【HETA】蒸发器的传热、结构、分类、性能

       蒸发器按冷却介质的不同，可分为冷却流体的蒸发器、冷却空气的蒸发器等。今天我们就一起来看一看制冷设备蒸发器的结构性能及换热。

一： 蒸发器的传热分析

       蒸发器是制冷系统中制冷剂与低温热源（被冷却系统）间进行热交换的设备，和冷凝器一样也属于间壁式换热器的一种。其传热量和热交换面积、传热温差和传热系数有关。 

影响蒸发器传热的因素：

1、制冷剂特性对蒸发器的影响

2、制冷剂液体润湿能力的影响

3、换热面状况对蒸发器传热的影响

4、蒸发器构造对蒸发器传热的影响

二： 蒸发器的种类

三：冷却液体的蒸发器

1、满液式壳管蒸发器

1.安全阀接头；2.压力表接头；3.制冷剂蒸气出口；

4.浮球阀接头；5.放空气旋塞接头；6.液位管；

7.载冷剂接口；8.泄水旋塞接头；9.放油管接头；10.换热管

        满液式壳管蒸发器工作时，壳体内应充装相当数量的液体制冷剂，一般其静液面的高度为壳体直径的70％～80％，所以也称满液式蒸发器，此时会有1～3排管子露在液面以上。沸腾过程中，这些管子会被带上来的液体润湿，因而也能起传热作用。如果液成保持较低，则蒸发器管不能充分发挥其传热作用；反之如果液面保持过高，则有将液体带入压缩机的危险。

        卧式壳管式蒸发器具有传热性能好，结构紧凑、金属耗量少等特点，而其由于它是闭式系统，当采用盐水作为载冷剂时，隔绝了盐水与空气的接触，故减轻了盐水对于管路的腐蚀。

       在氟利昂制冷系统中也可以采用这种蒸发器。为了提高制冷剂的沸腾传热系数，换热管大多采用低肋铜管。但是，由于充液量大，并且蒸发器内的润滑油返回压缩机困难，因此，在氟利昂制冷系统中建议采用干式壳管蒸发器。

2、干式壳管蒸发器

         干式壳管蒸发器的外形和结构，与满液式壳管蒸发器基本相同。主要不同点在于：干式壳管蒸发器中制冷剂在换热管内汽化吸热，制冷剂液体的充灌量很少，大约为管组内容积的35％～40％，而且制冷剂在汽化过程中，不存在自由液面，所以称为“干式蒸发器”。在干式蒸发器中，液体载冷剂在管外流动，为了提高载冷剂的流速，在筒体内横跨管束装有多块折流扳。

氟利昂直管式干式壳管蒸发器

       氟利昂直管式干式壳管蒸发器的换热管一般用铜管制造，可以用光管，也可以用内肋管。由于载冷剂侧表面传热系数较高，所以管外不设肋片。内肋铜管的传热系数较大，流程数可减少。

       干式壳管式蒸发器不仅克服了卧式壳管式蒸发器的一些缺点（回油问题），而且由于制冷剂在管内汽化，管外被水或盐水包围，冷量损失较小；管外空间的充水量较大，有一定的热稳定性，而且不会发生管子结冻而胀裂的现象。但是干式壳管式蒸发器的装配工艺较复杂；管外（水垢）清洗比较困难。

3、直立管式蒸发器（水箱式蒸发器（开式系统））

       水箱式蒸发器又称为沉浸式蒸发器，其特点是蒸发器的管组沉浸在水或盐水中，制冷剂在管内吸热汽化，载冷剂在管外放热。水或盐水在搅拌器作用下，在水箱内强制流动，以增强换热。

直立管式蒸发器主要用于氨制冷装置（结构见虚拟三维图）

1.下集管；2.集油器；3.均压管；4.气液分离器；5.上集管；6.换热立管；

7.水箱；8.溢流口；9.搅拌器；10、12.远距离液面指示器接口；

11.集气管；13.放水口；14.隔板

 

优点:传热性能好，由于充水量大，冻结的危险小。

缺点:体积庞大，金属消耗量大，由于水或盐水直接暴露在空气中，所以对金属的腐蚀比较严重。

4、螺旋管式蒸发器（水箱式蒸发器（开式系统））

螺旋管式蒸发器

1.搅拌器；2.供液总管；3.水箱；4.气液分离器；

5.浮球阀；6.集油器；7.螺旋管组

        螺旋管式蒸发器除了具有直立管式蒸发器的优点外，其传热性能更好，结构紧凑，在相同的传热面积下，比直立管式蒸发器的体积小25％～40％，可节省金属材料15％，有逐渐代替立管式蒸发器的趋势。

