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制冷空调换热器的研究进展—列管式换热器(列管式冷凝器)

浏览次数: 发布日期:2019-10-20 22:43

摘要

Abstract

列管式冷凝器搅拌式反应釜专业生产厂家无锡天骥化工设备2019年10月20日讯  紧凑式换热器的应用,有利于减少制冷空调装置的体积、提升性能。本文的目的是总结具有代表性的几种紧凑式换热器的发展动态。本文先容了板式换热器的研究进展,包括新型高效板片结构的开发、新型流路的设计以及作为经济器的应用。先容了印刷板路换热器主要研究进展,包括制作工艺、流道设计及换热阻力特性等。先容了插片式微通道换热器的结构特点,以及相比于常规微通道换热器的性能优势。还先容了微管通道换热器的结构特点,以及适合的应用场合。 

关键词

Keywords

紧凑式热交换器;板式换热器;印刷板路换热器;微通道换热器;微管通道换热器

 

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2019.05.001

 

(接上期)

 

3  印刷板路换热器( PCHE)

3.1 PCHE的特点

 

印刷板路换热器(PCHE)是由多层经过化学腐蚀后的薄板经扩散连接后形成的换热器芯体和封头组成。PCHE利用化学腐蚀在换热板上蚀刻出微细流道,使PCHE的换热面度密度高达2500m2/m3,而常用的大型绕管式换热器和列管式换热器的传热面积密度分别仅为120m2/m3和160m2/m3[7]。PCHE的换热面度密度远高于紧凑式换热器满的标准,满足了高效紧凑的要求;利用扩散连接将换热板连接成换热器芯体,能大大提高焊缝可靠性,焊缝的机械强度几乎与母材相同,在高压、晃荡、交变应力等条件下具有较高可靠性,满足了安全可靠的要求[8]。 

PCHE因其紧凑高效、安全可靠等特点被认为是高压、受限空间下高效换热的首选,已在液化天然气、航空航天、化学处理、核电和太阳能发电等领域应用。液化天然气领域是PCHE应用最广泛的领域,PCHE在浮式液化天然气的应用也呈上升趋势。在航空航天领域,PCHE可应用于航空发动机和环控系统换热,其紧凑高效特点可在满足换热性能要求下缩小换热器安装空间。在化学处理方面,PCHE可应用于蒸汽甲烷重整等工艺反应堆方面。在核电和太阳能发电领域,超临界CO2发电系统微通道换热器具有体积小、结构紧凑、耐高温高压、安全可靠等特点,是未来发电领域重要发展方向。

 

3.2 PCHE的制作工艺 

 

PCHE的制作工艺可分为三步,包括化学腐蚀流道及板间对准、扩散连接、组装,如图7所示。具体的制造过程如下:

(1)通过化学腐蚀的方法来腐蚀板片换热流道。并将流道腐蚀完毕后的所有换热器板按照流道介质的性质,冷热交替对齐重叠起来准备进行扩散连接。 

(2)相邻板之间的接触面通过扩散连接互熔,成为换热器芯体。 

(3)进行整个换热器的组装,将封头和换热器芯体通过焊接固定在一起。扩散连接是整个PCHE制造的关键,通过真空扩散焊炉完成,并根据被焊组件的材料种类和尺寸来设置焊接温度和压力。现阶段的焊接工艺主要集中在不锈钢、钛合金和铝合金等材料。该连接方式能够保持原材料的强度,主要优点为:连接相同性能材料,由于界面不产生液相,界面结合强度与母材相当;可以连接具有复杂形状的零件,并能够实现严格的尺寸控制;由于零件上的等静压力高且均匀,可减少甚至消除连接区内的微小气孔;可以使复杂薄壁零件整体化,提高结构完整性。

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

图7 PCHE结构示意图[8]

 

 

3.3 PCHE的流道

 

PCHE的流道是影响换热器换热特性和阻力特性主要因素,具体包括相邻换热板片上的流道布置形式和单个换热板上的流道结构。

相邻换热板片上的流道布置形式主要包括顺流、逆流或多通道交叉逆流等[8],如图8所示。优化流道布置可以在满足换热和压降设计条件下,进一步缩小PCHE的体积,提高换热器紧凑性。

