盤狀螺旋管換熱器的實驗研究
                                       江斌   陳則韶
                         (中國科學技術大學,合肥230027)
    摘要:介紹了一種適用于小流量大溫升的新型盤狀螺旋管換熱器,具有結構簡單、質輕,體積小的特點;利用相關的實驗研究,獲得其換熱性能和流動阻力特性。實驗結果表明,其在小流量下仍具有較高的傳熱系數,適合于做熱泵熱水器的水冷換熱器。
    關鍵詞:逆流式換熱器;螺旋管;熱泵熱水器
    1·前言
    家庭、賓館、飯店需要大量45~55℃的熱水,利用熱泵原理來制熱水是一種節能的好方法[1, 2]。為獲取所要求溫度的熱水,必須設計一水冷冷凝器。由于換熱過程中水的溫升較大(如冬季自來水溫度僅約5~7℃,則溫升要求可能達到40~50℃),而現有的殼管式、套管式、板翅式,板式和螺旋板式換熱器等設計的進出口水溫差僅4~7℃。若換熱功率相同情況下要提高水的溫升,勢必使水對被冷卻流體的流量比大大減小,水流速降低,換熱效率大大降低,從而使得現有換熱器換熱能力不能得到充分發揮。
    本文提出的盤狀螺旋管逆流式換熱器,可以滿足這種特殊要求,并已獲發明專利[3]。
    2·換熱器強化思路
    水流量的降低,導致水側對流換熱強度大大降低,成為熱傳遞過程中的主要熱阻。要想得到較高的換熱效率,必須在結構上和冷熱流體流動方式上采用一些強化傳熱的手段和技術。強化傳熱的方法有許多[4],對于無相變的對流換熱,凡是能減薄邊界層,促使流體各部分混合,特別是近壁流體的混合均能起到強化傳熱的效果。
    圓管內充分發展湍流對流換熱系數計算公式為：
    
    由式(1)可以看出,在換熱介質確定的情況下,其熱物性值在對應溫度下也是確定的,提高流速和采用小管徑對強化對流換熱十分顯著。與此同時,擴展表面不僅可以加大換熱面積,也可起到增大表面傳熱系數的作用;螺旋管內的流體在向前運動過程中會連續地改變方向,在橫截面上引起二次環流,可在較低的雷諾數下產生湍流,起到強化作用。盤狀螺旋管逆流式換熱器正是基于以上強化傳熱技術而設計的,當然這些措施在強化傳熱的同時也不可避免地引起流動阻力的增加,加大流體輸送所需的功率。
    3·盤狀螺旋管逆流式換熱器結構
    盤狀螺旋管逆流式換熱器如圖1所示。主要包括換熱管2,換熱器殼體1,殼蓋5,冷流體的進口6、出口7,熱流體的進口8、出口9;殼蓋用螺絲緊固件擰緊在換熱器殼體上,殼蓋與換熱器殼體間夾有密封墊。換熱管是外側帶肋的多內通道扁管;將帶外肋的多內通道扁管卷制成盤狀螺旋管封裝在換熱器殼體和殼蓋構成的腔體內,螺旋管盤的上、下端面被殼蓋和換熱器殼體的底面緊緊夾住,盤狀螺旋管的管內為一種流體通道,管外和換熱器殼體以及殼蓋圍成了另一種流體的通道盤狀螺旋管的兩端焊接有進口管接頭和出口管接頭,并穿出殼體。一流體從最外圈端頭的進口短接管8進入后,不斷旋轉,由中心處的短接管出口9流出;另一流體從中心區的進口短接管6進入殼體腔內后,經螺旋管外的螺旋通道,從內圈螺旋流至外圈,由出口短接管7流出;管內外流體呈逆向流動,在雙旋流中進行充分的熱交換,熱流體被冷卻,冷流體被加熱。若用作空調機的水冷冷凝器,制冷劑蒸氣在螺旋扁管內螺旋流動并逐漸冷凝為液體,冷水在管間流道內流動吸熱而溫度升高。
              
