專利名稱：一種換熱器流路的布置方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用單一及混合制冷劑的制冷設(shè)備與空調(diào)換熱器，特別涉及一種換熱器的流路布置方法及其裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的方法是1)純逆流布置根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，在相同的進(jìn)出口溫度條件下逆流的平均溫壓最大，順流的平均溫壓最小，所以在相同的冷熱流體溫度下，逆流布置要優(yōu)于順流布置，即冷媒流動(dòng)方向與空氣流動(dòng)方向相反；2)防止翅片中的逆向?qū)嶂评鋭┑倪M(jìn)口和出口都同處于換熱器的一端，在該處的翅片中存在較大的溫差，所以在制冷劑的進(jìn)口和出口端采用部分開縫；3)根據(jù)冷媒的相態(tài)布置換熱器的進(jìn)出口當(dāng)換熱器做蒸發(fā)器使用時(shí)，由于蒸發(fā)器的進(jìn)口處冷媒的相態(tài)是液相，出口處的相態(tài)為氣態(tài)，應(yīng)將換熱器的進(jìn)口和出口設(shè)置在上端；當(dāng)做為冷凝器使用時(shí)，冷凝器的出口處冷媒相態(tài)為液態(tài)，而進(jìn)口處相態(tài)為氣態(tài)，進(jìn)出口應(yīng)設(shè)置在換熱器的底端；4)使換熱器局部熱流密度接近均勻如果換熱器的局部熱流密度能夠處處接近均勻，則換熱器總體換熱效果最好，為使q接近于均勻，可以通過調(diào)整總體傳熱系數(shù)k及溫差Δt來實(shí)現(xiàn)，為此，在單相區(qū)應(yīng)采用換熱效果比較好的管子；5)使換熱強(qiáng)化與壓力損失相匹配在兩相區(qū)的開始階段，可以采用雙流路布置，把冷媒分流以降低流速，減小壓降。通過實(shí)驗(yàn)來選擇最佳的分合點(diǎn)位置；6)遵循場(chǎng)協(xié)同原理在空氣剛進(jìn)入翅片的地區(qū)速度矢量與溫度梯度的場(chǎng)協(xié)同程度較好，強(qiáng)化傳熱的措施效果不明顯，但會(huì)使阻力明顯增加；在翅片后部，由于流體分離的原因，溫度梯度與速度的協(xié)同程度變差，強(qiáng)化換熱的措施效果明顯。因此，翅片前部應(yīng)不開縫或少開縫，或采用強(qiáng)化程度較弱、壓降相對(duì)較低的翅片，而翅片的后部則應(yīng)采用開縫雙橋翅片等高傳熱性能的翅片表面。
根據(jù)上述方法制作的換熱器為冷媒流動(dòng)方向與空氣流動(dòng)方向相反；作為冷凝器時(shí)，換熱器冷媒側(cè)進(jìn)口是氣態(tài)，冷媒進(jìn)口設(shè)置在換熱器下端；出口處冷媒變成液態(tài)，出口設(shè)置在下端，換熱器作為蒸發(fā)器使用時(shí)則相反，進(jìn)、出口都設(shè)置在上端，在冷凝器與蒸發(fā)器兩排管子中間開有縫；在單相區(qū)設(shè)置有強(qiáng)化效果較好的內(nèi)螺紋管，在兩相區(qū)設(shè)置有阻力較小的強(qiáng)化換熱管；在空氣出口處采用開縫雙橋片，在空氣進(jìn)口處，采用開縫較少的翅片或平直片。
采用本發(fā)明的流路布置制成的換熱器可以顯著提高制冷和空調(diào)設(shè)備中換熱器的換熱性能，而且隨著質(zhì)量流速的增加，提高的效果會(huì)更加明顯，從而減小制冷和空調(diào)設(shè)備的體積，降低了產(chǎn)品的成本。
3)換熱器進(jìn)出口的布置由于重力可以使液體從高處自動(dòng)地流向低處，因此流路中應(yīng)盡可能地讓液體從高處進(jìn)入低處流出，以減少流動(dòng)阻力。當(dāng)換熱器做冷凝器使用時(shí)，由于冷凝器冷媒側(cè)進(jìn)口處相態(tài)是氣態(tài)，出口處為液態(tài)，所以將換熱器的進(jìn)口和出口設(shè)置在下端最優(yōu)；當(dāng)做為蒸發(fā)器使用時(shí)，由于蒸發(fā)器的進(jìn)口冷媒為液態(tài)，所以與冷凝器相反，進(jìn)出口均設(shè)置在上端。
4)使換熱器局部熱流密度接近均勻根據(jù)等熱流原則，如果換熱器的局部熱流密度能夠處處接近均勻，則換熱器總體換熱效果最好。為此需要對(duì)管內(nèi)外的熱阻及溫差作綜合分析。按照q＝kΔt，要使q接近于均勻，可以通過調(diào)整總體傳熱系數(shù)k及溫差Δt來實(shí)現(xiàn)。
