翅片是換熱器設(shè)計(jì)

1、強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式空調(diào)冷凝器的設(shè)計(jì)陳景銳 機(jī)電工程系制冷工程 02010962【摘要】本文介紹了強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式空調(diào)冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并詳細(xì)論述了其設(shè)計(jì)過(guò)程，最后聯(lián)系實(shí)踐，制作出用于指導(dǎo)生產(chǎn)的工序指導(dǎo)卡?！娟P(guān)鍵詞】空調(diào)冷凝器、設(shè)計(jì)、工序指導(dǎo)卡引言：換熱器是制冷空調(diào)系統(tǒng)中最重要的部件之一,其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此,換熱器的研究一直是制冷空調(diào)領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S的研究方向。本文以冷凝器為例，對(duì)強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式空調(diào)換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。一、 概述冷凝器的功能是把由壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體冷凝成液體，把制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量（即制冷量）與壓縮機(jī)耗功率相當(dāng)?shù)臒崃恐?/p>

2、排入周圍環(huán)境中。因此，冷凝器是制冷裝置的放熱設(shè)備，其傳熱能力將直接影響到整臺(tái)制冷設(shè)備的性能和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。冷凝器按其冷卻介質(zhì)可分為水冷式、空冷式和水/空氣混合式。由于空冷式冷凝器使用方便，尤其適合于缺水地區(qū)，在小型制冷裝置（特別是家用空調(diào)）中得到廣泛應(yīng)用。空冷式冷凝器可分為強(qiáng)制對(duì)流式和自然對(duì)流式兩種。自然對(duì)流式冷凝器傳熱效果差，只用在電冰箱或微型制冷機(jī)中。下面僅討論強(qiáng)制對(duì)流式冷凝器。二、 強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器都采用銅管穿整體鋁片的結(jié)構(gòu)（因此又稱管翅式冷凝器）。其結(jié)構(gòu)組成主要為U形彎傳熱管、翅片、小彎頭、分叉管、進(jìn)（出）口管以及端板等（如圖1），其加工工藝

3、流程如圖2。下面簡(jiǎn)要介紹一下各主要部分：1、 U形彎傳熱管U形彎傳熱管俗稱大U彎，其材料一般為紫銅。為了減少金屬材料消耗量及減少冷凝器重量，在強(qiáng)度允許的條件下，應(yīng)盡量避免使用厚壁銅管。U形彎傳熱管有光管和內(nèi)螺紋管兩種。由于內(nèi)螺紋管重量輕、成本不高，并且其內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較光管要增加23倍【1】參看小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)。因此，現(xiàn)在光管已基本上被內(nèi)螺紋管代替了。2、 翅片除非客戶特別要求，否則翅片的材料一般為鋁。它有平片、波紋片和沖縫片三種形式，并且這三種形式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也相差較大。對(duì)使用波紋片和沖縫片的管簇，其空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)目前尚無(wú)簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的計(jì)算式。實(shí)踐表明，采用波紋片和沖縫片時(shí)，空氣側(cè)表面

4、傳熱系數(shù)較一般平翅片分別大20%和60%以上【2】參看小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)。 。由于空氣通過(guò)叉排管簇時(shí)的擾動(dòng)程度大于順排，空氣通過(guò)叉排管簇時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較順排管簇高10%以上，因而，空冷式冷凝器的管簇排列以叉排為好。為了使彎頭的規(guī)格統(tǒng)一，一般管簇都按等邊三角形排列。為了使翅片有較高的翅片效率，保證彎頭的加工工藝要求，管中心矩應(yīng)是傳熱管外徑的2.5倍。按等邊三角形叉排布置的翅片管簇，對(duì)每根而言，其翅片相當(dāng)于正六角形（如圖3）為了有效利用空冷式冷凝器的傳熱面積，并且保證焊接工藝要求，沿空氣流動(dòng)方向的管排數(shù)一般為14排【1】 有的書(shū)上是26排或28排，此處僅以科龍型冷凝器為參考依據(jù)。（注：如果排數(shù)