    多內通道扁管,采用鋁合金材料。其具有密度小(鋁及鋁合金的密度接近2 700kg/m3,約為鐵或銅的1/3)、強度高、導電導熱性好、耐蝕性好和易加工的突出優點,構成的換熱器質量輕,成本低。與銅相比,雖然其導熱系數僅為銅的1/2左右,但壁厚僅0. 5~0. 8mm,管壁熱阻與其它傳熱環節相比要小得多,其影響可以忽略。
    外肋既增加了水側的換熱面積,同時在卷制成盤狀螺旋管的過程中能很好地保證螺旋的間距即管外通道的大小。外側帶肋可以是單外側帶肋或是雙外側相間隔帶肋的方式;內肋有強化傳熱和提高扁管承壓能力、不易變形的作用。內外肋與扁管融為一體,無接觸熱阻。
    采用了上述結構,其優點和強化傳熱的作用可以從以下6方面體現:
    ①由于扁管的耐壓性和自密封,保證了卷成盤管的密封性,允許管內外流體有較大的壓力差而不會串漏,應用時較高壓力、易泄漏的流體一般在扁管內流動(例如用作空調器的水冷換熱器時,制冷劑就在扁管內流動);
    ②螺旋盤管可以使管外流體和管內流體作逆向雙旋流流動,螺旋管內和管外的流體在不停旋轉中大大強化了流體與管壁的對流換熱,使換熱器的傳熱系數得到較大提高;
    ③盤狀螺旋管在較小圓盤直徑的條件下取得很長的流道,結構緊湊,從而能在小流量比大溫升的換熱器設計中保持較好流速,取得較高傳熱效率;
    ④盤狀螺旋管采用扁管卷成的盤狀螺旋管結構,使得管內制冷劑的流層變薄,傳熱系數進一步加大;
    ⑤若螺旋扁管內壁、外壁,或內外壁采用細螺紋槽結構,換熱能力還將進一步增加。
    4·盤狀螺旋管逆流式換熱器性能實驗
    換熱管扁管截面結構如圖2所示。扁管選擇6孔結構,厚11mm,寬35mm,扁管內流道間距4.4 mm,內肋與外壁厚度0. 8mm,外肋厚度為1.5mm,平面段外肋高3mm,圓弧段外肋高1. 5mm。盤狀螺旋管內圈直徑100mm,外圈直徑380mm,相鄰圈的扁管平均中心間距約為8mm,扁管長度10. 5m,管外側換熱面積約1. 1m2。
            
    當量直徑的計算公式為de=4Ac/p(2)式中:de為槽道的當量直徑,m;Ac為槽道的流動截面積,m2;P為潤濕周長,m。此扁管構成的換熱器內側流道當量直徑為3. 836mm;外側流道當量直徑為3. 568mm。相同流道截面積的圓管直徑分別為10. 54mm和10. 70mm,根據式(1)可知,管內充分發展湍流對流換熱系數將提高22%和26%,顯然帶外肋的多通道扁管結構對強化傳熱的作用相當顯著。
              
    換熱器傳熱系數測量裝置如圖3所示。冷熱流體均采用水,熱流體由恒溫水浴提供,而冷流體采用自來水,在試驗的一段時間內可以認為是恒定的。溫度采用銅-康銅熱電偶作為溫度傳感器、用HP 34970A型數據采集儀采集;流量由LZB型玻璃轉子流量計測量,并由閥門調節其流量。通過測量熱流體的進出口溫度t1’、t1”、流量q1和冷流體的進出口溫度t2’、t2”、流量q2,利用傳熱方程式(式(3))及熱流量計算方程式(式(5))即可求得換熱器在各種流量下的傳熱系數k。
    
    實驗時熱流體在扁管內流動,冷流體在扁管間流動,主要流量所對應的流體流速和雷諾數見表1。由表1可知,流體在管內外的流速和雷諾數均較低,處于層流或過渡區。
            
    實驗所得的基于外側換熱面積的傳熱系數計算結果如圖4示,從實驗結果中可以看出此換熱器具有較高的傳熱系數。
    換熱器好壞,不僅表現在傳熱性能上,同時表現在阻力特性上,因此應對換熱器進行阻力特性實驗,測量流體在換熱器中的流動損失,以便為選擇泵提供重要依據。圖5為水在扁管外側流動阻力的測試結果。相比而言,阻力損失也有所提高。
             
    5·結論
    本文所介紹的螺旋管逆流式換熱器,可以保證在高效傳熱和結構緊湊前提下使水流能獲得大溫升。該換熱器不僅可用在熱泵熱水器和空調器制熱水裝置的水冷換熱器上,也可用作其它換熱器用(例如可作為汽-水換熱器)。
    盤狀螺旋管逆流式換熱器的管內通道和管間通道的流體介質可以變換,管內通道和管間通道的進、出流向在保證逆流前提下也可以互調,其應用前景極為廣闊。
    參考文獻
    [1]陳則韶,江斌,胡芃,等.一種四季節能的空調器制熱水的新技術[J].制冷學報, 2004, 25(4): 54-59.
    [2]陳則韶.一種四季節能冷暖空調熱水三用機[P].中國, ZL02220342. 7, 2003-07-02.
    [3]陳則韶,江斌.帶肋盤狀螺旋扁管雙旋流逆流式換熱器[P].中國, 200510038207. 9, 2008-07-09.
    [4]楊世銘.傳熱學[M].第三版.北京:高等教育出版社, 2002: 344-346.