以一般冷凝器中的換熱為例，冷媒側(cè)的熱阻及換熱系數(shù)沿程分布定性地示于圖2、圖3中。顯然，單相區(qū)的冷媒熱阻遠(yuǎn)大于兩相區(qū)的熱阻，其中蒸氣側(cè)單相區(qū)已與空氣側(cè)的熱阻相當(dāng)，為使整個(gè)換熱器熱流密度接近均勻，可考慮適當(dāng)減小兩相區(qū)的換熱系數(shù)。采用一分為二的管路布置，通過這種方法來減小制冷劑的質(zhì)量流速，從而達(dá)到適當(dāng)減小換熱系數(shù)及降低了兩相區(qū)阻力的目的。
由于單相區(qū)的冷媒熱阻遠(yuǎn)大于兩相區(qū)的冷媒熱阻，而且單相區(qū)的沿程阻力相對(duì)較低。因此，采取換熱效果比較好的管子，如高低齒內(nèi)螺紋管，來強(qiáng)化單相區(qū)管內(nèi)換熱也能收到一定效果。并且不必過多考慮引起的阻力增大的后果。
5)綜合考慮換熱強(qiáng)化與壓力損失一般冷凝器沿程壓降的分布如圖4所示。顯然，在兩相區(qū)的開始階段，由于流速很高，壓降很大，同時(shí)這個(gè)地區(qū)的局部換熱系數(shù)也很大，從降低壓降和等熱流原則出發(fā)，該地區(qū)可以采用雙流路布置，把冷媒分流以減小流速。這樣做的結(jié)果是把過高的局部換熱系數(shù)降低，同時(shí)減少壓降。此時(shí)合適的分配器及分合點(diǎn)位置的選擇是關(guān)鍵，需要通過實(shí)驗(yàn)來確定。實(shí)驗(yàn)方法非常簡(jiǎn)單，只需在相同的測(cè)試條件下改變分合點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較來選擇最佳的分合點(diǎn)位置。
6)遵循場(chǎng)協(xié)同原理在空氣進(jìn)入翅片的地區(qū)(空氣側(cè)流動(dòng)方向第一排管子區(qū))速度矢量與局部溫度梯度的方向比較一致，即該地區(qū)兩個(gè)場(chǎng)的協(xié)同程度較好，強(qiáng)化傳熱的措施(如翅片開縫)效果不明顯，但是阻力會(huì)明顯增加。但在翅片后部，由于流體分離的原因，溫度梯度場(chǎng)與速度場(chǎng)的協(xié)同程度變差，強(qiáng)化換熱的措施可以收到明顯的效果。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，空氣進(jìn)口處可以不開縫或少開縫，或采用強(qiáng)化程度較弱、壓降相對(duì)較低的翅片(如開縫較少甚至不開縫的平直片)，而空氣出口處則可采用開縫雙橋翅片等高傳熱性能的翅片表面。
本發(fā)明所提出的上述6個(gè)基本原則既適應(yīng)于冷凝器，也適用于蒸發(fā)器。在布置管排數(shù)較多的換熱器時(shí)，這幾條原則也同樣適用。具體布置流路時(shí)，不同的原則之間可能會(huì)出現(xiàn)矛盾之處，需要綜合考慮，抓住主要因素。
參見

圖1，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法制成的換熱器冷媒流動(dòng)方向與空氣流動(dòng)方向相反；當(dāng)進(jìn)口冷媒是氣態(tài)的時(shí)候，利用氣體的升力來減少沿程阻力，此時(shí)冷媒氣體由換熱器下端進(jìn)口1進(jìn)入；當(dāng)冷媒變成液態(tài)的時(shí)候，利用液體的重力減少沿程阻力，將換熱器的出口2也放置在下端；當(dāng)進(jìn)口冷媒是液態(tài)的時(shí)候，冷媒液體由換熱器上端進(jìn)口1進(jìn)入；當(dāng)冷媒變成氣態(tài)的時(shí)候，換熱器的出口2也設(shè)置在上端；采用了減少逆向?qū)岬拇胧?，在兩排管的中間開有縫3以達(dá)到減少逆向?qū)岬哪康?；通過選擇管內(nèi)外換熱表面的形式使熱流密度盡量均勻；由于單相區(qū)7的冷媒熱阻遠(yuǎn)大于兩相區(qū)6的冷媒熱阻，而且單相區(qū)7的沿程阻力相對(duì)較低。因此，在單相區(qū)7采取換熱效果好的高低齒內(nèi)螺紋管，來強(qiáng)化單相區(qū)管內(nèi)換熱效果；而在兩相區(qū)6采用阻力較小的單內(nèi)螺紋管。空氣側(cè)翅片遵循場(chǎng)協(xié)同原理，在空氣出口處采用開縫雙橋片4；在空氣進(jìn)口處，采用開縫較少的翅片甚至平直片5。
根據(jù)本發(fā)明換熱器流路的布置方法還可設(shè)計(jì)出其它具體結(jié)構(gòu)的換熱器。
權(quán)利要求
