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          換熱器傳熱基礎知識

          換熱器傳熱基礎知識

          換熱器傳熱基礎知識

          蒸發器與冷凝器是制冷系統中制冷循環的基本設備,均屬換熱設備,制冷劑在冷凝器中放出熱量,在蒸發器中吸收熱量,實現制冷循環過程。
                 在制冷設備中,換熱設備占很大的比重,換熱設備的作用是使制冷劑在其中吸收熱量或放出熱量,它包括冷凝器、蒸發器和一些輔助熱交換器等,換熱設備在制冷系統中起著重要的作用,換熱設備的性能對制冷系統具有較大的影響。

                 換熱設備的工作原理是熱流體和冷流體同時在換熱器傳熱面兩側流動,熱量通過壁面從熱流體傳給冷流體。兩物體之間的傳熱是一種很復雜的過程。
                 傳熱有三種基本方式,即熱傳導、熱對流和熱輻射。
          熱傳導:是指靜止物體(如氣體、液體、固體),由于分子、原子、電子的運動,使熱量從物體內由高溫處向低溫處的傳遞。比較熟悉的例子如蒸汽加熱池中的水;金屬導熱(電焊、火鉤、熱鍋中的鏟子)等。熱傳導在真空中不能傳遞。
          熱對流或稱對流傳熱:是指氣、液流體流動引起的熱量傳遞,又分為強制對流和自然對流兩種。強制對流指在泵或風機的外力作用下而引起的流體流動,比較熟悉的例子如暖氣、空調冷熱風等。自然對流指流體各部分溫度不均勻而形成密度的差異而使流體相對流動發生的傳熱,如土暖氣等。
          熱輻射:是指物體發出輻射能,通過電磁波產生能量傳遞。當溫度較高時才能發生。比較熟悉的例子如火爐取暖、頻譜儀等。

                 制冷換熱設備的傳熱情況,往往是熱傳導、熱對流、熱輻射兩種或三種傳熱方式組合作用的結果。比如在水冷式冷凝器中,制冷劑蒸汽冷卻和凝結時放出的熱量,主要通過熱對流傳遞給冷凝器管子外壁,然后通過熱傳導傳至管子內壁,再通過熱對流把熱量傳給冷卻水。而溫度較高的冷凝器殼體還通過熱對流和熱輻射把熱量傳遞給周圍的空氣。

                 在工程上,為了簡化計算,通常把以上復雜的熱傳遞過程用一個總傳熱系數來表示,用k來表示。當傳熱面為圓管形狀時,常常以外傳熱表面為基準面,總傳熱系數的計算公式如式1。為了方便理解和記憶式1,可以想象有一圓管形傳熱管,管內和管外分別分別走兩種溫度不同的流體,假如管外的流體溫度高,管外流體熱量傳遞到管內流體的過程和傳熱方式是有規律變化的,傳熱管外流體熱量對流傳熱到傳熱管外表面,熱量克服傳熱管外表面污垢熱阻,熱量在傳熱管壁厚上熱傳導到傳熱管內表面,熱量克服傳熱管內表面污垢熱阻,熱量傳遞到傳熱管內流體進行對流傳熱。因為以傳熱管外表面為基準面,傳熱管內表面的曲率的變化影響因素用傳熱管外徑和內徑比來修正,符號的下腳標分別表示outside和inside,即外表面和內表面。

                                                                             

                 總傳熱系數 是表示換熱設備性能的重要參數,影響K值的因素有:傳熱面內外兩側流體的對流傳熱系數α、管子內外徑d和壁厚b、傳熱面材料的導熱系數λ、污垢熱阻Rs等。總傳熱系數K的大小與冷熱流體的流動情況、傳熱壁面的材料、形狀、尺寸等許多因素有關。 值的單位為W/(㎡?K),K越大,表明換熱設備的傳熱。
          換熱設備的基本傳熱公式為

                                                                                                 
                 式中
                 ——換熱設備的傳熱量(W);
                 ——傳熱系數[W/(㎡?K)];
                 ——換熱設備傳熱面積(㎡);
                  ——對數平均溫差(K)。
                 通常利用基本傳熱公式,根據 Δtm,Q ,KQ 來確定或核算傳熱面積F。
                 采用對數平均溫差 Δtm,是因為在計算由熱流體傳遞給冷流體的熱量(或冷流體所吸收的熱量)時,要考慮在傳熱過程中,熱流體和冷流體的溫度是沿著流動方向不斷變化的,而且流體的溫度對整個傳熱面積來說,也并不是始終保持不變的,用對數平均溫差比用算術平均溫差準確。對數平均溫差計算公式為

                                                                                         

                 有關手冊中列有制冷換熱設備傳熱參數的經驗值,可供使用時參考,不同操作情況下,制冷換熱設備傳熱參數值變化范圍很大。應對常用的制冷換熱設備傳熱參數值的大小有一個數量級的概念,對于熟悉和掌握制冷換熱設備的特點、傳熱分析會有所幫助。表1中列出了一些制冷換熱設備總傳熱系數的大致范圍,表2列出了一些制冷裝置中常用材料的導熱系數,表3列出了一些常用的制冷裝置中對流傳熱系數.

          表1 常用制冷換熱設備總傳熱系數K的大致范圍
          換熱器名稱及型式
          傳熱系數/K/[W/(㎡·K)]
          相 應 條 件
          臥式冷凝器(氨)
          810~1050
          傳熱溫差4~6℃,單位面積冷卻水用量0.5~0.9m3/(㎡·h)
          臥式冷凝器(氟利昂)
          930~1169
          傳熱溫差,7~9℃,低肋管,肋化系數≥3.5,水速1.5~2.5m/s
          套管式冷凝器
          970~1290
          傳熱溫差,8~11℃,低肋管,肋化系數≥3.5,水速2~3m/s
          空氣冷卻式冷凝器(強制對流)
          29(R12)
          35(R22)
          迎面風速2.5~3.5m/s,冷凝溫度與進風溫差≥15℃,室外溫度35℃
          空氣冷卻式冷凝器(自然對流)
          6~9
          滿液式
          氨,水
          490~580
          蒸發溫度0℃,水速1~2m/s
          氨,鹽水
          410~550
          傳熱溫差4~6℃
          氟利昂,鹽水
          490~520
          傳熱溫差4~6℃,水速1~1.5m/s,肋化系數3.5
          氟利昂,鹽水
          520~760
          傳熱溫差4~8℃,水速1~1.5m/s,光管外徑15.9mm
          干 式
          氟利昂,水
          450~910
          傳熱溫差在7℃以上,水速高的情況為大值
          氟利昂,水
          340~790
          傳熱溫差在4℃以下,水速低的情況為相應小值
          氟利昂,水
          1630~1750
          R22,8肋內肋管,水速1.1m/s
          2 制冷裝置中常用材料的導熱系數λ
           
          λ/W/(m·℃)
           
          λ/W/(m·℃)
          新霜
          舊霜
          383.79
          227.95
          52.34
          0.118
          0.55
          玻璃
          玻璃絲棉
          發泡塑料
          空氣
          1.0932
          0.599
          0.03489
          0.04652
          0.0244
          表3 常用的制冷和空調裝置中對流傳熱系數α
          流體的種類和狀態
          α/W/(m2·℃)
          流體的種類和狀態
          α/W/(m2·℃)
          靜止氣體
          流動氣體
          靜止液體
          4~20
          10~500
          70~300
          流動液體
          冷凝面 R12
          蒸發面 R12
          200~1000
          1600
          1700


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