（热能工程专业论文）微型气液换热器的研制与实验研究.pdf

摘要 摘要 微型热泵空调系统是一种体积小，重量轻，便于携带的供冷供暖系统。对 于那些在恶劣环境下工作的工作者，寒冷的冬天或炎热的夏天如果给他们穿上装 有微型热泵空调系统的衣服，可以使他们的工作效率大大提高。微型热泵空调 系统在建筑、车辆、航空航天等领域都将有广泛的应用。换热器是制冷空调系统 中最重要的部件之一，其性能的好坏直接影响着整个系统的性能。 本文就微型热泵空调系统中的气一液换热器进行了设计计算和实验研究。 首先根据实际工况，通过经验公式对气一液换热器进行设计计算，考虑加工条件、 材质、体积、重量等相关条件的制约，最后设计采用了翅片管式、管带式和平行 流式三种形式的换热器。 建立了风洞实验台，采用水作为热介质对翅片管式和平行流式两种换热器进 行了性能测试。结果表明，在换热性能方面，所设计的换热器能够达到实际要求； 从阻力性能，体积和重量等综合方面考虑，平行流式换热器要优于翅片管式换热 器。同时整理出了换热器管内及管外换热及阻力性能曲线和实验关联式。 通过试验结果与设计计算的比较，发现二者之间存在着一定的差别。因此实 验结果及其分析对于今后换热器的设计开发具有一定指导意义，对于换热器性能 的理论研究也具有重要的参考价值，同时产品在微型热泵空调系统中具有重要 的实际应用价值。 关键词翅片管；管带式；平行流式：换热器；性能测试 北京f 业大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t m i n i a t u r eh e a tp u m po ra i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sap o r t a b l es y s t e mw i t ht h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z ea n dl i g h tw e i g h t i nan u m b e ro fm i c r o c l i m a t ec o n t r o l a p p l i c a t i o n s ，i n d i v i d u a l sm u s tw e a l p r o t e c t i v ec l o t h i n gw i t hm i n i a t u r eh e a tp u m p s y s t e mt op e r m i tt a s k st ob ep e r f o r m e du n d e rh a z a r d o u sc o n d i t i o n s m i n i a t u r eh e a t p u m pm a y b ew i d e l yu s e di nb u i l d i n g s ，v e h i c l e s ，a e r o s p a c ea n do t h e rp r o d u c t s h e a t e x c h a n g e r sa r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h es y s t e m 、t h ep e r f o r m a n c eo f t h e mh a sg r e a te f f e c t so nt h ew h o l es y s t e m t h ed e s i g na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h eg a s l i q u i dh e a te x c h a n g e r sw e r e d o n ei n t h i sp a p e r f i r s t ，t h ed e s i g nw o r kw a sd o n ea c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n d r e l a t e dc o r r e l a t i v ef o r m u l a ew e r et a k e n i nv i e wo ft h em a n u f a c t u r e ，s i z e ，w e i g h ta n d t h eo t h e rr e l a t e dc o n f i n e dc o n d i t i o n s ，t h r e ek i n d so fh e a te x c h a n g e r sw e r ed e v e l o p e d t h e ya r ef i n a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r , s e r p e n t i n eh e a te x c h a n g e r , a n dp a r a l l e l f l o w h e a te x c h a n g e r t h ew i n dt u n n e lp l a t f