換熱器是制冷空調(diào)系統(tǒng)中*重要的部件之一，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，換熱器的研究一直是制冷空調(diào)領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S的研究方向。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員及學(xué)者對(duì)換熱器性能優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，這些研究涉及的換熱器按照冷卻介質(zhì)主要分為風(fēng)冷式換熱器、水冷式換熱器和蒸發(fā)式冷凝器。
風(fēng)冷式換熱器的主要代表是翅片管式換熱器，翅片管式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、改造靈活、易于加工、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用*多的換熱器之一。翅片管式換熱器的強(qiáng)化傳熱可分為主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)和被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)。主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)包括外加磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)等，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高難以推廣應(yīng)用；被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)無須施加外力，是當(dāng)前主要的強(qiáng)化傳熱手段。被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)主要應(yīng)用于光滑連續(xù)翅片及粗糙或不連續(xù)翅片管式換熱器，小管徑翅片管式換熱器、變翅片間距翅片管式換熱器。復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)包括流體強(qiáng)化傳熱以及微通道強(qiáng)化傳熱、鋁代銅技術(shù)等。
水冷式換熱器的主要代表是管殼式換熱器和板式換熱器等，管殼式換熱器因其具有耐高壓、密封性好、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。管殼式換熱器的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)和機(jī)制研究對(duì)實(shí)現(xiàn)高效換熱、提高能源利用率、節(jié)約投資成本具有重要意義。管殼式換熱器的強(qiáng)化換熱研究主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)入手，開發(fā)新型的高效傳熱管（如螺旋槽紋管、波紋管、縮放管、繞絲花環(huán)管、內(nèi)插扭帶強(qiáng)化管等），強(qiáng)化管程的換熱；②在管束間的支撐結(jié)構(gòu)采取措施（如螺旋折流板、整圓折流板、螺旋葉片、折流桿等），改變殼程流體的流動(dòng)狀態(tài)，主要是從橫向流變成縱向流和螺旋流，以提高傳熱效率和降低殼程阻力。板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備，與其他換熱器相比具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、易拆洗等優(yōu)點(diǎn)，但存在流動(dòng)阻力大、承壓能力低等缺點(diǎn)。板式換熱器近年來的技術(shù)發(fā)展可歸納為以下幾個(gè)方面：①高效的波紋板片；②適用于腐蝕介質(zhì)的板片、墊片材料及涂（鍍）層；③提高使用壓力和使用溫度；④大型板式換熱器；⑤板式換熱器的傳熱和流動(dòng)阻力。板式換熱器內(nèi)的傳熱和流動(dòng)阻力是換熱器研究的難點(diǎn)之一。
蒸發(fā)式冷凝器主要分為板式蒸發(fā)式冷凝器和套管式蒸發(fā)式冷凝器。蒸發(fā)式冷凝器的冷凝溫度由空氣的濕球溫度確定，比風(fēng)冷式冷凝器冷凝溫度低5~11 ℃，而且具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積占比小等優(yōu)點(diǎn)。在蒸發(fā)式冷凝器工作過程中，可能出現(xiàn)環(huán)境溫度降低、濕度增大的現(xiàn)象，其冷卻過程為焓值不變的絕熱過程。
