沈雅鈞1，崔肖潔1，楊永華2

    (1.浙江海洋學院船舶與建筑工程學院，浙江舟山316004；2.浙江海洋學院公共實驗中心、網絡中心，浙江舟山316004)

    摘要：介紹了常用冷凝器的特點，闡述了幾種翅片管的強化傳熱機理及其在冷凝中的應用現狀，對工程實際中冷凝器的強化傳熱有一定的參考價值。

    關鍵詞：冷凝器；翅片管；傳熱系數；強化傳熱技術

    中圖分類號：TK124文獻標識碼：A

    冷凝器的應用范圍十分廣闊，特別是在制冷空調系統中。冷凝器作為主要的傳熱設備之一，其性能的好壞直接影響到裝置的總體工作性能。因此，冷凝器傳熱過程的強化得到了越來越廣泛的重視。為了提高冷凝設備的整體性能，通過管子形狀或表面性質的改造來強化傳熱過程以提高冷凝器的效率，已成為國內外冷凝器發展的一種趨勢。

    1.常見冷凝器類型與特點

    冷凝器又稱“液化器”，是使蒸氣在其中放出熱量而液化的換熱器。根據冷卻介質和冷卻方式的不同，冷凝器可分為水冷式、空冷式、蒸發式三種類型。

    1.1水冷式冷凝器

    水冷式冷凝器是以水作為冷卻介質，靠水的溫升帶走冷凝熱量。水冷式冷凝器具有傳熱效率高、結構緊湊的特點。目前，由于水資源短缺，水冷式冷凝器中使用的冷卻水普遍循環使用，其主要缺點是需要設置專門的冷卻水循環系統，初投資高，水處理費用大。常用的水冷式冷凝器有臥式殼管式、立式殼管式和套管式等型式。

    在大中型空調制冷裝置及工業制冷中一般均采用水冷式冷凝器，其中又以殼管式冷凝器最常用。在殼管式冷凝器中，制冷劑通常在管外冷凝，水在管內流動。目前使用的殼管式冷凝器有光管管束與滾壓低翅片管（即螺旋管）兩種。一般，氨用臥式殼管式冷凝器多采用光管管束，氟里昂冷凝器多采用滾壓低翅片管。

    1.2空冷式冷凝器

    空冷式冷凝器也稱風冷式冷凝器，制冷劑在管內冷凝，制冷劑放出的熱量被空氣帶走。這種冷凝器中有自然對流空氣冷卻式冷凝器和強制對流空氣冷卻式冷凝器。由于空氣的對流傳熱系數很低（25～35 W/m·2K）[1]，空冷式冷凝器的傳熱效率不如水冷式，冷凝溫度與冷凝壓力均較高。另外，在換熱負荷一定的情況下，空冷式冷凝器所需傳熱面積比水冷式冷凝器大，故而設備體積和質量均龐大，占地大。但是可冷熱兩用，初投資低，系統維護管理相對簡單。空冷式冷凝器在工程實際中的應用十分廣泛，既可用于制冷系統，也廣泛應用于空調系統。其最大的優點是不需冷卻水，因此特別適用于缺水地區或者供水困難的場合，在小型制冷空調領域應用尤為廣泛。

    1.3蒸發式冷凝器

    蒸發式冷凝器是以蒸發冷凝和顯熱交換為基礎，制冷劑放出的熱量同時由冷卻水和空氣帶走。制冷劑在管內流動，冷卻水在管外噴淋蒸發時吸收氣化潛熱，使管內制冷劑冷卻和冷凝。蒸發式冷凝器中，省去了冷卻水在冷凝器中的顯熱傳遞階段，使冷凝溫度更接近空氣的濕球溫度，可比水冷式冷凝器系統低3～5℃，從而大大降低壓縮機的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系統的1/3左右[2]。我國蒸發式冷凝器的開發和應用相對滯后，以往多應用于大型的氨制冷系統。近年來，由于電力資源緊張和水資源匱乏，蒸發式冷凝器作為一種節能節水型換熱設備，其研究和應用得到了廣泛重視，促進了蒸發式冷凝器產品技術的成熟和進一步應用。目前，已有一些生產廠家在結構上對其進行了完善，使之應用于中央空調機組[2]。

    對于那些需要進行精確控制的冷凍空調系統和運行環境惡劣的場合，蒸發式冷凝器更容易滿足工藝控制要求。工程應用表明，采用該產品替代傳統的“水冷式冷凝器+涼水塔”方式，增加的初投資一般能在一年左右即可收回，經濟效益明顯。