o r mw a sb u i l t ，a n dp e r f o r m a n c et e s to ft w ok i n d so fh e a t e x c h a n g e r s ，f i n a n d - t u b eh e a te x c h a n g e ra n dp a r a l l e l f l o wh e a te x c h a n g e r , w a sd o n e i nt h i sp a p e r s o m ec o n c l u s i o n sw e r ed r a w nf r o mt h ee x p e r i m e n t s t h e ya l lc a nm e e t t h ed e m a n di nt h ea s p e c to fh e a tt r a n s f e r p a r a l l e l f l o wh e a te x c h a n g e rh a st h e a d v a n t a g eo fi n t e g r a t i v ep e r f o r m a n c ec o n s i d e r i n gt h ep r e s s u r ed r o p ，s i z ea n dw e i g h t a n da tt h es a l n et i m e ，c o r r e l a t i o n sf o rt h ep e r f o r m a n c eo fh e a te x c h a n g e r sw e r e d e v e l o p e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t sa n dd e s i g n , t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt h e m t h e r e f o r et h ed a t aa n di t sa n a l y s i sp r o v i d e sc r e d i b l eb a s i sf o r d e v e l o p i n gh e a te x c h a n g e r s t h e y a l s oh a v ed e f i n i t er e f e r e n c e dv a l u ef o r t h e a c a d e m i cr e s e a r c ho fg a s l i q u i dh e a te x c h a n g e r s a n da tt h es a l n et i m e ，t h e yh a v e i m p o r t a n tp r a c t i c a l i t yf o rd e v e l o p i n gm i n i a t u r eh e a tp u m p o ra i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m k e yw o r d sf i n - a n d - t u b e ；s e r p e n t i n e ；p a r a l l e l f l o w ；h e a te x c h a n g e r s ；t e s to f p e r f o r m a n c e l i 主要符号表 主要符号表 热负荷，w 空气质量流量，k g | l 空气进口温度， 空气出口温度， 制冷剂换热器温度， 空气定压比热，k j 瓜g + k 最小截面处风速，m s 沿气流方向管排数 翅片管内径，m m 翅片管壁厚，m m 翅片管翅片间距，m m 翅片管直翅片厚度。m m 翅片管横向管间距，m m 翅片管纵向管间距，m m 每米管长翅片面积，m 2 每米管长肋片问基管外表积，m 2 每米管长总外表面积，m 2 每米管长内表面积，m 2 肋化系数 努谢尔特数 摩擦阻力因子 水进口温度 水出口温度 口 表面换热系数，w m 2 k k 总传热系数，w m 2 k l i i 空气导热系数w m 2 k 空气运动粘度m 2 s 扁管宽度，r r l m 扁管厚度，m m 扁管内孔高度，m n 2 扁管内孔宽度，m m 百叶窗翅片宽度，m m 百叶窗翅片高度，m m 百叶窗翅片厚度，m m 百叶窗翅片间距，m m 百叶窗高度，m l n 密度，k g m 3 普朗特数 传热因子 当量直径，m m 最小截面与迎风面积之比 翅片表面效率 阻力，p a q 忱，k ，k “ 岛 哦艿 6 如 k 如a m ，i。i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或它教育机构的 学位或证书而是使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 j 讪田s 一鑫、1 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、复印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至趑导师签名：期：! ! ! 