专利名称：一种换热器流路的布置方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用单一及混合制冷剂的制冷设备与空调换热器，特别涉及一种换热器的流路布置方法及其装置。
为达到上述目的，本发明采用的方法是1)纯逆流布置根据传热学基本原理，在相同的进出口温度条件下逆流的平均温压最大，顺流的平均温压最小，所以在相同的冷热流体温度下，逆流布置要优于顺流布置，即冷媒流动方向与空气流动方向相反；2)防止翅片中的逆向导热制冷剂的进口和出口都同处于换热器的一端，在该处的翅片中存在较大的温差，所以在制冷剂的进口和出口端采用部分开缝；3)根据冷媒的相态布置换热器的进出口当换热器做蒸发器使用时，由于蒸发器的进口处冷媒的相态是液相，出口处的相态为气态，应将换热器的进口和出口设置在上端；当做为冷凝器使用时，冷凝器的出口处冷媒相态为液态，而进口处相态为气态，进出口应设置在换热器的底端；4)使换热器局部热流密度接近均匀如果换热器的局部热流密度能够处处接近均匀，则换热器总体换热效果最好，为使q接近于均匀，可以通过调整总体传热系数k及温差Δt来实现，为此，在单相区应采用换热效果比较好的管子；5)使换热强化与压力损失相匹配在两相区的开始阶段，可以采用双流路布置，把冷媒分流以降低流速，减小压降。通过实验来选择最佳的分合点位置；6)遵循场协同原理在空气刚进入翅片的地区速度矢量与温度梯度的场协同程度较好，强化传热的措施效果不明显，但会使阻力明显增加；在翅片后部，由于流体分离的原因，温度梯度与速度的协同程度变差，强化换热的措施效果明显。因此，翅片前部应不开缝或少开缝，或采用强化程度较弱、压降相对较低的翅片，而翅片的后部则应采用开缝双桥翅片等高传热性能的翅片表面。
根据上述方法制作的换热器为冷媒流动方向与空气流动方向相反；作为冷凝器时，换热器冷媒侧进口是气态，冷媒进口设置在换热器下端；出口处冷媒变成液态，出口设置在下端，换热器作为蒸发器使用时则相反，进、出口都设置在上端，在冷凝器与蒸发器两排管子中间开有缝；在单相区设置有强化效果较好的内螺纹管，在两相区设置有阻力较小的强化换热管；在空气出口处采用开缝双桥片，在空气进口处，采用开缝较少的翅片或平直片。
采用本发明的流路布置制成的换热器可以显著提高制冷和空调设备中换热器的换热性能，而且随着质量流速的增加，提高的效果会更加明显，从而减小制冷和空调设备的体积，降低了产品的成本。
3)换热器进出口的布置由于重力可以使液体从高处自动地流向低处，因此流路中应尽可能地让液体从高处进入低处流出，以减少流动阻力。当换热器做冷凝器使用时，由于冷凝器冷媒侧进口处相态是气态，出口处为液态，所以将换热器的进口和出口设置在下端最优；当做为蒸发器使用时，由于蒸发器的进口冷媒为液态，所以与冷凝器相反，进出口均设置在上端。
4)使换热器局部热流密度接近均匀根据等热流原则，如果换热器的局部热流密度能够处处接近均匀，则换热器总体换热效果最好。为此需要对管内外的热阻及温差作综合分析。按照q＝kΔt，要使q接近于均匀，可以通过调整总体传热系数k及温差Δt来实现。
以一般冷凝器中的换热为例，冷媒侧的热阻及换热系数沿程分布定性地示于图2、图3中。显然，单相区的冷媒热阻远大于两相区的热阻，其中蒸气侧单相区已与空气侧的热阻相当，为使整个换热器热流密度接近均匀，可考虑适当减小两相区的换热系数。采用一分为二的管路布置，通过这种方法来减小制冷剂的质量流速，从而达到适当减小换热系数及降低了两相区阻力的目的。
由于单相区的冷媒热阻远大于两相区的冷媒热阻，而且单相区的沿程阻力相对较低。因此，采取换热效果比较好的管子，如高低齿内螺纹管，来强化单相区管内换热也能收到一定效果。并且不必过多考虑引起的阻力增大的后果。
5)综合考虑换热强化与压力损失一般冷凝器沿程压降的分布如图4所示。显然，在两相区的开始阶段，由于流速很高，压降很大，同时这个地区的局部换热系数也很大，从降低压降和等热流原则出发，该地区可以采用双流路布置，把冷媒分流以减小流速。这样做的结果是把过高的局部换热系数降低，同时减少压降。此时合适的分配器及分合点位置的选择是关键，需要通过实验来确定。实验方法非常简单，只需在相同的测试条件下改变分合点的位置进行测试。通过对实验结果的比较来选择最佳的分合点位置。
