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
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用單一及混合制冷劑的制冷設備與空調(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)傳熱學基本原理，在相同的進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，即冷媒流動方向與空氣流動方向相反；2)防止翅片中的逆向?qū)嶂评鋭┑倪M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)布置換熱器的進出口當換熱器做蒸發(fā)器使用時，由于蒸發(fā)器的進口處冷媒的相態(tài)是液相，出口處的相態(tài)為氣態(tài)，應將換熱器的進口和出口設置在上端；當做為冷凝器使用時，冷凝器的出口處冷媒相態(tài)為液態(tài)，而進口處相態(tài)為氣態(tài)，進出口應設置在換熱器的底端；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來實現(xiàn)，為此，在單相區(qū)應采用換熱效果比較好的管子；5)使換熱強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。通過實驗來選擇最佳的分合點位置；6)遵循場協(xié)同原理在空氣剛進入翅片的地區(qū)速度矢量與溫度梯度的場協(xié)同程度較好，強化傳熱的措施效果不明顯，但會使阻力明顯增加；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，強化換熱的措施效果明顯。因此，翅片前部應不開縫或少開縫，或采用強化程度較弱、壓降相對較低的翅片，而翅片的后部則應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方向與空氣流動方向相反；作為冷凝器時，換熱器冷媒側(cè)進口是氣態(tài)，冷媒進口設置在換熱器下端；出口處冷媒變成液態(tài)，出口設置在下端，換熱器作為蒸發(fā)器使用時則相反，進、出口都設置在上端，在冷凝器與蒸發(fā)器兩排管子中間開有縫；在單相區(qū)設置有強化效果較好的內(nèi)螺紋管，在兩相區(qū)設置有阻力較小的強化換熱管；在空氣出口處采用開縫雙橋片，在空氣進口處，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，提高的效果會更加明顯，從而減小制冷和空調(diào)設備的體積，降低了產(chǎn)品的成本。
3)換熱器進出口的布置由于重力可以使液體從高處自動地流向低處，因此流路中應盡可能地讓液體從高處進入低處流出，以減少流動阻力。當換熱器做冷凝器使用時，由于冷凝器冷媒側(cè)進口處相態(tài)是氣態(tài)，出口處為液態(tài)，所以將換熱器的進口和出口設置在下端最優(yōu)；當做為蒸發(fā)器使用時，由于蒸發(fā)器的進口冷媒為液態(tài)，所以與冷凝器相反，進出口均設置在上端。
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，為使整個換熱器熱流密度接近均勻，可考慮適當減小兩相區(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，從而達到適當減小換熱系數(shù)及降低了兩相區(qū)阻力的目的。
由于單相區(qū)的冷媒熱阻遠大于兩相區(qū)的冷媒熱阻，而且單相區(qū)的沿程阻力相對較低。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，同時這個地區(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，同時減少壓降。此時合適的分配器及分合點位置的選擇是關鍵，需要通過實驗來確定。實驗方法非常簡單，只需在相同的測試條件下改變分合點的位置進行測試。通過對實驗結(jié)果的比較來選擇最佳的分合點位置。
6)遵循場協(xié)同原理在空氣進入翅片的地區(qū)(空氣側(cè)流動方向第一排管子區(qū))速度矢量與局部溫度梯度的方向比較一致，即該地區(qū)兩個場的協(xié)同程度較好，強化傳熱的措施(如翅片開縫)效果不明顯，但是阻力會明顯增加。但在翅片后部，由于流體分離的原因，溫度梯度場與速度場的協(xié)同程度變差，強化換熱的措施可以收到明顯的效果。從這一觀點出發(fā)，空氣進口處可以不開縫或少開縫，或采用強化程度較弱、壓降相對較低的翅片(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個基本原則既適應于冷凝器，也適用于蒸發(fā)器。在布置管排數(shù)較多的換熱器時，這幾條原則也同樣適用。具體布置流路時，不同的原則之間可能會出現(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)明的設計方法制成的換熱器冷媒流動方向與空氣流動方向相反；當進口冷媒是氣態(tài)的時候，利用氣體的升力來減少沿程阻力，此時冷媒氣體由換熱器下端進口1進入；當冷媒變成液態(tài)的時候，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；當進口冷媒是液態(tài)的時候，冷媒液體由換熱器上端進口1進入；當冷媒變成氣態(tài)的時候，換熱器的出口2也設置在上端；采用了減少逆向?qū)岬拇胧?，在兩排管的中間開有縫3以達到減少逆向?qū)岬哪康模煌ㄟ^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)翅片遵循場協(xié)同原理，在空氣出口處采用開縫雙橋片4；在空氣進口處，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計出其它具體結(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)傳熱學基本原理，在相同的進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，即冷媒流動方向與空氣流動方向相反；2)防止翅片中的逆向?qū)嶂评鋭┑倪M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)布置換熱器的進出口當換熱器做蒸發(fā)器使用時，由于蒸發(fā)器的進口處冷媒的相態(tài)是液相，出口處的相態(tài)為氣態(tài)，應將換熱器的進口和出口設置在上端；當做為冷凝器使用時，冷凝器的出口處冷媒相態(tài)為液態(tài)，而進口處相態(tài)為氣態(tài)，進出口應設置在換熱器的底端；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來實現(xiàn)，為此，在單相區(qū)應采用換熱效果比較好的管子；5)使換熱強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)遵循場協(xié)同原理在空氣剛進入翅片的地區(qū)速度矢量與溫度梯度的場協(xié)同程度較好，強化傳熱的措施效果不明顯，但會使阻力明顯增加；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，強化換熱的措施效果明顯，因此，翅片前部應不開縫或少開縫，或采用強化程度較弱、壓降相對較低的翅片，而翅片的后部則應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方向與空氣流動方向相反；作為冷凝器時，換熱器冷媒側(cè)進口是氣態(tài)，冷媒進口[1]設置在換熱器下端；出口處冷媒變成液態(tài)，出口[2]設置在下端，換熱器作為蒸發(fā)器使用時則相反，進、出口都設置在上端，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]設置有強化效果較好的內(nèi)螺紋管，在兩相區(qū)[6]設置有阻力較小的強化換熱管；在空氣出口處采用開縫雙橋片[4]，在空氣進口處，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計方法及其裝置,這種方法可用于設計使用單一及混合制冷劑的制冷和空調(diào)設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協(xié)同原理。提出隨著制冷劑在管內(nèi)流動時相態(tài)的變化,應該對流程數(shù)、管外翅片類型以及管內(nèi)強化結(jié)構(gòu)進行變化,在管路上選擇合適的節(jié)點將流程分支或合流。使用依據(jù)這種方法設計出的換熱器可以顯著提高制冷和空調(diào)設備中換熱器的換熱性能。
文檔編號F28F13/02GK1389702SQ0211465
公開日2003年1月8日 申請日期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, 郭進軍 申請人:西安交通大學