墨璺f 9 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 前言 微型热泵空调系统，在太空建筑，汽车供暖和制冷，微型处理器的冷却便 携式冷却或加热装置等各个领域都将有广泛的应用前景。换热器、蒸发器和压缩 机是空调系统中三大主要部件，换热器、蒸发器统称换热器，其作用是实现两种 温度不同流体之间的热交换。因此换热器的设计与性能的优劣直接影响到空调热 交换的过程和制冷、制热效果及其耗能情况，在空调系统中起着重要作用。 一直以来，换热器的研究在制冷空调领域中是一个非常活跃的研究方向。目 前，国内外对换热器研究总的趋势是：传热机理及强化传热的研究；开发高效、 紧凑、重量轻、可靠性高的新型换热器，结合计算机模拟技术、人工智能技术来 革新设计方法，基于系统目标对换热器进行优化设计。换热器在各个行业有着广 泛的应用，对于制冷系统来说，若采用紧凑高效的换热器，不仅可使整个装置的 体积和重量减小，而且由于装置的功耗减小，使其能耗比大为提高。因此研究各 种高效、紧凑的新型的换热器势在必行。本文设计开发了翅片管式、管带式和平 行流三种形式的换热器。 1 2 课题研究背景 空调中常用的气一液换热器，是冷、热流体间壁错流换熟，管内走冷媒，管 外为空气。管内以相变传热为主体，管内外流体通过管壁及翅片进行换热。空气 侧的表面传热系数通常比较低，大大地影响了整个换热器地传热系数。为了强化 空气侧的换热，一方面采取强制通风，另一方面是在管外空气侧地管壁上加肋， 以增加空气的传热谣积。 总体来说，主要有翅片管式，鳍片式，管带式和平行流式等几种型式。 1 2 1 翅片管式换热器的研究进展 在空调器中使用的空气冷却式换热器多为铜管肋片式换热器，制冷剂在铜管 中流动，铜管外面通过机械胀管的方法套平行的连续肋片以增加换热面积，铜管 有光管和内螺纹管之分，肋片一般由铝箔制成。根据不同的结构尺寸或换热量的 要求，换热器可以是一排或多排，制冷剂的流路可以是一路或多路。翅片管式换 热器是一种在制冷、空调、化工等工业领域广泛采用的一种换热器形式。在空调 i ， 北京工业大学工学硕士学位论文 制冷行业中，对它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率和整体系统性能，而 且对改进翅片换热器的设计型式，推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要 的指导意义。 早在5 0 年代，k a y s 和l l a n d o n 就对多种型式的换热器及翅片表面的性能进行了 实验研究，以后也有很多学者对平直翅片以及其它型式的翅片管束的换热和阻力 规律作了研究，见表1 1 。 由于空气冷却式换热器的换热热阻主要集中在空气侧，因此人们对于翅片表 面强化换热的研究比较多，提出了各种强化换热的方法。总的来说，有以下几种方 法： 一是减小换热管的结构尺寸，采用小管径换热管代替大管径换热管，同时减小 管排横向间距及纵向间距。从目前家用空调中所采用的换热管尺寸来看，其管径 有不断减小的发展趋势，从以前的9 5 2 m m ，7 9 4 r a m ，到现在的7 0 m m ； 二是增强空气侧的湍流强度，可通过不断改变气流来流方向，来达到强化换热 的目的，主要采用将翅片冲压成波纹形，由此产生了波纹形翅片类型； 三是采用间断式翅片表面，将翅片表面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面 空气层流边界层的发展，使边界层在各表面不断地破坏，又在下一个冲条形成新的 边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强化换热的目的。属于这种翅片的有条缝 形翅片和百叶窗形翅片等。 文献 1 】 2 对翅片管的研究进展做了比较全面的总结和归纳，表1 1 中列出了 各种不同尺寸和不同翅片形式的换热器的研究结果。同时概述了目前国内外空调 制冷行业中的普遍采用的几种不同翅片类型( 平直翅片、波纹形、条缝形翅片、 百叶窗形翅片) 的换热及压降实验关联式。 到目前为止，对翅片管式换热器的研究己经取得了一定的进展，但是由于一 些客观条件的限制，还存在一些问题： ( 1 ) 大多数研究者的实验范围较窄，故其适用性受到限制。 ( 2 ) 由于一般的换热关联式均是基于几个或十几个实验结果归纳出来的，其通 用性的适用性仍值得怀疑。因此需要继续加强对管外强化翅片的实验研究，并归 纳出较简单、易用、又可在一定精度的范围通用的换热及压降关联式。 f 3 ) 由于换热器翅片结构的复杂性，致使已有关联式过于复杂，不便于工程计 算的运用。 第1 章绪论 表1 1 翅片管式换热器研究一览表 t a b l e l 一1s t u d ys c h e d u l eo f f m a n d t u b eh e a te x c h a n g e r s 【 管外径翅片间距 管排间管列间 风速范围 研究者翅片类型 ( m m ) ( m m )距( f )距( m m )( r r d s ) r i c he ta l ( 1 9 7 3 ，1 9 7 5 平翅片 1 3 31 2 3 8 72 7 53 l809 5 。