浅析制冷设备热交换器的传热及其影响

【摘要】本文对冷凝器、蒸发器的传热及对其影响的主要因素进行探析。

【关键词】制冷设备；热交换器；传热；影响

制冷设备的换热器包括冷凝器、蒸发器，它们在制冷设备中主要起着热交换的作用，其性能的好坏对制冷设备的制冷效果有较大的影响。

一、冷凝器的传热及影响因素

（一）冷凝器的传热

冷凝器是用于制冷剂与热源间换热的主要热交换设备。通过冷凝器向冷却介质（水或空气）放出的热量称为冷凝器负荷，即制冷系统中的有效制冷量、无效制冷量以及外界耗能所转换热量之和。在冷凝器的传热中，由于压缩后的制冷剂过热蒸气向冷凝器传热壁面放出热量后被冷却、冷凝成液体，所以其放热量包括冷却显热与凝结潜热，其中凝结潜热占制冷剂放热量的80%以上。冷却介质作为冷凝器中的吸热流体，并起到向环境散热的作用，冷却介质主要靠显热传热。

（二）影响冷凝器传热的因素

一是制冷剂及流动、传热特性对冷凝器传热的影响。不同的制冷剂表现出各自的特性，影响传热的物性主要是制冷剂的比热容、导热系数、密度、黏度等。制冷剂的导热系数大时，导热热阻降低，传热系数增大；比热容和密度大时，传热能力增加，传热系数增大；黏度大时，流动阻力增大，传热性能降低。

二是冷却介质及流动特性对冷凝器传热的影响。冷却水或冷却空气的流速对冷却介质侧的传热系数有很大的影响。随着冷却介质流速的增加，其传热系数也增大。但是流速太大，会使设备中的流动阻力损失增加，使泵或风机的耗功增大。一般冷凝器的适宜水流速度为0.8～1.5m/s，空气流速为2～4m/s。另外，冷却介质的流动途经（如管内、管外、自由空间流动等）、流动方式（如自然对流、强迫流动等）的不同也影响冷凝器的传热性能。

三是不凝性气体对冷凝器传热的影响。由于种种原因，冷凝器中会存在一些空气或制冷剂与润滑油在高温下分解出来的不凝性气体。制冷剂蒸气会在冷却壁面放热凝结成液体，而不凝性气体只是被单纯冷却而积聚在制冷剂液膜层附近形成气体层，构成气体热阻，明显降低冷凝器的传热性能。实验证明，在一般的冷凝温度下，蒸气中的不凝性气体含量为0.2%时，冷凝器的传热系数降低20%～30%；含量为0.5%时，传热系数约降低50%；而含量约为1%时，传热系数仅是纯制冷剂蒸气的1/3。所以在制冷系统中应设置空气分离器并及时排除不凝结气体。

四是换热面状态对冷凝器传热的影响。冷凝器的传热面状态对冷凝器的传热也有较大的影响。光滑、清洁的冷却壁面，其液膜流动阻力较小，凝结的液膜层较薄，传热系数较大。粗糙、锈蚀的传热壁面，在凝结雷诺数较低时，凝液易积存，液膜较厚，传热系数低于光滑清洁管；当凝结雷诺数Re>140时，其传热系数则有可能高于光滑管。在工作时，冷凝器产生的水垢层、污垢层都会增大冷却介质侧传热热阻，降低传热效果，严重时会使得制冷系统无法工作。另外，设备外表面的油漆与传热表面的锈蚀等不利因素，也会影响冷凝器的传热性能。

二、蒸发器的传热及影响因素

（一）蒸发器的传热

在蒸发器中，制冷剂液体在低压低温下汽化吸收被冷却介质的热量，成为低温低压下的制冷剂干饱和蒸气或过热蒸气。常用的蒸发器属于间壁式换热器，即制冷剂与被冷却介质在换热间壁两侧进行热交换。

（二）影响蒸发器传热的因素

第一，制冷剂特性对蒸发器传热的影响。在蒸发器内，制冷剂主要依靠液体沸腾汽化来吸收热量。制冷剂在蒸发器内的沸腾主要表现为泡状沸腾和膜状沸腾。蒸发器内制冷剂液体在吸热后，达到相对应的饱和温度时，在加热表面上形成许多气泡，并在液体内部逐渐增大而向上升起、破裂而达到沸腾，即泡状沸腾。液体在泡状沸腾时的传热系数和热流密度随温差△t的增大而增大。随着温度差△t的增大，制冷剂在加热表面上的汽化核心数目会急剧增多，众多的气泡来不及离开加热表面而汇集成一片，在加热表面上形成一层气膜，即膜状沸腾。液体在膜状沸腾时由于气膜存在会增大传热热阻，降低传热系数。制冷剂在蒸发器内的吸热沸腾一般属于泡状沸腾。

第二，被冷却介质特性对蒸发器传热的影响。水、盐水和空气是制冷装置中常见的被冷却介质，其放热强度除与其物理性质有关外，还与其流动速度、流道的几何形状以及流动的途径等外界因素有关。流速大，流道的几何形状和流动的途径合理，则传热系数增大，但相应的动力消耗和基本设施费用也增大。最适宜的流速与流道的布局应通过技术经济分析、比较才能确定。

第三，换热面状况对蒸发器传热的影响。液体如能在润湿的加热表面上汽化沸腾，则气泡根部细小；形成气泡的体积小，气泡容易离开加热表面而上升。若液体不能在润湿的加热表面上汽化沸腾，则形成的气泡体积较大，根部也较大，汽化核心數目将减少。这时产生的气泡就会聚集在加热表面上，并沿着加热表面发展产生气膜，致使热阻增大，传热系数下降。常用的一些制冷剂液体均具有良好的润湿性能和放热性能。

第四，蒸发器结构形式对蒸发器传热的影响。在蒸发器换热管制冷剂侧的管壁上加设翅片，可增大换热面积，提高换热效果。

参考文献

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[2]金辉.曲轴位置传感器故障[J].汽车维修，2007（12）.

作者简介：熊小刚（1970.10—），男，汉族，重庆人，本科，副教授，研究方向：机电一体化技术。