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换热器传热基础知识

2016-12-06  来源:互联网转载  发布者:小A

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        蒸发器与冷凝器是制冷系统中制冷循环的基本设备,均属换热设备,制冷剂在冷凝器中放出热量,在蒸发器中吸收热量,实现制冷循环过程。
        在制冷设备中,换热设备占很大的比重,换热设备的作用是使制冷剂在其中吸收热量或放出热量,它包括冷凝器、蒸发器和一些辅助热交换器等,换热设备在制冷系统中起着重要的作用,换热设备的性能对制冷系统具有较大的影响。

        换热设备的工作原理是热流体和冷流体同时在换热器传热面两侧流动,热量通过壁面从热流体传给冷流体。两物体之间的传热是一种很复杂的过程。
        传热有三种基本方式,即热传导、热对流和热辐射。
热传导:是指静止物体(如气体、液体、固体),由于分子、原子、电子的运动,使热量从物体内由高温处向低温处的传递。比较熟悉的例子如蒸汽加热池中的水;金属导热(电焊、火钩、热锅中的铲子)等。热传导在真空中不能传递。
热对流或称对流传热:是指气、液流体流动引起的热量传递,又分为强制对流和自然对流两种。强制对流指在泵或风机的外力作用下而引起的流体流动,比较熟悉的例子如暖气、空调冷热风等。自然对流指流体各部分温度不均匀而形成密度的差异而使流体相对流动发生的传热,如土暖气等。
热辐射:是指物体发出辐射能,通过电磁波产生能量传递。当温度较高时才能发生。比较熟悉的例子如火炉取暖、频谱治疗仪等。

        制冷换热设备的传热情况,往往是热传导、热对流、热辐射两种或三种传热方式组合作用的结果。比如在水冷式冷凝器中,制冷剂蒸汽冷却和凝结时放出的热量,主要通过热对流传递给冷凝器管子外壁,然后通过热传导传至管子内壁,再通过热对流把热量传给冷却水。而温度较高的冷凝器壳体还通过热对流和热辐射把热量传递给周围的空气。

        在工程上,为了简化计算,通常把以上复杂的热传递过程用一个总传热系数来表示,用k来表示。当传热面为圆管形状时,常常以外传热表面为基准面,总传热系数的计算公式如式1。为了方便理解和记忆式1,可以想象有一圆管形传热管,管内和管外分别分别走两种温度不同的流体,假如管外的流体温度高,管外流体热量传递到管内流体的过程和传热方式是有规律变化的,传热管外流体热量对流传热到传热管外表面,热量克服传热管外表面污垢热阻,热量在传热管壁厚上热传导到传热管内表面,热量克服传热管内表面污垢热阻,热量传递到传热管内流体进行对流传热。因为以传热管外表面为基准面,传热管内表面的曲率的变化影响因素用传热管外径和内径比来修正,符号的下脚标分别表示outside和inside,即外表面和内表面。

                                                                    

        总传热系数 是表示换热设备性能的重要参数,影响K值的因素有:传热面内外两侧流体的对流传热系数α、管子内外径d和壁厚b、传热面材料的导热系数λ、污垢热阻Rs等。总传热系数K的大小与冷热流体的流动情况、传热壁面的材料、形状、尺寸等许多因素有关。 值的单位为W/(㎡•K),K越大,表明换热设备的传热。
换热设备的基本传热公式为

                                                                                        
        式中
        ——换热设备的传热量(W);
        ——传热系数[W/(㎡•K)];
        ——换热设备传热面积(㎡);
         ——对数平均温差(K)。
        通常利用基本传热公式,根据 Δtm,Q ,KQ 来确定或核算传热面积F。
        采用对数平均温差 Δtm,是因为在计算由热流体传递给冷流体的热量(或冷流体所吸收的热量)时,要考虑在传热过程中,热流体和冷流体的温度是沿着流动方向不断变化的,而且流体的温度对整个传热面积来说,也并不是始终保持不变的,用对数平均温差比用算术平均温差准确。对数平均温差计算公式为

                                                                               

        有关手册中列有制冷换热设备传热参数的经验值,可供使用时参考,不同操作情况下,制冷换热设备传热参数值变化范围很大。应对常用的制冷换热设备传热参数值的大小有一个数量级的概念,对于熟悉和掌握制冷换热设备的特点、传热分析会有所帮助。表1中列出了一些制冷换热设备总传热系数的大致范围,表2列出了一些制冷装置中常用材料的导热系数,表3列出了一些常用的制冷装置中对流传热系数.

表1 常用制冷换热设备总传热系数K的大致范围
换热器名称及型式
传热系数/K/[W/(㎡·K)]
相 应 条 件
卧式冷凝器(氨)
810~1050
传热温差4~6℃,单位面积冷却水用量0.5~0.9m3/(㎡·h)
卧式冷凝器(氟利昂)
930~1169
传热温差,7~9℃,低肋管,肋化系数≥3.5,水速1.5~2.5m/s
套管式冷凝器
970~1290
传热温差,8~11℃,低肋管,肋化系数≥3.5,水速2~3m/s
空气冷却式冷凝器(强制对流)
29(R12)
35(R22)
迎面风速2.5~3.5m/s,冷凝温度与进风温差≥15℃,室外温度35℃
空气冷却式冷凝器(自然对流)
6~9
 
满液式
氨,水
490~580
蒸发温度0℃,水速1~2m/s
氨,盐水
410~550
传热温差4~6℃
氟利昂,盐水
490~520
传热温差4~6℃,水速1~1.5m/s,肋化系数3.5
氟利昂,盐水
520~760
传热温差4~8℃,水速1~1.5m/s,光管外径15.9mm
干 式
氟利昂,水
450~910
传热温差在7℃以上,水速高的情况为大值
氟利昂,水
340~790
传热温差在4℃以下,水速低的情况为相应小值
氟利昂,水
1630~1750
R22,8肋内肋管,水速1.1m/s
 
2 制冷装置中常用材料的导热系数λ
  
λ/W/(m·℃)
  
λ/W/(m·℃)
新霜
旧霜
383.79
227.95
52.34
0.118
0.55
玻璃
玻璃丝棉
发泡塑料
空气
1.0932
0.599
0.03489
0.04652
0.0244
 
表3 常用的制冷和空调装置中对流传热系数α
流体的种类和状态
α/W/(m2·℃)
流体的种类和状态
α/W/(m2·℃)
静止气体
流动气体
静止液体
4~20
10~500
70~300
流动液体
冷凝面 R12
蒸发面 R12
200~1000
1600
1700

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