2 1 m c q u i s t o n 平翅片 1 0 3 1 7 8 ，3 1 8 1 7 62 0 3o5 5 9 ( 1 9 7 8 ) n a k a y a m a 8 4 9 9 01 7 0 1 9 03 8 3 8 a n d x u 条缝形 1 6 3 ，1 6 4 2 0 ，2 5 3 3 ，2 2 ，1 5 2 5 ( 1 9 8 3 ) b e e c h e r a n d 1 4 2 2 4 1 9 0 5 _ 2 7 2 5 4 f a g a n ( 1 9 8 7 波纹片 9 5 2 5 1 2 7 4 0 8 9 45 0 3 1 7 5 w a n ge ta l 波纹片 8 5 8 8 6 2 ( 1 9 9 0 ，1 9 9 8 1 2 1 3 6 61 9 0 52 5 4 1 ( w a v y ) 1 0 - 3 8 1 7 7 ，1 8 ，2 2 0 4 s e s h i m o 6 3 5 ，7 9 4 ， 1 0 6 0o o s 2 5 a n d f 试“ 平翅片 9 5 22 5 4 ( 1 9 9 1 1 2 2 ，3 2 张慕璜等 百叶窗 9 8 22 2 5o7 7 6 _ 3 5 ( 1 9 9 4 ) 康海军等 平翅片 l o 1 5 2 0 ，2 6 ，3 ，2 2 1 6 52 5 o oo 5 1 0 o ( 1 9 9 4 ) w a n g 平翅片 7 2 ，7 3 ，8 2 8 1 2 1 3 2 1 2 7 2 0 4 ，2 1 0 3 8 o ( 1 9 9 6 今) 1 0 0 1 0 61 9 0 5 2 22 5 4 何国庚等 平翅片 1 6 o5 o3 0 - 33 53 33 8 ( 1 9 9 6 ) m a d ie ta l平翅片 9 9 5 6 1 5 8 7 - 4 2 3 3 1 6 1 6 5 , 2 1 9 。2 5 4 1 2 0 ( 1 9 9 7 )波纹片 1 8 2 0 - 4 1 2 9 2 5 4 1 6 2 w a n ge t a l 8 7 1 1 0 4 21 4 9 - 2 0 8 ( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 百叶窗形1 9 0 5 2 2 2 5 4 1 0 3 31 2 i 2 4 9 w a n ge ta l 条缝形 1 0 _ 3 4 1 2 1 2 4 8 2 22 5 4 ( 1 9 9 9 ) w a n g e t a 百叶窗形 6 9 3 ，7 5 3 ， 1 2 0 - 2 4 9 1 2 7 1 3 61 7 7 2 1 ( 1 9 9 9 ) 8 7 1 1 0 4 21 9 0 5 2 22 5 4 y i l n e ta l平翅，条缝， 7 51 1 2 1 2 7 2 to 5 2 5 ( 1 9 9 9 ) 百叶窗形 d ue ta l 超条片 7 5 2 1 0 3 21 2 0 2 5 02 0 2 5 1 7 3 2 ( 2 0 0 0 ) 2 1 6 5 8 5 3 1 0 3 1 2 1 2 2 3 1 9 0 5 2 5 4 w a n ge ta l 平翅片7 3 ，8 2 8 ，1 0 1 2 1 _ 2 0 6 1 2 7 1 9 o o ，3 6 5 ( 2 0 0 0 ) 0 2 l ，2 5 4 w a n ge ta l 百叶窗形 1 0 3 31 _ 2 l - 2 4 9 1 9 0 5 ，2 2 2 5 4 0 ，4 3 5 ( 2 0 0 0 )( 湿工况) 1 2 7 1 7 3 2 0 ，2 1 w a n ge ta l 条缝形 7 5 ，7 6 1 2 1 - 2 5 0 ( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 1 0 3 2 1 0 3 4 2 5 2 5 4 2 1 6 5 2 2 张恩泽 波纹形 1 62 4 7 9 3 4 2 93 2 9 l3 8 o2 5 ( 2 0 0 2 ) 3 北京工业大学工学硕士学位论文 方法上的差异，以及在实验数据处理方法的差异等，都造成所得实验结果的较大差 异。 ( 5 ) 在以后的翅片管式换热器的研究中，必须从两个方面同时进行：一是从通 用性的角度，要得出关联式；另一个是对具有代表性的翅片结构，应从机理上进行 深入的研究，在理论上分析不同的翅片几何结构在强化传热，及其阻力特性方面 的差别，目前也有许多人开始了理论方面的研究。 ( 6 ) 由于翅片形式的多样性，还没有形成统一的对比标准，所以还也很难形成 大家都比较认同的实验关联式。 总的来说，随着人们对紧凑式换热器的不断重视，对强化换热表面的研究也会 越来越得到关注，加强对翅片管式换热器的研究，必将对换热器的设计及制造具有 重要的指导性作用，对于工程运用和数值仿真方法的研究也将具有十分重要的价 值。 1 2 2 管带式、平行流式换热器的研究进展 为了追求更高的换热性能，空气冷却式换热器依次经历了翅片管式、管带式、 多元平行流式以及分流式等多种结构形式。