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        深度知識分享,空調換熱器內螺紋銅管的齒形參數如何設計?

        發布時間:2022-01-12點擊:58

        為達到提高空調的能效比、實現空調節能的目的,***直接的技術途徑就是提高空調換熱器(蒸發器和冷凝器)的傳熱性能。而控制空調產品的成本,***有效的技術措施就是研究并運用傳熱強化技術,提高換熱器單位面積的傳熱量,控制其體積和質量,節省材料,提高換熱系數。

        一、首先來看下內螺紋管的管徑選擇

        換熱器的傳熱效率及空調性價比的高低與內螺紋管管徑、齒形幾何參數的正確選擇有著極大的關系。

        一開始的銅管直徑為φ9.52mm左右,后來細化成φ7.0mm,這種細管徑的換熱器,由于管與管之間距離縮小,使得肋片效率提高、傳熱有效面積增加、空氣流過時的流動阻力減小,強化傳熱。1995年以后,一些家用空調器管徑進一步細化成φ6mm,甚至φ5mm,傳熱效率又進一步提高。

        內螺紋管齒形參數分析研究

        1.內螺紋管發展     

        1980年初,我國***早應用內螺紋管時的齒型為鋸齒形(或稱山齒形、三角形);

        1984年開始應用傳熱效率較高的梯形槽內螺紋管;

        1994年出現了深槽即底壁厚較薄的梯形槽內螺紋管;

        1997年,有人開發了人字齒槽(也叫W形槽)的內螺紋管;

        2002年又開發出在螺旋齒頂部有二次槽的交叉形內螺紋管,即細微二次槽內螺紋管,可簡稱為交叉齒內螺紋管。

        二、“普通齒”和“非普通齒”內螺紋管 

        普通齒主要指:單旋梯形槽內螺紋管、鋸齒形(或稱山齒形、三角形)的內螺紋管。

        非普通齒主要指:人字齒槽、交叉齒槽的內螺紋管。

        1、二者應用區別。

        通常情況下,人字齒槽、交叉齒槽內螺紋管的傳熱效率大于普通的單旋梯形槽內螺紋管,尤其是當制冷劑為混合工質時,采用人字齒槽、交叉齒槽的內螺紋管優勢***為明顯。

        2、人字齒槽內螺紋管***適合R407C制冷劑。

        這是因為:R407C是由3種非共沸制冷劑混合而成,在普通單旋槽內螺紋管(特別是光管)內流動時容易分層,而在人字齒槽(W形槽)內流動時,呈兩方向紊流,使3種混合工質得到充分混合,氣液轉換同時進行,有效避免因分層所帶來的傳熱效率降低。R407C雖然在交叉齒槽的內螺紋管內也能夠得到充分混合,但由于交叉齒槽內螺紋管壓降損失較大,故R407C制冷劑產品應用人字齒槽內螺紋管較好。

        3、交叉齒槽的內螺紋管***適合R410A制冷劑。

        R410A制冷劑產品由于系統壓力較高,在高流速下可以克服交叉齒槽內螺紋管壓降損失增加所帶來的負面影響,而發揮交叉齒槽內螺紋管內表面積比人字齒槽內螺紋管大的優勢,故R410A制冷劑產品應用交叉齒槽內螺紋管較好。

        4、非普通齒內螺紋管應用***因素。

         盡管人字齒槽與交叉齒槽比普通的單旋梯形槽內螺紋管具有上述優勢,但因人字齒槽與交叉齒槽內螺紋管對材料要求高,生產成本較高,目前其應用沒有普通單旋梯形槽內螺紋管普及。對每一個不同齒型的內螺紋管來說,又有其不同的齒形參數為之構成,而且組合方式較多,所設計的齒形及幾何參數不同對內螺紋管的傳熱性能影響較大。