5、蛇管式蒸发器

      蛇管式蒸发器是小型氟利昂装置中常用的一种蒸发器。

       氟利昂液体经由蛇管的上部进入，蒸汽由下部导出，这样可以保证润滑油跟随制冷剂一起返回压缩机。

四： 冷却空气的蒸发器

    冷却空气的蒸发器是以制冷剂在管内蒸发直接冷却空气的换热器。

    根据被冷却的空气是自然流动还是强制流动，可以分为冷却排管和冷风机两种。

    冷却排管冷却空气时，空气为自由流动（热空气依靠浮力自然上升），空气的流速较低，冷却排管的传热系数较小，一般多在冷库（低温库）及家用冰箱中应用。

        冷风机主要由风机及盘管两部分组成，依靠风机的动力使被冷却空气在盘管外强制流动，从而将自身热量散给管内制冷剂液体。

表面式空气冷却器

五： 空调蒸发器的设计参数

设计条件：

工质为R22；

制冷量3kW，蒸发温度t₀=7℃；

进口空气的干球温度为t_al=21℃；

湿球温度为C_bl=15.5℃；

相对湿度为f=56.34％；

出口空气的干球温度为t_a2=13℃；

湿球温度为t_b2=11.1℃；

相对湿度为f=80%；

当地大气压力P_b=1012Pa。

备注：虽然现在R22已被逐步淘汰，但本设计参数对于其他工质的蒸发器换热器设计也有借鉴参考意义。

  1、蒸发器结构参数的选择 

        选用f10mm*0.7mm紫铜管，翅片厚度d_f=0.2mm的铝套片，肋片间距s_f=2.5mm，管排方式采用正三角排列，垂直于气流方向管间距s₁=25mm，沿气流方向的管排数n_l=4，迎面风速取w_f=3m/s.

2、计算几何参数

翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为：

沿气流方向的管间距为：

沿气流方向套片的长度为：

设计结果为：

每米管长翅片表面积：

每米长翅片间管子表面积：

每米管长总外表面积：

每米管长管外表面积：

每米管长的内面积：

肋化系数：

每米管长平均表径的表面积：

3、计算空气侧的干表面传热系数

1）空气的物性

空气的平均温度为：

空气在下17℃的物性参数：

2）最窄截面处空气流速

3）干表面传热系数

干表面传热系数用小型制冷装置设计指导式（4-8）计算：

4、确定空气在蒸发器内的变化过程

根据给定的进出口温度由湿空气的焓湿图可得:

在空气的焓湿图上链接空气的进出口状态点1和点2，并延长与饱和气线（ψ=1.0）相交于点W，该点的参数是:

在蒸发器中空气的平均比焓值:

由焓湿图查得：

析湿系数：

5、循环空气量的计算：

进口状态下干空气的比体积：

循环空气的体积流量：

6、空气侧当量表面传热系数的计算：

        对于正三角形排列的平直套片管束，翅片效率h_f小型制冷装置设计指导式（4-13）计算，叉排时翅片可视为六角形，且此时翅片的长对距离和短对边距离之比：

肋折合高度为：

凝露工况下翅片效率为：

当量表面传热系数:

7、管内R22蒸发时的表面传热系数

        R22在t₀=7℃时的物性参数为：

       R22在管内蒸发的表面传热系数由小型制冷装置设计与指导式（4-5）计算。计算查的R22进入蒸发器时的干度X₁=0.25，出口干度X₂=1.0 。则R22的总质量流量为：

        作为迭代计算的初值，取q_i=7200W/㎡，R22在管内的质量流速gi=160kg/（㎡.s）。则总流通面积为：

每根管子的有效流通截面积：

蒸发器的分路数：

结合分液器的实际产品现状，取分路数为Z=2，每一分路中R22的质量流量为：

每一分路中R22在管内的实际质量流速为：

于是：

8、传热温差的初步计算：

9、传热系数的计算：

管内污垢热阻r_i可以忽略，接触热阻以及导热热阻之和取为：

10、核算假设的qi值：

        计算表明，假设的q_i=7200W㎡初值与核算的值6851W㎡较为接近，故假设有效，可用。

11、蒸发器结构尺寸的确定

蒸发器所需的表面传热面积:

蒸发器所需传热管总长和迎风面积：

取蒸发器的宽度B=350mm,高H=300mm。实际迎风面积为：

已选定垂直于气流方向的管间距为s₁=25mm，故垂直于气流方向的每排管子数为：

深度方向为4排，共布置48根传热管，故传热管的实际总长为：

传热管的实际内表面积传热面积为：

下面计算蒸发器的实际外表面积：

48根0.35m长的管其翅片间管子表面积：

管子左右两边都要伸出一定距离，分别取为10mm,3mm；U型管需要用弯头相接，取弯头半径为R=12.5mm。由于管径很小，伸出部分换热可以忽略不计。每一翅片（宽312.5mm，深约为90mm）总的外表面积为：

总翅片数为：350÷2.5=140  再加1为141片，翅片的总外表面积：

套片管的总外表面积：

根据“计算单元”计算的总外表面积只有

二者有一定差距，但是在误差范围之内。

        综上分析设计，可以定出翅片结构参数如下：高度为312.5mm，深度为21.65*3+25=89.95mm，宽度为350+20*2=390mm。

 12、空气侧阻力计算 

空气侧阻力计算根据小型制冷装置设计与指导式（4-10和4-12）进行。首先计算

 

F_t由小型制冷装置设计与指导图（4-21）确定，

所以

由

可以查表得修正系数=1.18