翅片管式换热器是传统空调系统中普 遍采用的换热器，而管带式和平行流式凝器是目前汽车空调上所广泛采用的换热 器的型式，平行流式和分流式换热器都是在管带式换热器基础上发展起来的。管 带式换热器的结构特点是采用多孔道扁管和波浪形翅片扩展表面，单位体积表面 积大于7 0 0 m 2 m 3 ，属于紧凑式换热器，紧凑式换热器往往采用非圆形截面通道与 较小的水利直径，换热系数高，同时存在流动阻力大的特点。在管带式换热器中 空气侧采用多重百叶窗式翅片，为间断型强化扩展表面，它能有效地破坏空气层 流动边界层的连续生成，从而强化该侧换热；在制冷剂侧，则采用传热能力强的 多孔矩形扁管，却产生了较大的流动阻力。相对于翅片管式，管带式换热器有以 下几个特点： ( 1 ) 管带式扁管的水力直径明显小于翅片管式圆管的水力直径。相对于圆管， 扁管具有较高的换热系数，较低的形状阻力，并大大减小了管后尾迹区的换热面 积比例。 ( 2 ) 管带式翅片上开窗部分的面积比例比翅片管上的高。若在翅片管上开窗 过多，则因为基于圆管的导热性下降，引起整个翅片效率实际下降。 第1 苹绪论 ( 3 ) 虽然蛇形管带式在传热性能方面优于翅片管式，但制冷剂侧流动阻力过 高【3 】。 平流式换热器是在汽车空调工质替代过程中产生的，h f c l 3 4 a 作为c f c l 2 的 替代工质已经被广泛认可，为了采用新型制冷剂，系统设计必须进行改进，由此出 现了平流式换热器。平流式换热器结构与管带式非常类似，也是一种紧凑式换热 器，由管带式换热器发展演变而来，由多孔扁管和波纹型百叶窗翅片组成。但与翅 片管式和管带式换热器相比，换热性能得到进一步提高，并具有换热系数高、质量 轻、结构紧凑、制冷荆充灌量少等优点。因为平流式换热器的扁管是每根截断的， 两端有集流管，依据集流管是否分段，又可分为多元平流式和单元平流式。多元平 行流实际上是分流式换热器，多元平流式换热器集流管中有隔片打断，每段管子 数不同，进入换热器时，南4 冷剂呈气态，比容最大，管子数也最多，随着制冷剂逐渐冷 凝成液体，其比容减小，管子数也相应减小。因此平流式换热器制冷剂侧流动阻力 与管带式相比大大降低，仅为其2 0 3 0 ，同时又能保证制冷剂在两相区的后半 段和过冷液体区有较高的流速和换热系数，从而总体传热性能明显提高。这种变 兢程设计，使换热器有效容积得到最合理的应用，使制冷剂的流动和换热情况更加 。合理，总换热能力与管带式相比可提高3 0 以上。而在相同的迎风面积和冷却条件 下，制冷剂冷凝温度和压力相对降低，解决了h f c l 3 4 a 冷凝压力高的问题，更适合 于h f c l 3 4 a 工质。 虽然平流式换热器在流动和传热等方面都比翅片管式和管带式有了较大的 改善和提高，但由于平行流换热器加工制造工艺上比较复杂，多孔扁管和波纹型 翅片均为铝合金材料，钎焊难度较大，对材料要求较高，且由于焊点多、焊缝长、易 泄漏、材料成本高、制造工艺复杂等因素制约，其在汽车空调方面的应用受到很 大限制。9 6 年以前国内无法生产这种产品。但是随着9 7 年辽宁省机械研究院汽车 空调器平行流换热器装配机的成功研制，并很快在国内几家重点企业推广，逐步 替代了进口，目前平行流换热器已经风行国际汽车制造业 4 1 。随着材料和制造工 艺方面的迅速发展，新的材料和处理技术已经研制出并迅速普及，加工设备和制造 工艺也已得到进一步的完善和成熟，产品的可靠性大大提高，成本也在迅速降低， 平流式换热器作为一种新型高效紧凑式换热器正在得到越来越广泛的应用。 平行流换热器比其它形式的换热器具有更好的换热能力，因为换热器的热阻 主要在空气侧，新型平行流换热器正是通过增大单位容积内空气侧换热面积来强 j e 京工业大学上学硕士学位论文 化传热，使得单位迎风面积换热量和换热量得以提高。而空气侧阻力不变，甚至 减小，制冷剂侧阻力减小到管带式的2 0 3 0 t ”。一般来说，翅片管式换热器 的传热系数大约在3 0 4 0 w m 2 k ，管带式换热器的传热系数大约在5 0 6 0 w m 2 k ，平行流换热器的传热系数大约在4 0 9 0 w m 2 k 【6 1 。平行流式换热器吸 收了管带式的各项新技术，其结构先进，换热系数高。材料消耗低，外形尺寸小， 是目前汽车空调中普遍采用的换热器，也是目前最有前途的换热器形式。 目前对于平行流换热器的研究不多，但是由于平行流换热器是由管带式发展 而来，因此本文参考了一些有关管带式换热器研究方面的文献。对于管带式换热 器的实验研究，因为空气侧的换热性能直接影响整个换热器的性能，大部分文献 主要是针对空气侧换热的研究，而且由于各种研究都是针对汽车空调中应用的换 热器所作的实验研究，因此存在着实验关联式通用性差的问题。管带式或平行流 换热器大多采用百叶窗型翅片，因此还有一些文献对于空气侧换热作了理论上的 分析和研究”。 同时也有一些学者对于管内冷凝换热做了研究，根据平流式换热器的具体结 构 对于制冷剂侧所采用的多孔扁管，每一流道的水力直径为l 5 m m ，其换热规律 与流动阻力与常规大直径传热管相比有很大不同，不能直接借用常规换热器的传 热和流动关联式。