    2 冷凝器中常用的強化傳熱翅片管

    傳熱過程是熱量從一種流體通過固體壁面傳給另一種流體的過程。工程實際中，強化換熱器的換熱性能主要從強化兩側介質與換熱管內、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強化傳熱技術有:(1)表面涂層；(2)粗糙表面；(3)擴展表面；(4)各種內外螺紋管；(5)擾流元件；(6)添加物；(7)沖擊傳熱[3]。在各種強化傳熱技術中，在壁面上加裝翅片，作為增強傳熱的一個主要手段，在工程中得到廣泛應用。翅片管式換熱器具有高效傳熱、結構緊湊等特點，已被廣泛地應用于制冷空調裝置、航空航天設備、太陽能集熱器和電子設備等各個領域中。在冷凝器中的應用尤為普遍。

    翅片管的種類很多，而且還在不斷涌現新的品種，在這方面的研究也較多[4～6]。大體上可按加工工藝、翅片形狀、材質、用途等幾個方面對翅片管進行分類。在冷凝器中，常用的翅片管有以下幾種形式。

    2.1螺紋類翅片管

    在冷凝器中，常用的螺紋類翅片管有：內螺紋管、整體型螺旋翅片管、螺旋(紋)槽管、橫紋管、肋片管等。

    2.1.1內螺紋管

    內螺紋管結構如圖1所示。

                         

    內螺紋管是一種常見的傳熱特性很好的高效換熱管。空調中采用的水冷式冷凝器一般為R22系統，普遍采用內螺紋管，其傳熱系數可達930～1 600 W/m·2K[7]，進而可以降低冷凝溫度，單位制冷量冷水機組壓縮機能耗就越少。另外，水冷式冷凝器，特別是大型冷水機組冷凝器冷卻水一般都直接取自江河水，懸浮在水中的泥沙顆粒和微生物等污垢物很容易在換熱管內壁形成污垢，使換熱效果大大削弱。文獻[8]的研究表明：冷凝器選用內螺紋管時，冷卻水存在臨界流速υ臨界，當流速υ<υ臨界時，不管機組運行多長時間，相對于光管而言都可實現經濟性運行；如果冷卻水流速υ>υ臨界，那么必然存在臨界時間t臨界，當累計運行時間t≤t臨界時，冷凝器選用內螺紋管仍然具有經濟性。故只要以臨界時間為參考點定期清洗冷凝器，就可維持機組經濟性運行。

    2.1.2整體型螺旋翅片管

    整體形螺旋翅片管是由專用設備———整體形螺旋翅片管加工設備一次性加工成型，翅片呈螺旋形。整體型肋片管又可分為雙金屬肋片管和單金屬肋片管兩種。雙金屬肋片管由兩種不同材料的金屬管復合軋制而成，有銅鋁復合管與鋼鋁復合管；單金屬肋片管由一根鋁管或銅管軋制而成，因不存在接觸熱阻的問題，可大大提高肋片管的換熱性能。整體形螺旋翅片管的基本結構如圖2所示。

     

    整體形螺旋翅片管作為熱交換設備中的重要換熱元件，在采暖、制冷系統的冷凝器中得到普遍應用，另外還可廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、烘烤、余熱回收等各種具有熱交換過程的工農業生產、生活領域。

    2.1.3螺旋槽管

    螺旋槽管也即螺紋槽管，是在基管上加工出螺旋形凹槽而成，如圖3所示。其強化傳熱機理是產生的邊界層分離流使傳熱邊界被破壞。螺旋槽管有單頭和多頭之分，考慮到傳熱效果和阻力因素的綜合影響，工程上一般采用單頭。實踐證明：螺旋槽管對液-液、液-氣、氣-氣間傳熱過程均有強化作用，與光管相比，總傳熱系數可提高20%～40%，可用于各種形式的換熱器、余熱鍋爐等[9,10]。

               

    有人在氨立式冷凝器中，采用螺旋槽鋼管為強化傳熱元件，與光滑鋼管進行了對比試驗，結果表明螺旋槽鋼管的傳熱系數比光滑鋼管高12.9%～65.5%。某冷凍廠的氨立式冷凝器應用螺旋槽鋼管，經過一年多的運行測試，傳熱系數比用光滑鋼管高32.6%～57%[11]。水蒸汽在水平換熱管外凝結的條件下，螺旋槽管是實現冷凝器小型化理想的管型之一，是一種雙側高效強化管。這種管型加工方便，抗結垢能力強，除垢方法簡易，有的國家已用于船用冷凝器。文獻[10]對螺紋槽管的研究結果表明：(1)在冷卻水質量流量及水阻相等的條件下，螺紋槽管冷凝器的換熱面積可比光管減少30.6%～33.8%；(2)在清潔狀態下，螺紋管槽傳熱系數是光管的1.25～1.41倍，運行一年后(結垢狀態)，其傳熱性能仍超過光管。