        5、內螺紋管設計考慮3大因素。

        工程師經過研究認為,內螺紋管齒形及幾何參數的組合與優化設計應當綜合考慮幾何尺寸、換熱效率和加工工藝性3方面的因素,這樣才能使內螺紋管的傳熱性能得到充分提高。

        內螺紋管齒形參數除直徑(即外徑)D,內徑d和齒形外,還有底壁厚TW(mm),齒高Hf(mm),齒數(即螺紋數)n,螺旋角β,齒頂角α和槽底寬W等(如下圖所示)=

        三、內螺紋管齒形8大設計因素

        1、底壁厚

        近20年來,內螺紋管的底壁厚呈不斷減薄趨勢,目前內螺紋管底壁厚一般在0.25~0.3mm范圍內,底壁厚越薄傳熱效果越好,但底壁厚過薄會削弱管材的強度以及齒的穩定性,不僅不利于后道工序的U形彎管質量與焊接質量,而且同樣也會因齒的穩定性差,影響傳熱效果。

        2、齒高

        齒高是影響傳熱的重要因素,增加齒高會使內表面換熱面積和刺破液膜能力增加,內螺紋管傳熱效果增強,但齒高的增大受加工技術的***。目前內螺紋管齒高一般在0.1~0.25mm范圍內。

        3、螺旋角

        螺旋角的存在是為了使流體旋轉,使管道中流體產生與徑向不同的二次流,增加湍流的強度,從而使對流換熱得到加強,換熱系數隨之增加,所以螺旋角增大能增強換熱系數,但隨著螺旋角的增大,壓力損失也隨之增加,故螺旋角也不是越大越好,而是有一個合理的范圍。目前內螺紋管的螺旋角通常處于10°~25°范圍內。

         

        根據試驗結果顯示:在此范圍內,蒸發管的螺旋角小一些較好,冷凝管的螺旋角大一些較好。另外,螺旋角與外徑之間存在相互制約的關系,當直徑較小時,制冷劑的流動阻力較大,則螺紋角應取小值;當直徑較大時,制冷劑的流動阻力較小,則螺紋角應取大值。

        4、齒頂角

        齒頂角小,有利于增加內表面換熱面積,減薄冷凝傳熱的液膜厚度,增加蒸發傳熱的汽化核心,但齒頂角過小,則內螺紋管齒的抗脹管強度過小,齒高在脹管后被壓低的程度及齒型的變形量增加會引起傳熱效率減低,因此在保證齒的抗脹管強度的前提下,內螺紋管的齒頂角盡可能小些,目前一般在40°~60°之間。

        5、齒數

        增加齒數即螺紋條數能夠增加汽化核心的數目,有利于沸騰換熱舉措,增加內表面換熱面積。但是齒數增加過多,會使齒間距過小,反而減弱了管內流體的被攪拌強度,且加大了齒間液膜厚度,增大了熱阻,而降低了換熱能力,使得螺紋管的換熱效率趨近于光管,故齒數應控制在一定的范圍內為宜。目前內螺紋管的齒數一般在50~70條之間,其中:當內螺紋管用于制作蒸發器時,齒數一般在50~60條之間;當內螺紋管用于制作冷凝器時,齒數一般在60~70條之間。此外,當管徑較小時,取小值;當管徑較大時,取大值。

        6、槽底寬

        槽底寬尺寸大有利于傳熱,但槽底寬尺寸過大,脹管后齒高被壓低的程度及齒型的變形量增加,傳熱效率將降低,因此在保證抗脹管強度的前提下,槽底寬大些好。

        7、潤周長

        增加潤周長可以增加汽化核心數,使蒸發傳熱效率顯著提高。因此,對于蒸發器用管,管內橫截面潤周長越大越好。潤周長的增加,可以通過增加齒高和減少齒頂角來實現。

        8)蓄液面積

        對于冷凝管,增加蓄液面積可顯著增加冷凝傳熱效果,目前蓄液面積不斷向增大方向發展,蓄液面積增加可通過增加齒高來實現。以上內螺紋管齒形參數中:直徑、齒形、底壁厚、齒高、齒數、螺旋角、齒頂角是內螺紋管的主要齒形參數。主要齒形參數確定了,則槽底寬、潤周長、蓄液面積等參數也就確定了。

        四、關于內螺紋管設計試驗結果分析 

        為研制出高能效比、低成本的空調產品,工程師在分析不同齒形參數內螺紋管對空調換熱器傳熱性能具有不同影響的基礎上,對原所用螺紋管的一些齒形參數進行優化調整試驗。他在原有所用外徑為φ9mm的內螺紋管A的基礎上,分階段設計、制作了外徑相同(φ9mm),管內齒形參數不同的5種(B,C,D,E,F)內螺紋管及換熱器,分別替代RF28W空調機產品上原有用A型內螺紋管制作的換熱器。在相同的試驗工況下,逐一進行整機性能測試,各內螺紋管齒形參數及試驗結果見下表。