6)遵循场协同原理在空气进入翅片的地区(空气侧流动方向第一排管子区)速度矢量与局部温度梯度的方向比较一致，即该地区两个场的协同程度较好，强化传热的措施(如翅片开缝)效果不明显，但是阻力会明显增加。但在翅片后部，由于流体分离的原因，温度梯度场与速度场的协同程度变差，强化换热的措施可以收到明显的效果。从这一观点出发，空气进口处可以不开缝或少开缝，或采用强化程度较弱、压降相对较低的翅片(如开缝较少甚至不开缝的平直片)，而空气出口处则可采用开缝双桥翅片等高传热性能的翅片表面。
本发明所提出的上述6个基本原则既适应于冷凝器，也适用于蒸发器。在布置管排数较多的换热器时，这几条原则也同样适用。具体布置流路时，不同的原则之间可能会出现矛盾之处，需要综合考虑，抓住主要因素。
参见
图1，根据本发明的设计方法制成的换热器冷媒流动方向与空气流动方向相反；当进口冷媒是气态的时候，利用气体的升力来减少沿程阻力，此时冷媒气体由换热器下端进口1进入；当冷媒变成液态的时候，利用液体的重力减少沿程阻力，将换热器的出口2也放置在下端；当进口冷媒是液态的时候，冷媒液体由换热器上端进口1进入；当冷媒变成气态的时候，换热器的出口2也设置在上端；采用了减少逆向导热的措施，在两排管的中间开有缝3以达到减少逆向导热的目的；通过选择管内外换热表面的形式使热流密度尽量均匀；由于单相区7的冷媒热阻远大于两相区6的冷媒热阻，而且单相区7的沿程阻力相对较低。因此，在单相区7采取换热效果好的高低齿内螺纹管，来强化单相区管内换热效果；而在两相区6采用阻力较小的单内螺纹管。空气侧翅片遵循场协同原理，在空气出口处采用开缝双桥片4；在空气进口处，采用开缝较少的翅片甚至平直片5。
根据本发明换热器流路的布置方法还可设计出其它具体结构的换热器。
权利要求
1.一种换热器流路的布置方法，其特征在于1)纯逆流布置根据传热学基本原理，在相同的进出口温度条件下逆流的平均温压最大，顺流的平均温压最小，所以在相同的冷热流体温度下，逆流布置要优于顺流布置，即冷媒流动方向与空气流动方向相反；2)防止翅片中的逆向导热制冷剂的进口和出口都同处于换热器的一端，在该处的翅片中存在较大的温差，所以在制冷剂的进口和出口端采用部分开缝；3)根据冷媒的相态布置换热器的进出口当换热器做蒸发器使用时，由于蒸发器的进口处冷媒的相态是液相，出口处的相态为气态，应将换热器的进口和出口设置在上端；当做为冷凝器使用时，冷凝器的出口处冷媒相态为液态，而进口处相态为气态，进出口应设置在换热器的底端；4)使换热器局部热流密度接近均匀如果换热器的局部热流密度能够处处接近均匀，则换热器总体换热效果最好，为使q接近于均匀，可以通过调整总体传热系数k及温差Δt来实现，为此，在单相区应采用换热效果比较好的管子；5)使换热强化与压力损失相匹配在两相区的开始阶段，可以采用双流路布置，把冷媒分流以降低流速，减小压降；6)遵循场协同原理在空气刚进入翅片的地区速度矢量与温度梯度的场协同程度较好，强化传热的措施效果不明显，但会使阻力明显增加；在翅片后部，由于流体分离的原因，温度梯度与速度的协同程度变差，强化换热的措施效果明显，因此，翅片前部应不开缝或少开缝，或采用强化程度较弱、压降相对较低的翅片，而翅片的后部则应采用开缝双桥翅片等高传热性能的翅片表面。
2.根据权利要求1所述的换热器流路的布置方法制作的换热器，其特征在于冷媒流动方向与空气流动方向相反；作为冷凝器时，换热器冷媒侧进口是气态，冷媒进口[1]设置在换热器下端；出口处冷媒变成液态，出口[2]设置在下端，换热器作为蒸发器使用时则相反，进、出口都设置在上端，在冷凝器与蒸发器两排管子中间开有缝[3]；在单相区[7]设置有强化效果较好的内螺纹管，在两相区[6]设置有阻力较小的强化换热管；在空气出口处采用开缝双桥片[4]，在空气进口处，采用开缝较少的翅片或平直片[5]。
全文摘要
本发明公开了一种换热器流路的设计方法及其装置,这种方法可用于设计使用单一及混合制冷剂的制冷和空调设备中的冷凝器和蒸发器。这种方法综合考虑了多种因素与原则,包括等热流原则和场协同原理。提出随着制冷剂在管内流动时相态的变化,应该对流程数、管外翅片类型以及管内强化结构进行变化,在管路上选择合适的节点将流程分支或合流。使用依据这种方法设计出的换热器可以显著提高制冷和空调设备中换热器的换热性能。
文档编号F28F13/02GK1389702SQ0211465
公开日2003年1月8日 申请日期2002年7月2日 优先权日2002年7月2日
发明者陶文铨, 何雅玲, 郭进军 申请人:西安交通大学