    2.1.4橫紋槽管

    橫紋槽管是20世紀70年代中期出現的一種高效傳熱元件。它用普通圓管作毛胚，在管外壁經簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽，同時在管內形成一圈突起的環翅，具有加工簡單，制造成本低廉的優點，其結構如圖4所示。橫紋槽管是螺旋槽管螺旋角為90°時的極限形式。其強化傳熱機理為：徑向流動破壞了邊界層底層的形成，在一定程度上強化了傳熱。另一方面，當管內流體經橫向環翅時，管壁附近形成橫向漩渦，增大了邊界層的擾動，有利于熱量通過邊界層向流體主體的傳遞。由于橫向環翅的不斷出現，當前一個渦流即將消失時，流體流經下一個橫翅馬上產生新的橫向渦流，因而可保持連續且穩定的強化作用[12]。橫紋槽管主要用來強化管內單相流體的傳熱，研究發現，在相同流速下，橫紋槽管流動阻力要小于單頭螺旋槽管。

    

    文獻[12]對橫紋管的污垢性能進行了實驗研究，結果表明：橫紋管有較好的傳熱性能，在清潔狀態下，橫紋管的強化比約為1.2；在結垢狀態下，橫紋管的強化比約為1.4。故橫紋管比光管更適宜于結垢狀態下使用。

    2.1.5肋片管

    肋片管分為低肋片管和高肋片管。低肋管也即通常所稱的螺紋管，是制冷殼管式換熱器中普遍采用的換熱管，也是蒸發式冷凝器中普遍采用的強化傳熱方法之一，用于油品冷卻效果也較好。高肋片管則主要用在空冷器上。采用肋片管，通過調節管內、外某一側的膜傳熱系數，即翅片位于傳熱系數較小的一側，可使總傳熱系數值增加幾倍[9,13,14]。

    低肋片管和高肋片管均已標準化，可按標準直接向專業廠家訂購。

    2.1.6變螺距內螺紋管

    采用在已加工好的管壁內部加工變螺距內螺紋，不但可以擴大管子的內表面積，增加傳熱面積，并且由于管子不再是光管，內部有螺紋所以內壁變得粗糙，可以破壞層流邊界層，使管內的制冷劑的流態變成紊流，從而提高管內對流換熱系數。同時，因為采用變螺距，沿著流體流動方向螺距從大變小，這樣可進一步增強流體的擾動，強化流體的換熱系數。

    研究表明，將等間距內螺紋翅片管換熱器的管內螺紋改為變間距，由于管內有規則、連續的凸肋和凹槽發生改變，可使其內表面積比等間距增大8.4%，傳熱系數增大3.82%，管內換熱系數增加4.89%[15]。等間距內螺紋管與變間距內螺紋管的結構示意圖如圖5、圖6所示。

                  

                  

    2.2套片管

    套片式翅片管是將沖壓成型的翅片緊套在金屬管壁上制成的。翅片管材料通常采用鋼管鋼翅片，也可采用銅管鋁片，然后經表面熱鍍鋅處理。翅片形狀為矩形，每片翅片可以套在一根管上或同時套在多根管上，根據情況還可在翅片上加工出不同形狀的口子，如圖7所示。

    

    工程中常用的套片式翅片管有兩排或四排，采用的管束以正三角形叉排布置，如圖8所示。

    

    文獻[16]將整體套片的肋效率與等截面、變截面直肋和環肋的肋效率相比，發現整體套片式肋的肋效率較其它形式肋大，單位體積的傳熱面也較大，金屬耗量大，但其加工簡單、安裝方便。

    由于套片管換熱器具有加工簡單，結構緊湊，占地面積小等優點，在空調工程中的得到廣泛的應用。如空冷式冷凝器，就多采用套片管或螺旋繞片管。圖9所示為空調中使用的雙排冷凝器翅片形式。

    

    2.3波紋管

    波紋換熱管如圖10所示，其強化傳熱機理是：波紋形翅片引起的流動方向改變導致邊界層分離，從而提高換熱效率。

    