因此，研究平流式换热器的工作原理，尤其是制冷剂在多孔扁管 内的冷凝情况，可以为平流式换热器的设计和校核提供依据，对于进一步提高平流 式换热器的性能，加快高效紧凑式换热器的研制和开发都有积极重要的意义 1 1 8 。2 0 02 h 。 从对多孔扁管在各种条件下的实验结果可以看出，制冷剂在多孔扁管内的冷 凝换热和流动阻力等性能与常规换热管有很多不同，且其影响因索很多，因此目前 难以给出全面的、合理的理论解释，但各种不同工况下得出的结论都表现出一定 的共性，由此可以得出一些概括性的结论。对于微肋管，冷凝换热系数主要受气相 剪切力和表面张力两方面因素影响，但在低质量流速和高于度时，表面张力的强化 作用远大于气相剪切力。因为在干度高于0 5 时，冷凝液膜足够薄以致部分内肋高 度露于液膜淹没区以上，此时流型应为环状流，表面张力产生的压降梯度使得肋片 顶部小半径处的液膜趋向于翅片基部和翅片问的凹槽内，从而表面张力能维持 种比在光管表面上更薄的液膜，因而可以加强换热。而在高质量流量或低干度时 则不然，因为气相剪切力随流速的增大而迅速增大，强化作用明显，从而换热系数 第1 蕈绪论 随之迅速增大。而翅片被液膜淹没，从而使很小的表面露于液膜以外，而使表面张 力不起作用，此时，气相剪切力占主导地位，换热机理与光管类似。在低质量流速和 低干度时，制冷剂流动受重力作用影响明显，流动偏离环状流模型，且制冷剂和管 路纵向导热不可忽视。表面张力对微肋管的摩擦压降无明显影响。制冷剂在平流 式换热器多孔扁管内的流动和换热特性，与常规情况下有所不同，它具有在小水 力直径的特性。因此平流式换热器多孑l 扁管内的流动和换热特性要考虑微通道 内的流动和传热得特性，对以今后平行流紧凑式换热器的设计、研制开发具有重 要意义1 1 9 , 2 0 1 。 由于车辆技术水平的飞速发展，改善车辆系统的燃油经济性、动力性及降低 车辆制造与运行成本已经成为车辆技术领域的重要研究课题，而提高管带式散热 器的工作性能、减轻散热器的重量是实现这一目的的重要途径之一。从应用角度 看，评价散热器散热性能的主要技术指标有散热能力、散热器空气阻力以及水流 阻力，分别简称为散热量、风阻及水阻。一个理想的车用散热器应该具有较强的 散热能力，同时又具有较小的风阻和水阻以及较低的制造成本。因此目前有很多 学者热衷于对汽车散热器的研究。这些文献对于汽车散热器的性能做了试验和理 论上的研究，对汽车散热器的改进具有实际意义，同时对本文的实验也具有重要 的指导意义 3 5 - 3 9 1 。 1 3 本论文的目标及主要工作 1 3 1 本论文的目标 本论文的目标是设计开发出一种应用于微型热泵空调系统的小型紧凑式空 气冷却式换热器。由于微型热泵空调系统是一种便携式装置，因此，要求系统 装置重量轻，体积小，这实际上对蒸发器和换热器提出了很高的要求，蒸发器和 换热器的换热效果和性能好坏，直接影响到整个机组的性能和体积的大小。本论 文的目的就是研发出一种高效紧凑的微型换热器。 1 3 2 主要工作 本文在充分调查研究的基础上，根据微型热泵中对换热器的要求，设计了几 种型式的换热器：翅片管式、管带式和平行流式。并且建立了小型换热器性能测 试实验台，本文中热侧以水为介质，对所设计的几种产品的性能进行了测试，同 北京工业大学= 学硕士学位论文 时对产品的性能进行了比较，得出了一些结论，并且整理出了两侧换热和阻力关 联式。这些实验结果及其分析对于换热器产品的设计开发具有一定指导意义，对 于换热器性能的理论研究也具有重要的参考价值，同时对于产品在微型热泵空 调中的应用具有很强的实际应用价值。 第2 章气一液换热器结构形式及性能比较 第2 章气一液换热器结构形式及性能比较 2 1 概述 气一液式冷却器广泛应用于电冰箱、冷藏柜、汽车及铁路车用空调装置及冷 藏车等运输式制冷装置中。其结构形式多用翅片管式，制冷剂在管内流动，其热 量由管外的空气带走。根据空气流动的方式，气一液换热器又可分为自然对流式 和强迫对流式两种。 ( - - )自然对流式气一液换热器：该型换热器是依靠空气受热后产生自然 对流将热量带走。它的传热性能差，通常只用于家用电冰箱及微型制冷装置，由 于不需要风机，故能耗小，噪音低。 ( 二) 强迫通风式气一液换热器：气一液换热器一般多制成蛇行管式，制 冷剂蒸汽在管内冷凝，空气在轴流风机作用下，横跨蛇行管外流过。蒸汽自蛇行 管上部流入，冷凝液由其底部流出，或蒸汽沿蛇行管上下往返多次，其冷凝液由 底部流出。气一液换热器空气侧的放热系数较小，一般只有3 5 8 1 w m 2 t k ，而 管内侧的放热系数为1 1 6 3 2 3 2 6 w m 2 - k ，因此，为了增强空气侧的换热，在管 外制有肋片。 从传热学的知识知道，换热器的总换热量取决于换热面积、传热系数和传热 平均温差，因此欲提高换热器的换热能力或效率，也必须从这三方面入手。 增大换热面积应理解为提高单位体积的换热面积，如采用翅片化管、内( 外) 螺纹管等。但是，增大换热面积也就意味着材料的消耗量增加，质量和成本亦相 应增加。 提高传热系数即是减小热阻，应对传热过程中的每一个热阻成分进行分析， 抓住主要矛盾，尽量减小最大热阻。通常金属管壁的热阻很小，关键在于制冷剂 侧和空气侧的对流换热热阻，特别是对流换热系数低的一侧，应予以重点关注。 提高表面对流换热系数的具体方法是多种多样的，如增大介质流速，破坏边界层， 增强流体扰动等。