從原理上看，高效換熱器對(duì)制冷機(jī)組的高能效具有重要意義，在制冷需求相同時(shí)，意味著制冷機(jī)組的尺寸和用材量減少，同時(shí)帶來減排和經(jīng)濟(jì)效益。另外，在保證制冷空調(diào)用換熱器高效和換熱需求的前提下，應(yīng)該盡量減少其制冷劑側(cè)的內(nèi)容積，這樣制冷劑充注量就會(huì)顯著下降。制冷劑用量減少，一方面可帶來減排效益，另一方面可以提高可燃制冷劑使用的安全性，這對(duì)具有可燃性的低GWP制冷劑的推廣應(yīng)用顯得尤為重要。
R290等可燃制冷劑在房間空調(diào)器和熱泵系統(tǒng)中使用過程中的安全性問題主要源自其可能出現(xiàn)的泄漏隱患，一旦出現(xiàn)制冷劑泄漏事故，泄漏到房間內(nèi)的可燃制冷劑濃度便有可能達(dá)到燃爆范圍，引發(fā)安全事故。低充注技術(shù)能夠滿足環(huán)保和安全需求，目前對(duì)可燃制冷劑用換熱器的產(chǎn)品整體安全設(shè)計(jì)研究主要有：通過微通道換熱器和小管徑換熱器應(yīng)用研究，減少R290制冷劑的充注量，從而滿足安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充注量的要求。
筆者按照制冷空調(diào)用換熱器主要型式分別介紹強(qiáng)化換熱技術(shù)在換熱器中的應(yīng)用，以及適應(yīng)低工質(zhì)充注量、低GWP工質(zhì)的緊湊型高效換熱器的研發(fā)進(jìn)展，并對(duì)制冷空調(diào)用換熱器的未來發(fā)展進(jìn)行展望。
1 風(fēng)冷式換熱器
風(fēng)冷式換熱器，其主要熱阻環(huán)節(jié)在空氣側(cè)，新型形狀的翅片和開縫結(jié)構(gòu)作為空氣側(cè)主要強(qiáng)化手段，將會(huì)持續(xù)研發(fā)和擴(kuò)大應(yīng)用，能夠緩解積塵結(jié)垢或易清洗的翅片結(jié)構(gòu)更受青睞。內(nèi)容積較小的緊湊型高效換熱器，如小管徑換熱器、微通道換熱器和鋁代銅換熱器等，在制冷空調(diào)機(jī)組中的應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
1.1 小管徑翅片管式換熱器
小管徑翅片管式換熱器是換熱器結(jié)構(gòu)緊湊化的一個(gè)主要方向，是用較小管徑的銅管替代現(xiàn)有換熱器中直徑較大的銅管，即將換熱管外徑從9.52 mm減小到7 mm和5 mm或以下。采用小管徑后，能夠減少銅的消耗量、提高銅管耐壓強(qiáng)度，還可以減少制冷劑的充注量，將會(huì)降低使用低GWP和ODP的易燃工質(zhì)的爆炸危險(xiǎn)性。在相同換熱量下，采用小管徑后換熱器外形尺寸和內(nèi)容積均會(huì)變小。由于空氣側(cè)的換熱熱阻較制冷劑側(cè)的熱阻要大得多，故研究人員將重點(diǎn)放在翅片側(cè)的換熱和壓降方面。
在換熱能力方面，黃浩亮等建議當(dāng)換熱器管徑減小時(shí)，應(yīng)提高翅片密度以應(yīng)對(duì)換熱面積的減小。吳揚(yáng)等認(rèn)為可通過調(diào)整制冷劑流路、管間距和翅片間距的方法達(dá)到同樣的換熱性能。Wang C. C.等針對(duì)不同規(guī)格的翅片管式換熱器做了大量的試驗(yàn)研究，分析了關(guān)于1排和2排平片換熱器的管徑對(duì)換熱系數(shù)的影響。吳極等指出?5 mm換熱器的空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比?7 mm換熱器提高了17%，隨著干度的增大，5 mm管內(nèi)傳熱系數(shù)增大到?7 mm管的1.43~1.86倍。胡海濤等指出，在相同工況下，5 mm強(qiáng)化管與光管相比，傳熱系數(shù)增大60%~130%，壓降增大40%~65%。
在壓降方面，趙可可等針對(duì)制冷劑R410A，比較了?7 mm和?5 mm換熱器的流動(dòng)摩擦阻力變化。趙定乾等將研究推廣到了?3 mm銅管的應(yīng)用，研究表明：隨著空氣流速的增大，換熱器的壓降隨之增大；片距越小，壓降越大；在同一種翅片間距下，2排管換熱器的單排管壓降相比3排管的要大，雖然整個(gè)換熱器的壓降差別不大，但是平均到單排之后壓降就會(huì)有一定的差異。
