ENHANCE THE HEAT TRANSFER IN THE AIR-CONDITIONING APPLICATIONS

Liu Changchang¹ 

(Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.,Ltd., Guangzhou 510030, China)

Abstract:With the rapid economic development and the increasing need for energy conservation and emission reduction, energy conservation in the air conditioning sector has become an important part of energy conservation. This article first looks at the application of enhanced heat transfer technology in the field of air conditioning, and then introduces several examples of enhanced heat transfer applications in the field of air conditioning.

Keywords:strengthen the heat transfer; air conditioning

0引言

我国目前资源和能源利用水平与发达国家相比有较大差距，人均资源占有率相对较少，这意味着节能、走可持续发展的道路在我国尤为重要。近年来能源短缺、电力供应紧张形势加剧，促使国家将对空调器的能效提出越来越高的要求。

空调器性能的改进，是一个包括部件优化设计制造、整机优化匹配以及先进的运行控制方案等诸多因素在内的系统工程。

本文仅对其中的强化传热及新型换热器开发作一点分析探讨。在空调器产业蓬勃发展的同时，空调器不断向高性能、小型化、轻量化的方向发展。传热强化技术，可以提高换热器单位面积的传热量，从而减小其体积和质量，节省材料，提高换热系数，正是推进空调器发展的一项有效措施。

1空调器蒸发器强化传热

1.1空调器蒸发器强化传热的研究现状

经过多年的发展，空调换热器有4个主要的发展方向：①铜管由光管向单、双、多头螺纹及高、低内螺纹管过渡，管径从φ9.52mm 缩小为φ7.0 mm，国外已有使用φ6.0 mm的铜管；②管外翅片由平直片向波纹片、百叶窗、冲锋片和穿孔翅片等多种高效形式演变；③开发应用新型亲水型、憎水型涂层材料、增加抗腐蚀性能、降低通道阻力；④管程及管路的组合配置力求达到等强度换热，降低冷媒侧压力负荷。对蒸发器强化传热具体的研究工作，既有对管内、外各种强化传热措施的机理进行详细阐述，也有就各种强化方法展开的传热特性、压降、阻力的理论计算和实验研究，以及对各种先进的强化传热技术、新型传热管与翅片、新型换热器进行引进和推广。^[1]

1.2对管外空气侧的强化换热

房间空调器采用的蒸发器大多是管翅式结构。研究表明，管翅式换热器管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管外空气侧的热阻比是2: 1: 7，可见管外侧的换热仍然是制约蒸发器效能的主要因素，强化空气侧的换热成了管翅式蒸发器强化传热的重要问题。解决这一问题的主要方法是：①改进翅片的形状；②增加管子的排列密度；③蒸发器翅片的表面处理；④减少翅片与管子的接触热阻等。

紧凑布置空气侧的换热面积，是强化蒸发器空气侧换热的常规方法，现用于房间空调器的是整体套片管式蒸发器。翅片的形式很多，有些是表面变化翅片，如平板式翅片、波纹型翅片等；也有些是表面间断翅片，如百叶窗翅片、开缝翅片等。对紧凑管翅式换热器的系统研究取得有价值的成果始于 20世纪70年代。McQuiston第一个成功拟合了平直翅片叉排布置换热器的热力性能。近期的研究，已从早期对翅片管排总的换热性能和流动性能的研究，转移至对换热器的传热和流动机理的研究上。鉴于紧凑整体套片管翅管束中气体流动的复杂性，圆管的存在对翅片表面空气流动的加速、管后空气流动的分离及由此产生的低速尾迹区，研究人员对采用不同翅片形式的换热器的换热和流动

情况进行了研究。同时，各国学者都在研究如何选取不同的肋片参数来实现最佳换热效果。日本学者提出了W型肋片形状，减少凝结水膜对换热的影响。对肋片表面进行憎水及亲水涂层处理，能有效减少凝结水形成的液滴、液膜、液桥对换热的影响。试验表明，进行亲水处理过的翅片，风压损失可减少40%～50%、风量增加5%～10%、换热量增加 5%～10%。目前已将这两种表面处理方法广泛应用于空调、制冷领域。^[1]