    波紋管是一種高效能傳熱表面，目前在強化換熱管領域占有重要地位，常用于各種強化傳熱的場合，如制冷系統中的中間冷卻器等。波紋管也常用于強化蒸發式冷凝器的傳熱[7]。

    用波紋管作為換熱管的高效波紋管換熱器是實現雙面強化傳熱的高效換熱設備，它綜合了管殼式換熱器和板式換熱器的優點，具有傳熱系數高（其換熱效率可比管殼式換熱器和板式換熱器提高2倍以上）、適應性強（耐溫差、壓差性能好，自補償性能好）、防垢除垢、耐腐蝕、單臺處理量大（熱負荷最高可達150×106 kcal[h1]/h）、流動阻力小、結構簡單、制作方便、體積小、重量輕、節省鋼材等眾多優點。特別地，波紋管的防垢自潔效應，實現了在整個運行過程中均能維持較高的傳熱效果。因此，波紋管換熱器的社會效益和經濟效益非常顯著，已成為現有換熱器的更新換代產品，得到廣泛的應用，具有很好的推廣應用前景。

    2.4螺旋扭曲管

    目前，對強化傳熱管的研究已進入第三代管型———三維傳熱管，螺旋扭曲管就是其中的新管型之一。三維的非連續翅片管比二維的連續翅片管具有更不規則的擴展表面，流體流過時，邊界層反復不斷地受到破壞，從而使傳熱系數得到進一步提高。

    螺旋扭曲管的具體形式較多，其中，文獻[17]設計的一種螺旋扭曲管如圖11所示。該管可采用碳鋼管、不銹鋼管、Ti管、紫銅管和鎳合金管制造，用于水-氨吸收機時，可采用鋁管。該管可用于冷凝器中，也可用于其

    他制冷換熱器、吸收式制冷機發生器和吸收器中，達到管內外兩側強化傳熱的效果。

    

    瑞典ALLARDS公司、華南理工大學化機所和武漢化工學院化機系、天津大學等都對螺旋扭曲管換熱器及其傳熱和阻力性能有一定的研究[17,18]。在蒸發式冷凝器中，也常用扭曲管作為一種新型強化傳熱元件，其內部的螺旋扭曲流道使管程流體產生以縱向旋轉和二次旋流為主要特點的強擾動，使管內流體在溫度梯度較大的徑向產生混合，使壁面處的溫度梯度增大，從而實現強化傳熱。

    2.5螺旋繞片管

    螺旋繞片管也是典型的三維傳熱管之一。它是利用金屬帶材的伸縮性，將薄金屬帶（鋼帶或不銹鋼帶/銅帶）螺旋形地強制立繞在金屬基管上，使翅片與基管緊密接合在一起，然后對翅片管進行鍍層處理，使接觸熱阻降低到最低限度，同時強化翅片管的傳熱性能和抗腐蝕能力。螺旋繞片管的基本型式如圖12所示，其片距及片高可以根據使用要求而定。

                  

    螺旋繞片管換熱器具有傳熱性能好、承壓能力大、傳熱速度快、耐腐蝕、壽命長等優點，空冷式冷凝器中常采用螺旋繞片管來強化傳熱。

    3 結束語

    螺紋類翅片管、套片式翅片管、波紋管、螺旋扭曲管、螺旋繞片管等高效傳熱元件在冷凝器中得到了廣泛的應用，傳熱效果得到了顯著提高。除此之外，新齒形傳熱管還在不斷出現。與光管相比，它們具有下述共同特點：(1)不同形狀的翅片均可使傳熱壁面變得粗糙，從而破壞靜止的層流邊界層，提高對流換熱系數，使換熱得到不同程度的強化；(2)在負荷一定的條件下，冷凝器所需面積可大大減小；(3)根據大多數人的常識，粗糙的翅片管表面容易引起結垢；事實上，由于粗糙表面引起的紊流破壞了靜止的附面層，會使污垢難于附著；即使有污垢附著，污垢也呈現離散的鱗片狀，設備運行中溫度的變化使管子發生膨脹和收縮，會因污垢與管壁材料間的脹差巨大而引起剝離，在介質的沖擊下自行脫落。而光管垢層為圓柱體，無任何自脫力。因此，翅片管的結垢情況并不比光管嚴重多少。

    近年來，各種翅片管換熱器在制冷空調領域的應用日趨廣泛，解決了換熱器運行中的許多問題，也收到了很好的強化傳熱的效果。隨著制冷空調企業的科技進步、高效技術改造的深入，強化傳熱仍是蒸發器、冷凝器等換熱設備的主要發展方向，新型的翅片管強化傳熱技術將會得到越來越廣泛的研究和應用。

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