在節(jié)約成本方面，D. Nasuta等進(jìn)行了小管徑翅片管式換熱器與傳統(tǒng)大管徑翅片管式換熱器設(shè)計(jì)的比較研究，研究結(jié)果表明，小管徑翅片管式換熱器可以節(jié)約成本，在相同性能下，9.52 mm換熱器的材料成本是?5 mm的2倍。Jin S. J.等對(duì)管徑為7 mm的R22翅片管式蒸發(fā)器進(jìn)行了改進(jìn)，管徑縮小到5 mm，使用制冷劑R290，結(jié)果表明，R290蒸發(fā)器的傳熱效果優(yōu)于R22蒸發(fā)器，在不增大壓降的前提下，R290小管徑翅片管式蒸發(fā)器的換熱量提高了34.62%，制冷劑流量、壓降、銅耗和鋁耗分別降低了28.7%，43.1%，28.6%和30%。王磊針對(duì)大型風(fēng)冷式制冷空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用，研究了銅管管徑變化時(shí)翅片管式換熱器換熱面積、管側(cè)容積、換熱量和壓降的變化情況，結(jié)果表明，在合理選擇管列間距和管排間距的前提下，7.94 mm和?7 mm換熱器都可以達(dá)到?9.52 mm換熱器的換熱量，并實(shí)現(xiàn)約10%的成本節(jié)約。
翅片管式換熱器將逐步從目前的?9.52 mm和?6.35 mm向?5 mm和?3 mm發(fā)展。小管徑翅片管式換熱器具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是目前，如何適應(yīng)制冷和制熱工況還需要進(jìn)一步研究。
1.2 鋁代銅換熱器
目前，鋁代銅技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用主要集中在以下2個(gè)方面：
1） 鋁管替代連接銅管。鋁管在空調(diào)器上的替代主要是空調(diào)器室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)的制冷劑連接管道，該連接管只需耐壓、防腐，對(duì)換熱性能幾乎沒有要求，因此成為制冷空調(diào)領(lǐng)域的新選擇。
2） 全鋁換熱器。全鋁換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，平行流換熱器由集流管、數(shù)條平行支路的多孔扁管和鋁翅片焊接而成，具有高效、緊湊、體積小且質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。
圖1 全鋁蒸發(fā)器與全鋁冷凝器組件制品
N. Charoensuk等研究了不同鋁表面粗糙度的水滴的物理性質(zhì)，通過接觸角觀察鋁表面上的液滴行為，定義了鋁表面液滴的新方程模型。Wang R.等采用空氣焓值法對(duì)新型全鋁換熱器和翅片管式換熱器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種全鋁換熱器是翅片管式換熱器的理想替代品。王冠新等從選材、試驗(yàn)分析、生產(chǎn)工藝分析、成本對(duì)比等幾個(gè)方面對(duì)全鋁翅片管式換熱器的應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)果表明，全鋁翅片管式換熱器與銅管換熱器相比，成本約降低 25%～30%。王瑞等對(duì)全鋁翅片管式換熱器的翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出翅片*優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)厚度、間距和高度分別為0.1 mm，1.5 mm和5.6 mm，與原機(jī)相比，采用該新型換熱器后能效比提高5%。榮俊等對(duì)采用新型無接觸熱阻全鋁換熱器的空調(diào)系統(tǒng)制冷性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)新型無接觸熱阻全鋁換熱器換熱面積減小37.53%時(shí)，制冷量提高3.59%，能效比提高7%。
1.3 微通道換熱器
Kandlikar等將微通道定義為水力直徑為0.01~0.2 mm的通道，水力直徑為0.2~3 mm的通道為細(xì)通道，水力直徑大于3 mm的為常規(guī)換熱器通道。隨著扁管型材開發(fā)、翅片制作工藝、釬焊技術(shù)等的發(fā)展，微通道換熱器得到了廣泛應(yīng)用。微通道換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示，相比傳統(tǒng)尺寸換熱器，微通道換熱器作為一種高效、節(jié)材、環(huán)保、輕量的換熱器，具有換熱效率高、可控性好、噪聲低、運(yùn)行穩(wěn)定、承壓能力好、抗腐蝕和節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)微通道換熱器的研究主要集中在制冷劑充注量及分配和結(jié)霜性能2個(gè)方面。