1.3对管内制冷侧的强化换热

强化管内流动沸腾换热的方式可分为两大类：流动强化方法和表面强化方法。流动强化指主要通过改善流体的流动特征，即改善受迫对流换热来强化流动沸腾换热的方法。例如，在管内插入各种扰流元件，可以增加流体紊流扰动从而强化传热。表面强化则是指通过增大换热面积，改善其表面特性使之为核沸腾提供更有利的条件，如采用低肋管或采取表面涂层处理措施等。但是这两种办法并没有明显的区别，例如，采用低肋管一方面增加了换热的有效面积，为核沸腾提供了更好的成核条件；另一方面也增大了流体的扰动，强化了对流换热^[1]。

目前国外有些空调产品采用铜管组合在换热器上强化传热，来提高换热效率。周彬按照翅片间距的不同及迎风侧和背风侧的铜管类型不同，制作了四种不同的蒸发器，通过对比实验发现，在相同的风量下，迎风侧使用光管、背风侧使用内螺纹管的蒸发器的换热量均大于相同片距下的全内螺纹管的蒸发器的换热量，但增大的量随着翅片片距的增加而减小。近年来的研究证明微肋管（又称微翅管）对管内流动沸腾换热具有很好的强化效果，其带来的阻力增加要比传热提高要小的多。日本空调机大部分采用此管，这类管子的沸腾换热系数是光管的 2倍～2.5倍，而制冷剂侧的流动阻力只增加了1.5 倍左右^[1]。

2家用空调器采用微细尺度强化传热

2.1微细尺度传热应用领域向空调制冷的扩展

航天技术、信息和电子技术、MEMS技术、生物技术和生命科学等高新技术的发展呈现出空间尺度的微小化、紧凑化、结构与条件的复杂化等突出特征， 使人们必须考虑热质传递过程的尺度微细化、结构与条件复杂化等效应，微尺度流动与传热已成为现代高新技术的理论和技术基础之一。 随着研究的深入， 微细尺度传热技术呈现出由高新技术领域向传统工业领域扩展其应用的态势。在制冷空调领域，微细通道换热器的采用，还可以明显强化传热，从而使整机体积缩小。目前，子通道当量直径在 0.5~3mm 的铝带管已经在汽车空调系统中得到了广泛的应用。

一般认为，对于传热和流动而言，当量直径在 200μm~3mm的通道属于细通道，当量直径在 10μm~200μm的通道为微通道。但对于相变传热，已有研究表明， 当当量直径D_h<3mm 时， 随着管径的减小， 重力、表面张力和界面剪切力的相对重要性将发生变化，导致管内凝结和沸腾换热机理不同于普通管道，气液两相流型及其转化规律也将显示出明显的尺度效应。因此，在涉及相变传热时，习惯上也将 3mm以下的通道统称为微通道，或微细通道。

图1所示为汽车空调换热器用铝带管流道的截面， 针对二氧化碳跨临界汽车空调，国外已进行了子通道为0.5~1mm铝带管为基管的汽车空调换热器的大量研究，研制的样机包括气体冷却器和蒸发器，并用于汽车空调，对提高汽车空调系统的能效发挥了重要作用。对于微细通道铝带管，由于加工原因，则采用图1中的光滑管结构。

由于微细通道在强化凝结与沸腾传热方面表现出的卓越性能，国外学者近年来也对R22、R134a等制冷剂管内凝结与沸腾换热进行了大量研究，对R410a 也有少量研究报道^[2]。

图1 铝带管流道截面图

2.2微细通道对凝结与沸腾传热的强化

研究表明， 与通常大尺寸管道相比， 微细通道内凝结与沸腾换热具有明显的强化。 以制冷剂管内凝结为例，R134a在内径为2mm的圆管内凝结与 8mm管内凝结换热相比，换热系数高出10%，且低干度区的换热强化更明显。对2mm方形截面热虹吸管 内凝结换热的实验发现，换热系数比经典Nusselt 理论预示值高至少3倍。

