4.2.1 换热设备在制冷系统中的重要性在线视频

大家好

我是清华大学的石文星

今天 我们进入课程第4讲的第2部分

换热设备的学习

换热设备又称为 换热器

它们是两种介质之间的热量传递装置

在制冷系统中有很多换热器

其中 冷凝器和蒸发器就是最重要的换热器

在这一部分 我们将讲解三方面的内容

包括 换热设备在制冷系统中的重要性

制冷系统中的主要换热设备

以及水冷式冷凝器的延伸设备 冷却塔

在主要换热设备部分

我们将介绍 冷凝器和蒸发器

并简要介绍一些其他的换热设备

首先 我们来看看

换热设备在制冷系统中的重要性

改善制冷热泵系统性能的技术途径

主要体现在两个方面

第一是 改善设备本身的性能

在这一方面

我们需要构建 优异的制冷循环

采用性能良好的制冷剂 以及高效的部件

包括高效的换热器

以提高名义工况下的运行能效

同时 需研发精良的自动控制系统

以提高变工况性能和部分负荷工况性能

另外一方面

我们需要寻找优质的热汇和热源

热汇 是指热量汇聚的地方

也是带走热量的介质

在制冷系统中 也叫做高温热源

我们希望 热汇的温度应尽可能的低

例如 热泵装置在保证供热需求的前提下

应尽可能 制取温度较低的热水

在制冷的时候

我们则希望

采用温度较低的冷却水或冷却空气

制冷系统中的热源 是指低温热源

就是热量的来源

我们应尽可能地 提高低温热源的温度

例如 冬季制热的时候

我们采用比室外空气温度更高的

地下水 土壤蓄热

或采用多个热源互补的低温热源

都是为了提高热泵系统的制热效率

制冷的时候

在满足工艺需求的前提下

希望尽可能地 提高所制备冷水的温度

在温湿度独立控制空调系统中

我们采用高温冷水 来除去房间显热

就是这个原因

制冷装置中的换热器 有很多种分类方法

从换热器的功能上看

它主要包括 冷凝器和蒸发器

冷凝器和蒸发器的结构相似

有些还相同

此外 还有再冷却器 回热器

双级压缩循环的中间冷却器

以及复叠式制冷系统中的

冷凝-蒸发器等

从与制冷剂换热的介质类型来看

冷凝器有水冷式 风冷式 蒸发冷却式

蒸发器有 水冷却器 也称水冷器

空气冷却器

其中 空气冷却器在空调产品中

叫做直膨式蒸发器

在冷库系统中 又叫做冷风机

上面所说的换热器

都是制冷剂与外部介质换热的换热器

而在制冷系统中

还有很多制冷剂与制冷剂换热的换热器

包括液相 气相和两相制冷剂的

相互换热的设备

下面 我们来讨论一下

换热设备在制冷装置中的重要性问题

制冷系统中的换热器具有特殊性

之所以 说它特殊

就在于它与我们所见到的常规换热器

有很多的不同

主要体现在以下几个方面

第一 两种传热介质之间的传热温差小

且多为相变传热

这些相变传热 包含凝结和沸腾传热

第二 制冷剂的流动阻力

在系统中非常重要

它与传热特性耦合

直接影响到蒸发和冷凝温度的变化

第三 换热器与压缩机需要进行

合适的匹配

二者共同决定了系统的冷凝和蒸发温度

最后一点是

在换热器和系统设计时

必须考虑回油和防冻结等问题

才能保证系统的安全 可靠运行

换热器的重要性还表现在

换热器是决定制冷系统冷重比

的一个关键要素

冷重比

是制冷设备单位重量的制冷量大小

是评价资源消耗量大小的指标

同时 换热器的结构设计

直接关系到制冷剂充注量的多少

充注量越少 其泄漏对环境的影响就越小

因此 在换热器设计的时候

我们应尽可能采取措施

减少制冷剂的充注量

综上所述

制冷系统的换热器 直接关系到

系统性能 资源消耗和环境保护问题