单个换热板上的流道结构可分为连续型和非连续型两类如表3所示。 

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连续型流道主要包括直线型、折线型。直线型是PCHE最简单的流道结构,结构参数包括流道水力直径(d)和截面形状、横向间距(S)和纵向间距等。常见PCHE流道截面形状包括半圆形、矩形、梯形和圆形等。折线型流道是目前PCHE应用最广泛的流道结构。折线形流道结构参数除了包括直线型的基本结构参数,还包括锯齿角度(θ)和节距(Pt)。两者也是折线型流道结构优化的主要设计参数。 

非连续型流道主要包括S型和翼型流道。S型流道的结构参数包括翅片长度(Lx)、翅片厚度(df)、翅片倾角(φ)和翅片节距(dy)等。翼型流道的结构参数包括交错纵向距离(Lb)、翅片横向间距(Lc)、纵向间距( La)、 翅片具体几何形状等。这两种非连续性流道在实验室阶段呈现出良好的特性,但是其结构参数复杂,制造设计的成本较高,未广泛投入实际应用。

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

图8 相邻换热板片上的流道布置形式

 

3.4 PCHE的换热特性

 

PCHE的换热特性与流体流动状态、流道结构和加热条件等因素有关。 

在紊流状态下PCHE的换热特性受各个因素的影响较为明显,主要表现在紊流状态下Nu数的变化。在层流状态下,流道结构对于换热能力没有明显影响,Nu近似为常数值。 

对于直线型流道的PCHE,换热能力的主要影响因素为流道水力直径和截面形状(包括半圆形、半椭圆形、矩形和三角形)。随着流道水力直径的减小,换热系数明显减小。在相同水力直径下,截面形状对于换热能力的影响可忽略不计[9]。 

折线型流道PCHE换热特性的首要影响因素是锯齿角度[10]:增大锯齿角度增加了横向速度,促进管道内流体混合,改善换热能力;但锯齿角度过大会增加分离区的尺寸,减少换热面积,削弱换热能力。通过对锯齿角度与换热效率的关系进行数值仿真研究,结果表明在锯齿角度为35°时,换热器的换热效率达到最大值。相同水力直径下,截面形状对于折线型 PCHE的影响与直线型类似,也可以忽略不计。 

S型流道PCHE的换热特性的主要影响因素包括倾角和流道水力直径[10,11]。随着流道倾角增大,换热能力略微提高,当流道倾角从0增加到60°时,单位体积换热能力从20MW/m3增长至30MW/m3。水力直径对换热能力影响更显著,且水力直径越小,对换热能力影响更大。水力直径从0.5mm增加至1mm,单位体积换热能力从55MW/m3下降至20MW/m3;从1mm增加至2mm,单位体积换热能力仅下降10MW/m3。 

对于翼型流道的PCHE,翅片排列方式、翅片横向间距和纵向间距以及翅片具体几何形状都会影响换热器的换热特性[12]。翅片排列方式通常用交错纵向距离来定量描述,交错纵向距离增大时,换热器的平均换热系数略有减小。翅片横向间距减小或纵向间距增加时,Nu降低,换热能力下降。而且在较小的横向间距下,即当翅片布置更稀疏时,纵向间距对于换热能力的影响更明显。

 

3.5 PCHE的阻力特性

 

PCHE阻力特性同样受流道结构和流体流动状态的影响。PCHE的阻力特性主要取决流道结构,因为流道内压降主要是由流体在微流道内形成局部的涡流、逆流造成的。流道结构的影响主要表现紊流状态下摩擦因子f的影响。在层流状态下,流道结构对于阻力特性没有明显影响,摩擦因子f同Re数近似成反比。 

对于直线型结构,由于工质在流道内受到扰动较小,换热器的压降也较小。研究表明,直线型结构阻力特性的主要影响因素为流道水力直径,换热器阻力系数随着流道水力直径的减小而增加。 

对于折线型流道,阻力特性的主要影响因素是锯齿角度和通道水力直径。换热器压降随着折线型流道的锯齿角度增大而增大;当锯齿角度大于15°,摩擦系数的增长速率也明显增大。对于半圆形、圆形、梯形和三角形四种截面形状对压降的影响研究表明,在相同锯齿角度和水力直径下,圆形截面的阻力系数最小,而矩形截面阻力系数最大,约为其余三种形状1.3~1.6倍[13]。 