圖2 微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖
在制冷劑充注量及分配方面，葛方根等對(duì)微通道換熱器作為冷凝器展開研究，定量分析了機(jī)組的制冷劑充注量及性能。C. D. Bowers等和H. W. Byun等分別研究了制冷劑性質(zhì)、換熱器的制冷劑進(jìn)出口位置、制冷劑流量等對(duì)單流程微通道換熱器內(nèi)制冷劑分配均勻性的影響。與單流程微通道換熱器相比，多流程微通道換熱器過熱區(qū)擴(kuò)大，且流程設(shè)計(jì)更符合氣液兩相工質(zhì)相態(tài)變化規(guī)律。
在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，魏文建等研究了翅片管式換熱器、常規(guī)微通道換熱器和插片式微通道換熱器的換熱特性，指出插片式微通道換熱器的換熱能力*優(yōu)，在額定制冷/制熱工況下，插片式微通道換熱器比翅片管式換熱器和常規(guī)微通道換熱器分別高7.9%和4.2%。張克鵬指出翅片開窗角度為45°且開窗數(shù)為14個(gè)時(shí)，微通道換熱器空氣側(cè)換熱量*大，壓降相對(duì)較小。
在結(jié)霜性能方面，王定標(biāo)等研究的“一種新型收腰型百葉窗翅片”，可以強(qiáng)化傳熱、增強(qiáng)霜層均勻性。張日葵等研究的“一種后掠型百葉窗翅片”，具有自清潔能力、抑制霜層生長(zhǎng)等特點(diǎn)。索曉娜等對(duì)微通道換熱器結(jié)霜性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，百葉窗間距越小、翅片的緊湊度越高，翅片前半部分的霜層生長(zhǎng)越快，在較早時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生霜層堵塞現(xiàn)象，百葉窗翅片霜層前后均勻性較差，百葉窗高度越大，通道內(nèi)部的濕空氣平均溫度越高，翅片發(fā)生霜層堵塞的時(shí)間較晚，霜層前后區(qū)域的均勻性較好。
結(jié)合鋁代銅技術(shù)與微通道技術(shù)的全鋁微通道平行流換熱器，由鋁制的集流管、多孔的微通道扁管和鋁翅片釬焊而成。相比于翅片管式換熱器，其傳熱能力可提高30%，同時(shí)具有質(zhì)量輕、制冷劑充注量小、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
1.4 變翅片間距翅片管式換熱器
換熱器表面結(jié)霜使空氣流道變窄，換熱效果變差，風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的功耗增大，能效比降低，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象。
針對(duì)除霜問題，目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在翅片結(jié)霜特性、翅片間距和開窗角度、空氣入口速度和翅片結(jié)構(gòu)等對(duì)換熱性能的影響。傳統(tǒng)換熱器的翅片間距比較固定，在此基礎(chǔ)上設(shè)置翅片間距遞減的多段翅片段，在保持所需長(zhǎng)度的同時(shí)，翅片間距的變化減小了流動(dòng)阻力。變翅片間距換熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。在結(jié)霜情況下，變翅片間距換熱器的阻力比非變間距翅片換熱器小，可有效降低風(fēng)機(jī)的壓頭，減小系統(tǒng)的功耗，且不易造成堵塞，從而提高系統(tǒng)的能效比。方趙嵩等利用風(fēng)洞試驗(yàn)裝置試驗(yàn)研究變間距對(duì)稱圓孔翅片管式換熱器在結(jié)霜工況下的性能，結(jié)果表明，變間距對(duì)稱圓孔翅片管式換熱器的換熱量提高7.6%，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高18.26%，阻力減小48.85%，節(jié)省21.43%的翅片金屬材料。
圖3 變翅片間距翅片管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖
2 水冷式換熱器
水冷式換熱器的主要熱阻在制冷劑側(cè)，各種肋化結(jié)構(gòu)的高效傳熱管在水冷式換熱器的應(yīng)用不斷增多，新型肋化結(jié)構(gòu)的高效傳熱管得到持續(xù)研發(fā)。由于水側(cè)結(jié)垢、積污會(huì)增大熱阻，因此各種抑制結(jié)構(gòu)或者除污垢技術(shù)得到研究和應(yīng)用。換熱器內(nèi)液態(tài)制冷劑的聚集，將影響制冷劑側(cè)的相變換熱過程，因此布液均勻或排液順暢的換熱器，將會(huì)在中大型制冷機(jī)組中得到推廣應(yīng)用。單位體積內(nèi)具有較大換熱面積或安裝空間占用較小的換熱器，有利于縮減制冷機(jī)組外形尺寸，將在中小型制冷機(jī)組中得到應(yīng)用。目前對(duì)水冷式換熱器的研究主要集中在降膜式蒸發(fā)器、管殼式換熱器、套管式換熱器、板式換熱器和CO2氣冷器等方面。
2.1 降膜式蒸發(fā)器
降膜式蒸發(fā)器的制冷劑入口通常設(shè)置制冷劑分配器，制冷劑液體通過制冷劑分配器均勻地分配到換熱管表面，在換熱管表面形成一層向下流動(dòng)的薄膜，與管內(nèi)冷凍水進(jìn)行換熱。采用降膜式蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)如圖4所示。與滿液式蒸發(fā)器相比，采用降膜式蒸發(fā)器可減少制冷劑充注量，可以實(shí)現(xiàn)制冷劑的減量使用。目前對(duì)降膜式蒸發(fā)器的研究主要集中在傳熱性能強(qiáng)化和制冷劑均勻分配等方面。
圖4 采用降膜式蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)
在傳熱性能強(qiáng)化方面，O. P. Thaval從傳熱性能、有效操作策略、停留時(shí)間等方面分析了降膜管狀蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和操作策略。Hu B.等建立了水蒸氣熱泵系統(tǒng)中水-水降膜式蒸發(fā)器的仿真模型，利用有限元方法，得到了沿工作管方向和換熱器方向的溫度分布，還研究了傳熱系數(shù)沿管的分布，以找出*佳的液位控制方案。立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)要特別考慮液體換熱管直徑、長(zhǎng)度、*大熱流率、傳熱溫差、潤(rùn)濕流量、*大氣速的選取，防止干壁、斷膜和液泛的發(fā)生。為了保證立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)際設(shè)計(jì)工作中要特別關(guān)注分液裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱機(jī)制的分析和選用合適的傳熱計(jì)算方法。張嘉等建立了豎直平板降膜蒸發(fā)的理論模型，空氣流速、水流量和液膜覆蓋率的提高都對(duì)傳熱效果有強(qiáng)化的作用，提高液膜覆蓋率能夠有效強(qiáng)化傳熱。
在制冷劑均勻分配方面，盧娟對(duì)液體分布裝置進(jìn)行闡述，針對(duì)傳統(tǒng)盤式分布器布液不均、盤面加工變形大、安裝和定位方式等問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了分析水平管降膜式蒸發(fā)器管間流型的轉(zhuǎn)換規(guī)律，姚寧等設(shè)計(jì)一種多層布液器，采用可視化方法研究開孔規(guī)格、布液高度和管間距對(duì)管間流型轉(zhuǎn)換的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定流量下，流型轉(zhuǎn)換的臨界雷諾數(shù)與布液孔徑、布液孔間距、布液高度、管間距和流動(dòng)介質(zhì)有關(guān)。肖鑫以某款降膜式蒸發(fā)器的制冷劑通道為研究對(duì)象，通過CFD模擬分析，指出流速過大可能存在的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，通過增加隔板降低吸氣帶液的風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 釬焊板式換熱器
釬焊板式換熱器是一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝后在真空釬焊爐內(nèi)焊接而成的一種換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 釬焊板式換熱器結(jié)構(gòu)圖