值得注意的是，增大流速的同时也增加了介质的流动阻力，将 增加风机的功率。 传热平均温差与冷、热流体的相对流动方向有关，在相同的进、出口条件下， 顺流的对数平均温差小，逆流的平均温差大，而差流介于两者之间，因此，应尽 可能采用逆流方式。不过，平均温差的加大将导致不可逆损失的增加。 北京 ：业大学 i 学硕士学位论文 换热器形式的改变或改进，总是围绕这三个方面进行的，在实际应用中，应 该权衡利弊、综合考虑，找到最佳方案。 2 2 主要结构形式 空调中常用的气一液换热器，是冷、热流体间壁错流换热，管内走冷媒，管 外为空气。管内以相变传热为主体，管内外流体通过管壁及翅片进行换热。空气 侧的表面传热系数通常比较低，大大地影响了整个换热器地传热系数。为了强化 空气侧的换热，一方面采取强制通风，另一方面是在管外空气侧地管壁上加肋， 以增加空气的传热面积。 总体来说，主要有以下几种形式： l 、翅片管式也叫管片式，是较早应用的换热器形式，见图2 1 。通常采用 套片法工艺，将翅片安装在圆管之上，故又称套片式。其方法是将厚度很薄的铝 箔，按管组排列方式。在高速冲片机上冲出折边孔，肋片可以做成整张的，也可 以由几张拼制而成。然后将圆孔穿入肋片孔中，为保证铝箔的孔边与圆管接触良 好，减小接触热阻，必须将安装好的管片在专门的胀管机上进行胀管，以使管子 和肋片之间的接触面上由一定的接触应力。 改进： 出 进口 图2 - 1 翅片管式换热器 f i g u r e 2 1t u b e a n d - f i nh e me x c h a n g e r 为了进一步减小尺寸，提高传热效果，人们对传统翅片管式结构作了许多 ( 1 ) 片形的革新对于风冷式换热器，空气侧热阻约占总热阻的7 0 。因 第2 章气一液换热器结构形式及性能比较 而强化空气侧的换热能力，是提高风冷式换热器性能的关键之一。在平翅片的基 础上，人们先后开发出波纹片、条缝片( 单面或双面开缝) 、百叶窗片等。经过 长时间的努力，空气侧传热效果几乎提高了一倍。对几种翅片的传热和阻力( 风 阻) 性能进行比较，在最窄截面处风速为1 5 5 5 m s 的范围内，双向开缝片的 平均表面传热系数与平片相比增加9 5 11 5 ，比波纹片提高7 0 8 0 ，比 单向开缝片提高3 0 4 5 ；而相应的阻力增加分别为7 0 8 5 、3 0 4 5 及1 5 3 5 。从原理上看，表面传热系数的提高，都是由于破坏了翅片上 边界层的增长和加强了气流的扰动所致。 ( 2 ) 双翻边技术翅片穿孔处圆孔( 安装孔) 双向翻边是为了防止安装孔 翻边破裂，增强管片贴合质量。双翻边翅片增加了铝箔与管子的接触面积，提高 传热效率5 9 ，同时也提高了翅片本身的阿度，便于装配工序提高效率和 质量。还可控制翅片之间的间距，增加了产品的美观程度。 ( 3 ) 为解决安装孔翻边破裂，目前可采用共熔合金固化工艺制造出的新型 铝合金高强度翅片。这种材料内含有直径为2 # m 的合金颗粒，因颗粒间距很小， 阻碍了颗粒的错位移动和塑性流动，提高了材料强度，获得了优良成形的性能， 解决了翻边破裂问题。 ( 4 ) 强化制冷剂侧传热对风冷式换热器，管内侧的热阻约占总热阻2 0 。 一般情况下，翅片式换热器的圆管都是平滑光管。自1 9 8 0 年以来，为了提高制冷 剂侧表面传热系数，在国际上大力推广和使用强化制冷剂管内换热的带内螺旋槽 ( 内翅片) 的圆管来代替光管。内螺旋槽管是在管子内表面上加工出许多细微的 螺旋槽，它和光管相比，改善了制冷剂的流动方式，可使传热系数提高1 5 4 2 倍，管内的压力损失少许增加，制造和加工方法却基本相同。 ( 5 ) 小直径管束采用小直径管子，能减小管外空气侧迎风面背后的静流 区，提高管子内外两侧换热能力，同时也增加散热片面积，减少制冷剂充注量。 近年来国外已开发出外径6 7 m m 的内翅片管。 管片式结构虽然换热效率较差，但结构简单，加工成本低，经过结构上的 改进，换热效率也有提高，因而目前被大量采用。 值得注意的是，由于管壁厚度与翅片厚度相差许多倍，在换热器工作过程中 受热胀冷缩的影响，管子和翅片的线膨胀率不一致，经过一段时间的工作以后， 管与片之间由膨胀所造成的塑性变形内应力会随之下降，接触应力相应减低，从 北京： 业夫学工学硕士学位论文 而引起换热效率下降。 2 、管带式管带式换热器的管子，是由一条连续的铝合金材料挤压成多孔 通道的椭圆扁管，然后将其机械弯曲成等间距的蛇行管。同时将带状铝箔经冲压 成缝，并折成u 形或v 形，其高度等于蛇行管的间距。把加工好的铝带夹入蛇 行管间，呈叠置方式，如图2 2 所示。在夹具中把蛇行管夹住，并施加适当的压 力压紧，使管与片之间产生一定的接触应力，再进形整体钎焊而成。其加工工艺 流程图见图2 3 。 图2 - 2 管带式换热器 f i g u r e 2 - 2s e r p e n t i n ef l a tt u b eh e a te x c h a n g e r 盘成蛇行的多孑l 扁管与波浪形散热带都是铝合金材料，钎焊技术难度较大， 需用双面复合铝材及多孔扇管型材，对材料的要求较高。尤其对扇管材料的延伸 性、均匀性及壁厚的均匀性要求很严，管带式热交换器常用材料见表2 - 1 。这些 材料采用三明治结构。