非连续型流道(S型和翼型流道)在相同的换热能力下,压降均小于折线型换热器。当以冷却水为流动工质时,S型流道换热器压降为折线型换热器压降的1/10[14],而翼型流道压降减小为1/20[15]。 

对于S型流道换热器,翅片倾角和流道水力直径是主要影响因素[10,11]。随着翅片倾角增大,压降明显增大。流道倾角从0增加到60°时,单位长度的压降增长近9倍。当翅片倾角大于30°时,压降受翅片倾角的变化量更大。随着流道水力直径增加,压降减小。在流道水力直径大于1.1mm时,压降几乎保持稳定。 

翼型流道换热器中,翅片排列方式(交错纵向距离)、翅片横向间距和纵向间距以及翅片具体几何形状都会影响阻力特性[16]。交错纵向距离增大时,速度分布趋于稳定,翅片后部的涡流效应削弱,压降明显减少。翅片横向间距减小或纵向间距增加时,换热器加速压降增加而摩擦压降减小,总压降减小。

 

3.6 PCHE需解决的核心问题与未来发展方向 

 

PCHE作为新型微流道换热器的最佳选择之一,在研发与工程应用上已有了较大的发展。然而,从满足各类工程要求到PCHE性能的优化还都需要深入的研究。实现PCHE在各个特殊应用环境的高效应用的需要攻克以下几点关键技术: 

(1)掌握PCHE的热力设计。热力设计的内容包括研究特殊工质的单相和两相的传热流动计算方法,设计出性能优良的流道的结构形式、尺寸,以及两(多)股流在各层的分液形式等,开发能够满足不同应用场合的 PCHE的专用设计App。

(2)掌握PCHE的制造工艺。PCHE的制造工艺的内容一是保证加工过程中高平整度和表面粗糙度的换热器板不发生翘曲变形和破坏;二是研制专门的工装确保大面积板子对准;三是制作满足扩散焊接要求的大型焊接工装;四是摸索不同厚度、不同流道形式的换热器平板的扩散焊接的压力、温度和保温时间等焊接工艺参数。 

(3)掌握批量加工PCHE的检测技术。研究焊接前后换热器形貌尺寸变化率与换热器的耐压性能、传热流动性能的关系,摸索出定量评判扩散焊接效果的标准。

 

 

4  插片式微通道换热器

4.1 插片式微通道换热器的结构 

 

微通道换热器,如图9(a)所示,具有体积小、质量轻、换热效果好、制冷剂充注量小等优点[7]。常规的微通道换热器,作为制冷系统冷凝器已经得到广泛应用。但作为蒸发器时,微通道扁管之间的波纹翅片,存在易结霜(露)、凝结水排泄困难等问题,而导致换热性能的下降及设备生锈,限制了该类换热器在热泵领域的推广。

为解决一般微通道散热器纹波状翅片易结霜(露)的问题,新型插片式微通道换热器在翅片上加入导流结 构而代替一般的波纹型翅片,如图9(b)所示,同时翅片与微通道扁平管之间采用卡合固定,确保二者充分接触以提高换热效率。

新型插片式微通道换热器与常规微通道散热器结构相似,都是由集流管、微通道扁管和翅片组成(如图10 所示)。但其翅片结构(如图11(a)所示)和常规微通道换热器翅片结构有所不同。新型插片式微通道换热器的翅片具有从传热面延伸至扁平传热管外部的导流结构,该具有导流结构的翅片由模具冲压而成,可使冷凝水顺着该结构流到散热器外部,以避免结霜问题。同时插片式微通道换热器中微通道扁平管两侧具有口琴结构,如图11(b)所示,通过口琴型开口结构与翅片进行卡合固定,使得翅片和扁平管能够充分接触,以降低换热器的接触热阻[18]

 

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

图9 微通道换热器结构对比

 

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图10 新型插片式微通道换热器的

集流管及微通道扁管成品图

 

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

图11 新型插片式微通道换热器的结构

 

4.2 插片式微通道换热器的优点

 