近年來，研究學(xué)者大部分利用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）軟件對(duì)板式換熱器的流動(dòng)性能和換熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬。F. Lonis等使用二維矩形代替了復(fù)雜的流體域，利用CFD軟件分析了低溫流體預(yù)熱。顧屹等在釬焊板式冷凝器性能仿真中采用有限體積法建立了一維穩(wěn)態(tài)分布模型，以每個(gè)微元段出口參數(shù)作為下一個(gè)微元段的入口參數(shù)，依次迭代以完成整個(gè)流道的計(jì)算。潘旭等在釬焊板式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)中建立了包含6個(gè)基本單元通道的模型，目的是使流體達(dá)到充分發(fā)展階段。文鍵等對(duì)換熱器的換熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，將進(jìn)出口沿長(zhǎng)度方向作了拓展處理，出口處的自由空間可以防止熱流體突然堆積，解決了以往模擬結(jié)果中出口處溫度異常的問題。V. S. Gullapalli等對(duì)比了不同雷諾數(shù)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和CFD模擬獲得的熱性能和壓降，結(jié)果表明：使用 SST 模型，傳熱性能提高了20%~30%，壓降升高了10%~35%；使用k-ε RNG模型和LLR RS湍流模型時(shí)，傳熱性能提高了40%~70%。王重陽等提出在板式換熱器的設(shè)計(jì)中應(yīng)努力消除尖銳部分，使流體域盡可能地圓滑，進(jìn)而達(dá)到防止結(jié)冰的目的。
當(dāng)釬焊板式換熱器用作蒸發(fā)器時(shí)，制冷劑分配不均容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，如果處理不及時(shí)可能造成板片變形和破裂。目前，釬焊板式換熱器在實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用水側(cè)防凍的方法，即保證出口平均溫度高于冰點(diǎn)即可。通過試驗(yàn)可以預(yù)測(cè)板式換熱器內(nèi)是否結(jié)冰，但是因?yàn)殁F焊板式換熱器可視化程度低，無法直接獲取結(jié)冰的具體位置和時(shí)間。利用CFD模擬分析發(fā)現(xiàn)，板片間結(jié)冰的位置在焊點(diǎn)附近以及尖銳的部分，為了防止水結(jié)冰應(yīng)保證板片上尖銳部分盡可能的圓滑。試驗(yàn)中釬焊板式換熱器可視化低的問題還需要進(jìn)一步研究，從而通過試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性。
2.3 同軸套管式換熱器
同軸套管式換熱器是內(nèi)管與外管緊密套裝并且同軸的換熱器，其外管一般為光滑管，內(nèi)管一般為螺紋管或波紋管，套管整體彎制成螺旋狀，即在普通套管式換熱器的基礎(chǔ)上增加了螺紋和螺旋2個(gè)特征，增大了換熱面積，加劇了流體的擾動(dòng)，且多維旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)的流動(dòng)方式減小了傳熱邊界層熱阻，有效強(qiáng)化傳熱，提高換熱器傳熱系數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。同軸套管式換熱器不僅換熱效率高，而且耐壓抗振、不易變形、耐臟耐垢、不易泄漏堵塞、布置方便。目前對(duì)同軸套管式換熱器的研究主要集中在優(yōu)化換熱器模型和修正經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式等方面。
圖6 同軸套管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖
劉燾等提出了一種套管式換熱器近分相流動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型的改進(jìn)算法，該算法將內(nèi)管流體壓力和質(zhì)量流量分開求解，先通過質(zhì)量對(duì)壓力進(jìn)行迭代，以確定合適的壓力迭代初值。該算法增強(qiáng)了算法的穩(wěn)定性，且計(jì)算速度并沒有下降。O. Garcia-Valladares等采用隱式離散的方法建立了套管式換熱器的一維近分相流穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)值換熱模型，模型中對(duì)于相態(tài)之間的過渡微元采用了2種方式進(jìn)行處理，該模型可得到換熱器中內(nèi)管流體、環(huán)管流體、管壁以及外部絕緣層的各物性參數(shù)隨時(shí)間和空間的變化情況，并對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好?；谠撃Ｐ?，D. Colorado-Garrido等將其運(yùn)用到螺旋套管式蒸發(fā)器的性能模擬中，并通過對(duì)比蒸發(fā)器出口溫度對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)通過敏感性分析說明蒸發(fā)器內(nèi)管流體的入口壓力和環(huán)管流體的入口溫度是影響蒸發(fā)器內(nèi)管流體出口蒸汽溫度的主要因素。D. Ndiaye等研究了同軸套管式換熱器的換熱性能，并將制冷劑均相流模型進(jìn)行離散求解，模型中對(duì)于該換熱器摩擦因子和換熱系數(shù)的估算采用了一種線性疊加的法則，即將水平光滑管、水平波紋管以及螺旋光滑管的摩擦因子（換熱系數(shù)）兩兩疊加估算該換熱器的摩擦因子（換熱系數(shù)），但是模擬結(jié)果顯示制冷劑的壓降有較大的誤差。石景禎等對(duì)具有螺紋內(nèi)管的同軸套管式換熱器進(jìn)行了CFD模擬，定性分析內(nèi)部的多維旋轉(zhuǎn)流動(dòng)方式對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響，指出：換熱器作冷凝器時(shí)，凝結(jié)換熱強(qiáng)化效果明顯；而用作蒸發(fā)器且蒸發(fā)溫度高于5 ℃時(shí)，強(qiáng)化沸騰換熱較為明顯。除此還研究了換熱器的槽深和螺距對(duì)換熱系數(shù)以及壓降的影響。
S. W. Ahn以水為工質(zhì)，通過對(duì)10種內(nèi)管為螺紋管套管式換熱器傳熱的試驗(yàn)研究，擬合了環(huán)管內(nèi)換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，該公式以半徑比為0.5為分界，0.5以下時(shí)Nu隨著波距與波深比的增大而增大，0.5以上時(shí)相反。P. G. Rousseau等在光滑管摩擦因子和換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，得到了內(nèi)螺紋管套管式換熱器的關(guān)聯(lián)式，并用2種結(jié)構(gòu)參數(shù)的換熱器分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，壓降的模擬值與測(cè)量值的誤差為7.27%，對(duì)數(shù)平均溫差的誤差為4.41%。S. Pethkool等研究了套管式換熱器的壓降和換熱特性，分析了不同波深和波距對(duì)換熱器壓降和換熱的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得出了波紋內(nèi)管摩擦因子和換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。S. Wongwises等以工質(zhì)為R134a的螺旋套管式換熱器為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究了蒸發(fā)和冷凝模式下?lián)Q熱量、質(zhì)量流量以及蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對(duì)兩相換熱系數(shù)和壓降的影響，并對(duì)換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，得到了該螺旋套管式換熱器的換熱系數(shù)和摩擦因子的關(guān)聯(lián)式，且該換熱器與直套管式換熱器相比，平均換熱系數(shù)和壓降分別增加了33%~53%和29%~46%。
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本文選自《制冷與空調(diào)》2023年4月刊88-100頁
作者：馬國(guó)遠(yuǎn) 高磊 劉帥領(lǐng) 許樹學(xué)
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