5、大于4排，過(guò)自動(dòng)焊時(shí)就很難保證焊接質(zhì)量。）。為了增加銅管與翅片的接觸面積，進(jìn)而增加整個(gè)冷凝器的換熱面積，一般將翅片孔外沿翻邊。翅片的翻邊保證了翅片的間距，同時(shí)也保證了脹管工藝。圖4為翅片翻邊示意圖。為了提高換熱器的傳熱效果，必須避免或減小翅片與管面之間的接觸熱阻，使翅片與管面間保證良好接觸，因此一般會(huì)采用機(jī)械脹管方法，其脹緊量一般為0.080.15【2】 此數(shù)據(jù)是依據(jù)科龍型冷凝器的工藝參數(shù)計(jì)算得出的，折算成接觸率就是0.4%2.05%左右，與小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)里的0%2%接近，但與有的書(shū)上的2.5%5%相差較遠(yuǎn)。三、 冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算1、設(shè)定有關(guān)參數(shù)【3】 相關(guān)參數(shù)的假定是以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和科龍型

6、冷凝器為參考依據(jù)的。取當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)P=98.07kpa，冷凝溫度,蒸發(fā)溫度，進(jìn)口空氣干球溫度，進(jìn)出口空氣溫差，則出口空氣干球溫度，制冷量，選用R22作為冷媒。翅片采用沖縫普通鋁片，管簇排列形式為正三角形叉排，鋁片厚度=0.105，翻邊高度,傳熱管采用7×0.25×0.1內(nèi)螺紋紫銅管【4】 7×0.25×0.1表示銅管外徑為7，管壁厚度為0.25，齒高0.1?！?，則孔中心距。假定迎面風(fēng)速，有效單管長(zhǎng)即兩端板距。2、設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 平均溫度及對(duì)數(shù)平均溫差 （2） 冷凝熱負(fù)荷查R22冷凝負(fù)荷系數(shù)圖【1】 請(qǐng)參看小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)或相關(guān)文獻(xiàn)。1】，當(dāng)、時(shí)，其冷

7、凝負(fù)荷系數(shù)，因此冷凝熱負(fù)荷 （3） 肋化系數(shù)每米管長(zhǎng)翅片側(cè)面面積 【2】 /m每米管長(zhǎng)翅片間管面面積（即翻邊面積） =0.0212/m則每米管長(zhǎng)總外表面積 = 0.2805 + 0.0212 = 0.3017/m每米管長(zhǎng)總內(nèi)表面積 /m所以肋化系數(shù) （4） 迎風(fēng)面積查干空氣物理性質(zhì)表，在大氣壓力P=98.07kpa、空氣平均溫度條件下，其性質(zhì)如下：在進(jìn)風(fēng)溫度條件下，則冷凝器所需空氣的體積流量 所以 迎風(fēng)面積 （5） 迎風(fēng)面高度（即翅片長(zhǎng)度） （6） 迎風(fēng)面上管排數(shù) 排（7） 最窄截面風(fēng)速 （8） 冷凝器的總傳熱系數(shù)目前，對(duì)冷凝器的總傳熱系數(shù)的計(jì)算主要有三種方法：（1）通過(guò)公式來(lái)求；（2）直接取

8、經(jīng)驗(yàn)值（比如有的書(shū)上直接取K=35W/(.k)）；（3）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求。第一種方法計(jì)算精確，但過(guò)于復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用；第二種方法簡(jiǎn)單有效，但必須有在同一廠家較長(zhǎng)的工作經(jīng)驗(yàn)；第三種方法適用范圍廣并且比較簡(jiǎn)單，適合工程應(yīng)用。下面將利用第三種方法來(lái)求K值。但由于該公式?jīng)]有考慮沖縫翅片和內(nèi)螺紋管對(duì)K值的影響，因此我針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了粗略的研究比較，即利用計(jì)算K值的理論公式，當(dāng)=15并且忽略其分母的中間三項(xiàng)，分別讓o和i一步步增加，以此得出它們對(duì)K值的影響。其結(jié)果如圖5和圖6。圖5表明了在肋化系數(shù)=15時(shí)管外傳熱系數(shù)o對(duì)K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開(kāi)始時(shí)，o每增加10%，K值可增加7%以上，但隨著o的繼續(xù)增