常规的微通道换热器,由于其波纹型翅片存在凹槽结构,在生成冷凝水时凹槽会积聚冷凝水而使其无法导出,如图12(a)所示,积聚的冷凝水易形成结霜导致换热器风阻上升,而使得换热器性能下降。新型插片式微通道换热器通过其翅片上的导流结构,能够将冷凝水及时排出如图12(b)所示,从而避免结霜导致性能下降的问题。 

新型插片式微通道换热器通过其翅片上的导流结构,较常规微通道换热器具有更优异的排水性能,同时翅片和扁平管插入式的接触,能够减低散热器的整体热阻,使得插片式换热器的换热性能更优。通过对尺寸相同的传统结构微通道换热器和插片式微通道换热器测试对比,图13(a)表明相同尺寸下翅片结构对散热器风阻改变较小,一般情况下二者风阻基本相同;由于结霜会导致散热器风阻上升,图13(b)利用散热器风阻增幅表明散热器的结霜情况,对比发现,插片式微通道换热器较常规结构具有更优抗结霜性能,抗结霜性能大约能够提高30%;图13(c)表明插片式微通道换热器较一般结构具有更好的换热性能,其单位迎风面积换热量较常规结构更高[18]

基于新型插片式微通道换热器翅片上优异的排水性能,能避免作为蒸发器时候的结霜问题,该款换热器可用于商用多联机蒸发器、商用热泵系统蒸发器及汽车空调蒸发器等方面,具有较大的市场潜力。

 

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

图12 两种微通道换热器排水性能对比

 

 

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

图13 新型插片式微通道换热器与常规微通道换热器测试对比


 

 

5  微管通道换热器

微管通道换热器(micro bare-tube heat exchanger)是一种新型高效的换热器,其结构不同于传统的微通道换热器。微管通道换热器由两个集流管和多根不锈钢微管组成,如图14所示。不锈钢微管铜管垂直插入集流管内,并通过焊接固定。换热器的进出口布置在集流管的两端。不锈钢微管的管外径通常在1mm以内,微管之间的间距在1~2mm,具有更加紧凑的结构和换热系数。

相比于传统翅片管式换热器,微管通道换热器具有更加紧凑的结构,如表4所示。微管通道换热器的管外径和管间距均小于传统翅片管式换热器,并且微管通道换热器的比表面积远大于传统翅片管式换热器,说明微管通道换热器的结构更加紧凑。

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

随着《蒙特利尔议定书》、《基加利协议》等国际法规对空调器的环保要求越来越严格,未来空调器需要采用环保冷媒,比如R32、R290。这些制冷剂均有可燃性,导致使用传统翅片管式换热器的空调器在生产、使用过程中存在燃爆的风险。微管通道换热器由于具有更加紧凑的结构,有利于减小空调系统中的制冷剂充注量。微管通道换热器作为蒸发器和冷凝器能够降低系统充注量,从而避免空调器的燃爆风险。试验结果表明,在系统能力和能效不变的条件下,空调系统采用微管通道换热器作为蒸发器和冷凝器后,如图15所示,R290充注量大幅降低,比最严格的欧盟标准规定的上限值还要小,从而使得R290制冷剂能够安全用于空调系统[19]

 

列管式冷凝器,搅拌式反应釜,列管式换热器

图14 高效微管通道换热器结构

 

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图15 微管通道换热器在空调上的应用

(左图为冷凝器,右图为蒸发器)

 

 

 

6  结语 

换热器紧凑性的提升,有助于用更少的材料和更小的体积,来达到更好的换热性能。换热器紧凑度提升带来的材料节省,是提高制冷空调装置经济性的有利因素;但是高紧凑度也有可能带来加工难度的增加,从而增加加工的费用。实际使用时采用的换热器型式,需要综合考虑紧凑性的要求和经济性的要求。本文总结的这些紧凑度较高的换热器型式,可供实际装置设计中选用。

 

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本文编辑:丁国良1  庄大伟1  李智强1

谢丽懿1  韩维哲2  魏文建3

1.上海交通大学制冷与低温工程研究所

2.江苏唯益换热器有限企业

3.浙江盾安热工科技有限企业

内容来源:《家电科技》2019年第5期

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