图2 为水蒸汽在微细圆管内凝结换热的实验结果，可见随着管径的减小，凝结对流换热系数明显 增大。其 中，289μm圆管与997μm圆管的实验数 据相比较，前者为后者的2倍左右。可以预见，与普通尺寸的圆管相比较，强化传热效果会更明显。

研究表明，微细通道强化凝结与沸腾传热的效果，不仅与通道尺寸有关，还与通道的几何形状有关。三角或矩形微通道内的换热系数比同当量直径的圆管增大，原因被归结为表面张力作用使液体流向通道拐角，从而使壁面上的液膜非常薄所致。

总之，随着管径的减小，重力，表面张力和界面剪切力的相对重要性发生变化，导致管内凝结和沸腾换热机理有别于目前换热器所用常规管道^[2]。

图2微细圆管内凝结换热的实验结果

3利用纵向涡旋发生元强化传热

3.1基本原理

由流体力学可知, 当流体横向流过一个障碍物时,往往在障碍物的背面空间内产生涡旋,这些涡旋并不一定是有益的和能被利用的。进一步的研究表明,如果障碍物的横向尺寸有限,并且与来流的流体相交成合适的角度,则产生的涡旋将不会滞留于某一空间内,而会随主流向前运动,从而形成一系列的有序纵向涡旋。这些纵向涡旋的强烈运动,促进了主流区与传热壁面附近的流体间的动量和能量的交换, 强烈的气流扰动对边界层起到减弱或破坏作用,因而使传热增强。这就是纵向涡旋发生和传热强化的基本原理。在此基本理论指导下,我们将产生纵向涡旋的物体设计成合理的形状和尺寸,从而形成翼型纵向涡旋发生元及其强化传热技术。图3所示的是一对直角三角翼纵向涡旋发生元,置于强化传热的 表面上,当直角三角翼与来流成某一角度β时,则在发生元的尾部产生一系列有序的纵向涡旋,使传热得到强化^[3]。

图2微细圆管内凝结换热的实验结果

3.2强化效果

以直角三角翼作为强化元件,通过实验来验证翼型纵向涡旋发生元强化传热效果。首先利用一个双层的平直流道,流道的一侧流过热空气,另一侧流过冷空气。在无强化元件下进行实验,测定两侧气流的沿程温度、壁温,并计算沿程的局部换热系数。然后在分隔两侧的传热壁的热壁面上安设一对直角三角翼进行实验,结果示于图4中。由图4a可以看出,由于设置了纵向涡旋发生元,沿程的传热壁温比无 LVG强化元件时高,尤其在强化元件之后的附近区域(约局部位置x/通道长L=0.2处),壁温有较大升高。

由图4b可看出, LVG对局部换热系数αi (W/(m²·℃))的影响与对壁温的影响相似,在LVG之后,局部换热系数αi提高了1倍以上。

在雷诺数不变的情况下,进行不同排数的实验。 图5即为Re=8000时,在不同排数条件下的实验结果。该图表明,随着设置纵向涡旋发生元的排数增加(每排均为一对直角三角翼),表征传热效果的沿程平均努塞尔数Nu增加。如果以设置6排来比较,则6排比1排的努塞尔数提高了1.5倍,即是无强化元件时的2.5倍,可见强化传热的效果非常显著。^[3]

图4纵向涡旋发生元对壁面局部温度及局部换热系数的影响

图5排数的影响

4管内插件在卧式中央热水机组中强化传热

4.1卧式中央热水机组简介

目前卧式中央热水机组主要是三回程烟管式(见图6),所用燃料为0号柴油,燃烧产生的热烟气经上述回程后排出,生产出的热水可供宾馆、酒店、游泳池等楼堂馆所生活及采暖之用,也可结合吸收式制冷机组供中央空调。中央热水机组一般属常压加热设备,通常置于建筑物的天面,生产出的热水接生活热水或供暖循环管道。由于这些中央热水机组大多采用进口柴油燃烧机,燃烧很完全,效果好,起到很好的环境保护作用。但从现有的一些生产厂家看来,烟管一般使用光管,也有的厂家采用螺纹管等,但由于传热效果不好,所以普遍存在热效率低、能源利用率不够高等缺点。^[4]