        實驗結果分析如下:

        1、根據分析,原來的A型管齒數70條偏多,改為60條后,空調機的能效比由原來的2.77提高到了2.91,上升了5.1%。

        這表明:盡管齒數多有利于增加內表面換熱面積和汽化核心的數目,有利于沸騰換熱,但如果過多,則會使齒間距及槽底寬度過小,反而降低了管內流體被攪拌的強度,加大了齒間液膜厚度,增大了熱阻,降低了換熱能力,故齒數應控制在一定的范圍內為宜。

        2、C型管是在B型管的基礎上,將螺旋角由18°增加到24°,但結果發現能效比并沒有提高,反而在B型管的基礎上降低了6.9%。

        這是因為螺旋角大雖然有利于增強換熱系數,但隨著螺旋角的繼續增大,會導致阻力及壓力損失也隨之增加,故螺旋角不是越大越好,而是應有一個合理的值,過大反而會降低換熱性能。

        3、D型管是在B型管的基礎上,將齒頂角由56°降低到50°,結果發現:其空調機的能效比比B型管提高了3.8%。

        這是由于減小齒頂角有助于增加內表面換熱面積,減薄冷凝傳熱的液膜厚度,增加蒸發傳熱的汽化核心及穩定性。當然齒頂角也不能過小,否則,內螺紋管齒的抗脹管強度過小,會引起螺紋齒的倒齒程度增加。

        4、E型管是在D型管的基礎上,將齒高由0.18mm增加到0.22mm。

        但經裝機測試發現,增加齒高后,其相應的空調機能效比并沒有提高,反而降低了-4.3%。這是因為增加齒高后,齒的穩定性及抗倒齒能力下降,內螺紋管經脹管工序后齒的變形嚴重,換熱效果和能效比降低。

        5、F型管是在E型管的基礎上,將齒高由0.22mm降低到0.14mm,測試結果發現:不僅相應的空調機能效比比原來的A型管增加了10.8%(比D型管增加了1.7%)。

        而且內螺紋管單位長度質量由原先的88g/m下降到了81g/m,使得該空調的內螺紋管材料成本下降了近8%。這是因為齒高適當降低后,齒的穩定性提高、倒齒程度降低,抵消了因齒高降低后刺破液膜能力下降所帶來的一些影響。

        6、須要說明的是,盡管從理論上講降低底壁厚可以提高傳熱效果、降低內螺紋管的材料成本,但考慮到內螺紋管U形彎曲后,其彎曲部位外側的壁厚將有所減薄,減薄量的大小受諸多因素的影響。

        例如:若內螺紋管抗拉強度過高及銅管過硬、延伸率過低,則減薄量將增大,其U形管彎曲部位外側易產生裂紋;如內螺紋銅管抗拉強度偏低及銅管偏軟,若底壁厚較小時,內螺紋管脹管后齒的穩定性將會大大下降,齒的倒齒程度將增加。因此,從確??照{機使用的可靠性、耐久性即產品質量角度考慮,暫沒有進行底壁厚減薄試驗。

        五、總結   

        1、通過實驗,我們認為增加換熱面積并不會無限地提高換熱系數,螺紋銅管內表面積在增大到一定程度后,對換熱系數的提高就要通過其他參數的影響予以實現。

        2、合理優化齒形參數比單獨增大換熱面積對換熱性能的影響更具有實際意義。

        3、由于蒸發、冷凝換熱機制不同,多個參數對換熱系數的影響和效果是相互制約的,這就須從強化換熱機制出發,通過科學理論的指導與詳細的試驗驗證對管型參數進行優化設計,從中找到蒸發、冷凝換熱性能都表現優良的管型參數。

        4、通過對內螺紋管齒形參數進行優化設計,不僅可大幅度地增加制冷劑的換熱系數及傳熱管管內的傳熱性能,提高空調整機的性能及能效比,降低能源消耗,而且可大大減少內螺紋管單位長度的質量,降低空調產品的生產成本。

        來源:制冷空調換熱器

         

         

            


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