1.一種換熱器流路的布置方法，其特征在于1)純逆流布置根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，在相同的進(jìn)出口溫度條件下逆流的平均溫壓最大，順流的平均溫壓最小，所以在相同的冷熱流體溫度下，逆流布置要優(yōu)于順流布置，即冷媒流動(dòng)方向與空氣流動(dòng)方向相反；2)防止翅片中的逆向?qū)嶂评鋭┑倪M(jìn)口和出口都同處于換熱器的一端，在該處的翅片中存在較大的溫差，所以在制冷劑的進(jìn)口和出口端采用部分開縫；3)根據(jù)冷媒的相態(tài)布置換熱器的進(jìn)出口當(dāng)換熱器做蒸發(fā)器使用時(shí)，由于蒸發(fā)器的進(jìn)口處冷媒的相態(tài)是液相，出口處的相態(tài)為氣態(tài)，應(yīng)將換熱器的進(jìn)口和出口設(shè)置在上端；當(dāng)做為冷凝器使用時(shí)，冷凝器的出口處冷媒相態(tài)為液態(tài)，而進(jìn)口處相態(tài)為氣態(tài)，進(jìn)出口應(yīng)設(shè)置在換熱器的底端；4)使換熱器局部熱流密度接近均勻如果換熱器的局部熱流密度能夠處處接近均勻，則換熱器總體換熱效果最好，為使q接近于均勻，可以通過調(diào)整總體傳熱系數(shù)k及溫差Δt來實(shí)現(xiàn)，為此，在單相區(qū)應(yīng)采用換熱效果比較好的管子；5)使換熱強(qiáng)化與壓力損失相匹配在兩相區(qū)的開始階段，可以采用雙流路布置，把冷媒分流以降低流速，減小壓降；6)遵循場(chǎng)協(xié)同原理在空氣剛進(jìn)入翅片的地區(qū)速度矢量與溫度梯度的場(chǎng)協(xié)同程度較好，強(qiáng)化傳熱的措施效果不明顯，但會(huì)使阻力明顯增加；在翅片后部，由于流體分離的原因，溫度梯度與速度的協(xié)同程度變差，強(qiáng)化換熱的措施效果明顯，因此，翅片前部應(yīng)不開縫或少開縫，或采用強(qiáng)化程度較弱、壓降相對(duì)較低的翅片，而翅片的后部則應(yīng)采用開縫雙橋翅片等高傳熱性能的翅片表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱器流路的布置方法制作的換熱器，其特征在于冷媒流動(dòng)方向與空氣流動(dòng)方向相反；作為冷凝器時(shí)，換熱器冷媒側(cè)進(jìn)口是氣態(tài)，冷媒進(jìn)口[1]設(shè)置在換熱器下端；出口處冷媒變成液態(tài)，出口[2]設(shè)置在下端，換熱器作為蒸發(fā)器使用時(shí)則相反，進(jìn)、出口都設(shè)置在上端，在冷凝器與蒸發(fā)器兩排管子中間開有縫[3]；在單相區(qū)[7]設(shè)置有強(qiáng)化效果較好的內(nèi)螺紋管，在兩相區(qū)[6]設(shè)置有阻力較小的強(qiáng)化換熱管；在空氣出口處采用開縫雙橋片[4]，在空氣進(jìn)口處，采用開縫較少的翅片或平直片[5]。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種換熱器流路的設(shè)計(jì)方法及其裝置,這種方法可用于設(shè)計(jì)使用單一及混合制冷劑的制冷和空調(diào)設(shè)備中的冷凝器和蒸發(fā)器。這種方法綜合考慮了多種因素與原則,包括等熱流原則和場(chǎng)協(xié)同原理。提出隨著制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)相態(tài)的變化,應(yīng)該對(duì)流程數(shù)、管外翅片類型以及管內(nèi)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行變化,在管路上選擇合適的節(jié)點(diǎn)將流程分支或合流。使用依據(jù)這種方法設(shè)計(jì)出的換熱器可以顯著提高制冷和空調(diào)設(shè)備中換熱器的換熱性能。
文檔編號(hào)F28F13/02GK1389702SQ0211465
公開日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2002年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月2日
發(fā)明者陶文銓, 何雅玲, 郭進(jìn)軍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)