图6  中央热水机组燃烧回程示意图

4.2传热机理分析

无论在哪一回程 ,传热均可用下式计算:

Q=KF△T_m (1)

式中:K 为管内外总传热系数, W/(m²K);F为传热面积, m²;△T_m为对数平均温差, K。

在相同单位面积条件下,第一、二回程高温烟气与刚进入的冷水温差大,即△Tm 大,这样传热效果有一定的保证;在第三回程,由于烟温降低及水温的升高,△Tm较小,传热效果便较差,因此第三回程的强化传热工作便成为提高整个中央热水机组传热效率的关键。第三回程中,设α₁为管内 (烟气 )侧对流换热系数,α₂为管外 (水)侧对流换热系数,在忽略管壁热阻的条件下,烟管总传热系数为

K=(2)

通常,气侧的换热系数远小于水侧的换热系数,即α₁<α₂,因此由式 (2)可知要在烟气侧采取强化传热措施提高α₁,进而才能有效提高总传热系数K值,而在水侧提高α₂则意义不大,因此如何提高α₁值便成为本课题的关键。^[4]

4.3强化传热元件的研究

在管内加入某种形式的插件是强化管内换热系数 (在此正是烟侧α₁)的行之有效的方法。插件制作简单,成本低,且对旧设备改造方便,强化传热的机理因插件形式的不同而有所不同,如扭带能使管内流体产生强烈旋流,并引起二次流促进径向混合,从而增强传热;螺旋线则能间歇破坏流体边界层的发展,使边界层变薄,从而起到强化传热的作用。

努谢特准数(Nu)是表征传热效果的重要准数,Nu数与α₁的关系可由式(3)表示,

Nu=α₁x(3)

式中:为导热系数,W /(m K );x为特征尺寸,对于管,则为内径为d, m;由此得

α₁=Nux(4)

对于扭带,实验得出的管内对流换热关联式为 Nu=0.024Re^0.8Pr^0.4（）^0.7[1+()^0.55()^1.1(5)

式中, Re为雷诺数;Pr为普朗特数;t_w为管壁温度;t_f为流体温度;L为长径比;Y为扭带的扭曲比。

对于特定条件下 (当Re=104～105,流体为气体时)则可用式(6)^[4]

Nu =0.2464Re^0.6(6)

5  结论

近30多年来，空调器蒸发器在铜管铝、翅片结构上进行了许多有利传热强化的改进，使其传热性能有大幅度提高。今后，强化传热仍是蒸发器的主要发展方向，将会进一步开发高性能的蒸发器，促使空调器向高效、节能、紧凑方向发展。关于微细通道内制冷剂凝结与沸腾传热，国内外学者已进行了大量技术基础研究，研究结果将不断用于家用空调器换热器的强化传热，研发出新型结构的换热器产品，从而提高整机的能效，这已经成为日渐明朗的发展趋势。在换热器的传热表面上加设直角三角翼纵向涡旋发生元可显著提高传热效果,它不仅可用于带扰流柱的板式换热器,也可用于其它形式的以气体或液体为媒体的换热器。直角三角翼的纵向涡旋发生元的尺寸小,加工及安装均很方便,而且阻力小,传热效果好,值得推广应用。

[参考文献]

[1] 欧阳琴，曹小林，向立平，席战利.空调蒸发器强化传热的研究概况[J].建筑热能通风空调，2006,25（3）：27—30.

[2] 李俊明，李红旗.家用空调器采用微细尺度强化传热技术展望[J].供热制冷，2005 (11)：29-31.

[3] 吕静，王中铮.利用纵向涡旋发生元强化传热[J].暖通空调，2001，31（5）：47—48.

[4] 尹余生.管内插件在卧式中央热水机组中强化传热的应用[J].广东工业大学学报，2007,24（1）：47—49.

[5] LI Yong-xing, YANG Dong, CHEN Ting-kuan.Experimental investigation of enhanced heat transfer for finedcircular tube heat exchanger with rectangular fins[J].JournalofHarbin Institute of Technology (New Series)，2006,13(4):385-390.