温下冷凝液的制冷剂潜热;K为在液膜温下冷凝液的导热系数;Lf为在液膜温下冷凝液的粘度;tk、tw分别为饱和蒸气温度和壁面温度;H为环型翅片当量高度,