传热强化技术的研究

制冷设备中的主要工作过程之一是对流传热，流体的传热特性对设备的效率有重要影响；但制冷设备中的传热介质，如制冷剂、水及空气等，针对不同的场合，均可能成为传热过程的主要热阻环节。因此，对于由多个换热器组成的系统而言，还需考虑各个换热器之间的匹配与优化对整个系统效率的影响。  

传热强化技术的研究

 1、适合于强化空调传热的纵向涡发生器 

布置涡发生器的翅片表面

在试验段放置的情况

 

不同攻角下的纵向涡传热特性

 

设置于圆管附近的纵向涡发生器能显著减小圆管的回流区，既减小压降，又强化了传热

 

新设计的采用环状布置的涡发生器的换热面

 

2、 强化沸腾传热的降膜蒸发 

 

1）基本情况介绍：蒸发器是中央空调和热泵系统的重要组成部分。目前大多数蒸发器采用满液式蒸发形式，制冷剂充灌量大，液体静压影响大；回油性能差，蒸气带液现象严重。降膜蒸发可克服这些缺点。

降膜蒸发：制冷剂经布液器分配到换热管表面，然后在重力作用下沿换热管壁面流下并吸热蒸发的过程。

优点：制冷剂充灌量小；传热系数大；无静压影响；回油性能好；低温差情况下传热性能优良。

2）单管的初步试验研究结果 

        测试了不同的管径（16.0 mm 、19.05 mm、25.35 mm，饱和温度6.0℃）、不同的饱和温度（6.0℃、10.0℃、16.0℃，管径19.05mm）、不同的工质（R410A、R32）和不同强化管。

3) 管束的试验研究结果 

1、列间液膜分配的均匀性；

2、管列间形成液桥的影响；

R134a、R123随着液膜流量的减小，传热系数变化呈现两个阶段

 

随液膜流量的减小，传热系数变化呈现两个阶段。

4）提出了较理想的配液器

 

5）对试验关联式整理的考虑

要按照液膜流量（Re）区分两个阶段：完全湿润与部分蒸干

要确定两个阶段转变的临界Re

要区别单管与管束

要区别光滑管与强化管

要考虑单项对流及沸腾的影响

要考虑粘性力，表面张力及重力的影响

 

基于实验数据建立了临界液膜雷诺数预测公式

R134a单管部分蒸干公式：Nu=4.64*10^-3Re^1.51 Bo^0.43  Pr^0.15 We^-0.45

R134a单管完全润湿公式：Nu=3.58*10^-9Re^2.89  Bo^0.37 Pr^0.2We^-1.13

 

3、内螺纹管的传热计算关联式

 

        内螺纹管是强化管内强制对流传热的重要方式之一，在制冷的双侧强化管中广为应用；目前文献中内螺纹强化管管内对流传热系数的计算公式均基于内螺纹管的微观尺寸，使用不便，因此发展一个不需要微观尺寸管内强制对流传热的公式具有工程应用意义。

 

1） 现有关联式的不足

        1996年，Ravigururajan和Bergles基于内螺纹管的显微镜剖面参数，如齿高，螺旋角和肋间距等参数，给出了内螺纹管管内流动传热系数和阻力系数的计算关联式：

 

2） 对文献中现有实验数据的分析

通过文献中的实验结果分析和比拟理论，我们提出以下设想：

不同强化技术的性能比较

1、三种约束条件下统一的性能比较图 

        通过分析现有的各种评价方法和传热学流体力学的基本原理，经过严格的推导分析，提出了以节能为主要评价目标的一种统一的评价方法。

        该评价体系的指标表示在一张双对数直角坐标图上，能清晰地表示出所开发的技术与原有传热设备相比的优越性，能方便地比较不同强化技术之间的差异，对选择和开发强化技术具有一定的指导意义。

 

性能比较图

区域1：强化传热而不节能；

区域2：在等泵功条件下节能；

区域3：在等压降条件下节能；

区域4：在等流量下传热强化大于压降增加倍率

 

2、统一性能比较图的应用

 

1）环形涡发生器群

2）管内强化技术

相对D-B公式传热的强化倍率为：

内螺纹管：2-4

内插纽带：1.5-6

波纹管：1.5-4

酒窝管：1.5-4

 

相对于Blasius公式阻力系数的增加

内螺纹管：1-4

内插纽带：2-13

波纹管：2-6

酒窝管：3-5

 

 在四大类的管内流通强化手段中以内螺纹管的综合性能最优。

 

换热器系统性能优化研究

一个全新的热力系统的状态参数——火积 

为什么要用一块较厚的板？

为什么要用一块铁板？

为什么需要较高的温度？

这三个因素都是为了使得有足够的能量处于较高的温度！

 

这个新的物理量称为火积，它由两部分组成：一部分是物体的内能，其值是守恒的；

另一部分是这个内能所处的温度，这部分是不守恒的，可以升高也可以降低。

火积代表了物体向环境传递热能的能力！

 

        熵和火积都是过程参数，都可以表示过程的不可逆程度，不可逆过程熵增大，而火积减少（火积耗散）：

Entransy=½［（ρC_VT）·V］·T

        在热量传递过程中，所传递的热量是守恒的，但是物体的火积则发生变化，得到热量的物体火积增加，而释放热量的物体火积减少：由于热量总是从高温物体到低温物体，因此火积的总量是减少的，这就是火积的耗散！

 

        要使传递过程优化，基于单位传热量的总的火积耗散必须最小，这就是火积耗散极值原理。利用火积的概念及相关的原理可以对热能传递过程的效率、损耗及优化等问题做全面的分析，是能量利用过程分析的前沿。

来源： 制冷空调换热器技术联盟