9、加，K值的增加逐步呈下降趨勢(shì)。但在o的增加不超過(guò)100%情況下， o每增加10%，K值平均增加6%左右。圖6表明了在肋化系數(shù)=15時(shí)管內(nèi)傳熱系數(shù)i對(duì)K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開(kāi)始時(shí)，i每增加10%，K值可增加2%以上。和管外傳熱系數(shù)對(duì)K值的影響一樣，隨著i的繼續(xù)增加，K值的增加呈下降趨勢(shì)。當(dāng)i的增加達(dá)到250%時(shí)，i每增加10%，K值只增加0.5%左右。在i的增加超過(guò)200%但不超過(guò)300%情況下，i每增加10%，K值平均增加0.8%左右。前面第二部分已經(jīng)提到過(guò)，采用沖縫片和內(nèi)螺紋傳熱管時(shí)，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)o和制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)i分別較一般平翅片和光管大 60%和23倍以上。因此，計(jì)算沖縫片加

10、內(nèi)螺紋傳熱管的空冷式冷凝器的總傳熱系數(shù)時(shí)，我們可以在經(jīng)驗(yàn)公式后面再乘以1.36和1.24【1】 1+（60%÷10%）×6%=1.36，1+（3÷10%）×0.8%=1.24，即 （9） 冷凝器所需的傳熱面積 （10）所需有效傳熱管總長(zhǎng) （11）空氣流通方向上的管排數(shù) 排取整數(shù)n=2排（12） 翅片寬度 冷凝器的實(shí)際有效傳熱管長(zhǎng)為L(zhǎng)=nlN=2×0.398×18=14.328m,實(shí)際傳熱面積為A=L·ao=14.328×0.3017=4.323,較傳熱計(jì)算所需傳熱面積大5.4%，能滿足冷凝負(fù)荷的傳熱要求。此外，冷凝

11、器的實(shí)際迎面風(fēng)速與所取迎面風(fēng)速相一致。四、工序指導(dǎo)卡的制作【1】該卡的形式是以科龍空調(diào)公司熱交換車間的工序指導(dǎo)卡為參考依據(jù)的?！?、沖壓工序指導(dǎo)卡（1） 翅片孔徑、脹頭及擴(kuò)頭的大小取翅片孔徑=7.3 【2】 該數(shù)值是依照科龍型冷凝器的工藝參數(shù)選定的?？讫垷峤粨Q器所用的翅片的孔徑只有7.3和9.88兩種，分別對(duì)應(yīng)7和9.52兩種銅管?！?，脹緊量0.15，則脹頭大小為 7.3+0.15 -(0.25+0.1)×2=6.75取7.1擴(kuò)頭【3】該數(shù)值是依照科龍型冷凝器的工藝參數(shù)選定的?！浚?） 翅片片數(shù)每片翅片的側(cè)面面積=0.01632每片翅片的翻邊面積 =0.00136每片翅片的總面積 則翅片片數(shù) 片（3） U形傳熱管開(kāi)料尺寸【1】 此為經(jīng)驗(yàn)公式，其中l(wèi)表示兩端板距，0.96是銅管的收縮率，30是經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。1】詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)附卡。2、 焊接工序指導(dǎo)卡（見(jiàn)附卡）五、結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式空調(diào)換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討，該方法不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。由于該方法與實(shí)踐相聯(lián)系，使其更適合工程應(yīng)用，同時(shí)也更能體現(xiàn)高職教育的結(jié)果-培養(yǎng)既懂理論又能使理論與實(shí)踐相結(jié)合、解決生產(chǎn)第一線實(shí)際問(wèn)題的技術(shù)應(yīng)用性專門人才。當(dāng)然，由于時(shí)間和水平有限，設(shè)計(jì)過(guò)程中有些數(shù)據(jù)可能并不非常準(zhǔn)確，比如管內(nèi)外換熱系數(shù)對(duì)整個(gè)換熱器換熱系數(shù)的影響。但我們更注重過(guò)程，