中间为芯材，一般采用a a 3 0 0 3 ，双面复合铝硅镁合金钎料， 称为皮材，如图2 4 所示。 扁管宽度一般有1 6 m m ，2 2 m m ，2 6 m m ，3 2 m m ，4 4 m m ，4 8 m m 等，孔数从 3 2 4 孔不等。为提高制冷剂侧传熟效率，目前的扁管已采用带内翅的形式。多 孔扁管的内翅不仅提高了雇管的承压能力，也提高了传热效果。 与翅片管式相比，管带式采用扁管，其水力直径小，在椭圆扁管的截面积和 圆管的截面积相等的条件下，椭圆扁管内制冷剂的湿周周长比圆管大，传热面积 大，热阻小，因此管内换热量提高。同时扁管的迎风面积小，流形有利，气动性 能好，背风面涡流区小。扁管的使用使管带式结构紧凑，可以显著提高换热面积。 另外，扁管加工成蛇行，省去了许多弯头和弯头焊接处，制冷剂泄漏可能小， 既简化了工艺，又提高了可靠性。一般来说，管带式的传热效率比管片式提高 第2 章气一液换热器结构形式及性能比较 图2 - 3 管带式，平行流换热器加工流程图 f i g u r e 2 - 3f l o wc h a r tf o rt h em a n u f a c t u r eo f s e r p e n t i n ea n dp a r a l l e l f l o wf l a tt u b eh e a t e x c h a n g e r s 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - 1 管带式、平行流式换熟器常用材料2 9 】 t a b l e 2 1c o m m o nm a t e r i a lf o rs e r p e n t i n ea n dp a r a l l e l f l o wf l a tt u b eh e a te x c h a n g e r s 【2 9 j 零件名称材料牌号 蛇行扁管 工业纯铝、a a 3 0 0 3 ( l f 2 1 ) 、a a 3 1 0 2 护板 工业纯铝、a a 3 0 0 3 ( l f 2 1 1 接头体 a a 6 0 6 3 ( l d 3 1 ) 进液弯管 工业纯铝、a a 3 0 0 3 ( l f 2 1 1 进液集管 工业纯铝、a a 3 0 0 3 ( l f 2 1 ) ，有缝或无缝双面复合管 回气总管 工业纯铝、a a 3 0 0 3 ( l f 2 1 ) ，有缝或无缝双面复合管 堵头 工业纯铝、a a 3 0 0 3 ( l f 2 1 ) ，复合铝板 翅片 复合铝箔 皮材 芯材 皮材 图2 - 4 复合材料的芯材和皮材 f i g u r e 2 - 4c o r ea n ds k i no f c o m p o u n dm a t e r i a l 1 0 左右。 但管带式的扁管与带状散热片的连接，需焊接以提高接触面积和传热效果， 而铝焊接工艺比较复杂，难度较大。 管带式结构般只有一条通路，制冷剂要通过整个扁管流道，阻力损失较大。 为此，已经有二路进出( 双流程) ，甚至三路进出( 三流程) ，每条通路长度缩短。 阻力损失也随之缩小。 3 、鳍片式一般换热器的管子和散热片是两个独立构件，需用镶嵌、胀管、 焊接等工艺将它们连接在一起，若两者接触面贴合不紧，不仅影响传热效果，整 体强度和抗振性能也要降低。为此，出现了鳍片式结构。鳍片式换热器是在多通 道的散热管表面，直接铣肖u 出鳍片状散热片，再弯曲成蛇行管。由于片、管一体， 避免了接触热阻。与管带式相比，散热性能可提高5 ，省材2 5 ，管片之间无 需焊接，简化了工艺，可在常温下加工，加工所需的能耗少，所以曾一度被认为 是车用最先进的换热器。但由于需要专用的铣削设备，弯管也需专用夹具，一时 难以大量推广。 第2 章气一液换热器结构形式及性能比较 4 、平流式如图2 5 ，平流式换热器是由管带式换热器发展而成，也是由扁 管和散热片组成，散热片上同样开有百叶窗式条缝，但扁管不是弯成蛇行，而是 每根截断的。两端各有一根集流管，制冷剂由管接头进入圆柱形或方形集流管， 然后分流进入椭圆扁管，平行地流到对面的集流管，最后回到另一管接头。平流 式换热器分为两种：一种是集流管不分段，制冷剂流动方向一致，称为单元平流 式换热器；另一种为多元平流式换热器，多元平行流实际上是分流式换热器，多 元平流式换热器集流管中有隔片打断，每段管子数不同。平流式换热器比管带式 换热能力提高3 0 以上，而制冷剂倒流动阻力与管带式相比大大降低，仅为其 2 0 3 0 。目前平流式结构主要采用多元平流式。 平行流换热器也有许多不尽人意之处，平流式焊点多、焊缝长，扁管厚度一 般小于管带式，有些扁管厚度已经小于2 m m ，对扁管制造工艺要求高。 j ju 图2 - 5 平流式换热器 f i g u r e 2 - 5p a r a l l e l - f l o wf i a tt u b eh e a te x c h a n g e r 2 3 性能比较 管片式、管带式和平行流式换热器，在具体结构、尺寸等方面存在较大差异， 国内外学者和工程技术人员，对于这三种换热器已经开展了大量的研究和实验工 作，取得了不少成果。归纳起来，不同换热器的性能特点如下： ( 1 ) 传热系数管片式一般较管带式