下面 我们通过换热量计算公式

来进一步阐述换热器的重要性

我们都知道

传热量是传热系数 传热面积

和对数平均温差三者的乘积

传热量Q 是一个热流率

是单位时间内传递的热量

Q越大 表示其热流率或热功率越大

它是一个制冷设备容量大小

或出力大小的指标

传热面积F

实际上是 制冷剂

与其传热介质之间的有效传热面积

我们必须清楚

这个面积 是管内侧

还是管外侧的传热面积

采用了螺纹或翅片后的

扩展表面的传热面积 又该如何计算等问题

我们都知道 K是传热系数

但我们必须明确

这个传热系数 是与传热面积

相对应的传热系数

传热系数K 往往与传热面积F成对儿出现

是以换热器的某一侧流体为基准

或者是管内侧 或者管外侧流体

它们的F和K 这个基准可以是管外侧

也可以是管内侧的流体

KF的乘积 表示换热器的容量

因此 我在这个公式中将K和F两侧

加了一对括号

就是为了强调这个问题

传热系数 是传热热阻的倒数

我们在学习中 应注意

各传热环节的热阻是如何计算的

同时 还需要注意的是

我们已经在传热学中学过的

冷凝和沸腾传热

我们要运用所学知识

分析制冷系统中

各种换热器的传热现象

并在设计计算中

采用与传热现象相对应的

沸腾和凝结换热系数的计算公式

传热温差Δtm

是两种介质的对数平均温差

为了简化计算

有时我们采用算术平均温差

来代替对数平均温差

但也随之带来了计算误差

因此 我们必须注意

在什么情况下 才能采用

算术平均温差的问题

只有当换热器进出口两侧的温差较小时

才能用算术平均温差∆tp

代替对数平均温差∆tm

当大侧温差与小侧温差之比小于2时

其误差才小于4%

当传热量Q一定的时候

我们需要根据工艺要求或环境参数条件

确定其传热温差∆tm

并在该传热温差下

尽可能通过技术措施 即通过我们的智力资源

来改善和提高传热系数K

从而 减小其传热面积F

以降低换热器的耗材

减少地球资源的消耗

因此 我们在这部分的学习中

应重点思考 如何提高K

如何减小F

∆tm有哪些限制 如何改善等问题

由于这部分的内容较多

因此

我在这里介绍一下 这部分的学习方法

我们在课上

将介绍制冷系统中的主要换热设备

包括 冷凝器的延伸设备冷却塔

的工作原理 基本结构 热工性能

请大家 了解它们的种类 结构和适用范围

课后 希望同学们结合教材中的例题

了解换热器的热力计算方法

由于换热器设计的实践性很强

难以在课上 进行讲授

请大家在课后 结合教材中的例题

熟悉其计算方法

今后 希望同学们能结合工程实际需要

应用传热理论 查阅相关手册

完成一个完整的换热器的设计

通过课堂学习 课后训练

和今后的工程实践

我们应掌握换热器设计的基本思想

并特别注意 以下四个要点

第一 传热温差的选择

直接影响换热面积大小

进而影响换热器成本

当换热量一定时

传热温差小

面积就大 成本就高

反之 传热温差大

面积就小 成本就低

但制冷系统的性能就差

这是一对矛盾

故需要我们 通过技术经济性分析

来确定合理的取值

第二 在传热系数计算中

我们应针对具体的传热现象

正确选用管内和管外换热系数的计算公式

第三 减小制冷剂和传热介质的压力损失

制冷剂在冷凝器和蒸发器中

具有最佳流速

我们还需同时处理好

空气和水的流速的选择问题

以获得制冷系统和能量输配系统

综合能耗最小的效果

第四 处理好冷冻油与制冷剂的相容性问题

需特别注意的是

一定要处理好蒸发器的回油问题

以保证制冷系统的可靠性