【HETA】工业用冷凝器的分类及对流换热计算
一、冷凝器的分类与结构
1．空气冷却式冷凝器
空气冷却式冷凝器迄今仅用于氟利昂制冷机，多用于电冰箱、冷藏柜、小型空调机组、汽车及铁路车辆用空调装置、冷藏运输式制冷装置等。随着分布式供冷供热系统的发展，空气冷却式冷凝器呈现向大负荷发展的态势。目前，国产空气冷却式空调机组的制冷量可达200～300kW。空气冷却式冷凝器多为蛇管式结构，制冷剂在管内流动凝结，空气在管外流动，制冷剂放出的热量被空气带走。根据空气流动情况可分为自然通风冷却和强制通风冷却两种。
(1)自然通风空气冷却式冷凝器
(2)强制通风空气冷却式冷凝器
在汽车空调系统中，广泛采用全铝制管带式冷凝器。这种冷凝器将铝制扁椭圆管弯成蛇形，铝翅片弯成波形(或锯齿形)后焊接而成。
2．水冷式冷凝器
水冷式冷凝器中，制冷剂放出的热量被冷却水带走。水冷式冷凝器有壳管式、套管式等型式。冷却水可用天然水、自来水或经冷却水塔冷却后的循环水。使用天然水冷却时容易使冷凝器结垢，影响传热效果，因此必须经常清洗。耗水量不大的小型装置可以用自来水冷却。大、中型水冷式冷凝器用循环水冷却，以减少水耗。在现代化城市中，由于生产发展、入口集中，水的消耗量很大，特别重视节约用水的问题，应采用循环式水系统。
(1)壳管式冷凝器
壳管式冷凝器分为立式和卧式两大类。
(2)套管式冷凝器
(3)螺旋板式
(4)板式冷凝器
3．蒸发式和淋激式冷凝器
4．水冷式冷凝器的冷却水系统
水冷式冷凝器的冷却水系统可分成两类：直流式水系统和循环水系统。
5．蒸发－冷凝器
蒸发－冷凝器用于复叠式制冷机，它利用高温级制冷剂制取的冷量使低温级排出的气体凝结，既是高温级循环的蒸发器，又是低温级循环的冷凝器。其结构型式有以下几种：
(1)立式壳管式
结构与一般壳管式冷凝器基本相同。高温级的制冷剂在管内汽化，低温级的制冷剂在管外冷凝。这种形式的蒸发－冷凝器结构简单，缺点是低温级制冷剂的充灌量较大。
(2)立式盘管式
由一组盘管在一个圆形外壳中组成。高温级制冷剂从上面经液体分配器进入盘管，在管内汽化后蒸气从下部引出，低温级制冷剂在盘管外冷凝。
(3)套管式
它是将两根直径不同的铜管套在一起后弯曲而成，高温级的制冷剂在管间蒸发，低温级的制冷剂在内管中冷凝。它的结构简单，便于制造，但横向尺寸较大，适用于小型低温设备。
二、冷凝器内的对流换热
冷凝器内的对流换热，包括制冷剂凝结换热与冷却介质的对流换热。根据冷凝器的不同，在壳管式冷凝器中制冷剂的凝结为管束表面的凝结，以及套管式、板式和空气冷却式冷凝器中管内流动凝结。冷却介质侧的对流换热，有强迫对流及自然对流换热两种模式。
1．水冷式冷凝器内的对流换热
(1)制冷剂蒸气在光滑管束外凝结
蒸气在光滑管外的凝结换热表面传热系数，可采用努塞尔(Nusselt)公式计算：
其中λl、ρl、r、μl、和g分别为冷凝液的热导率、密度、比潜热、动力粘度以及重力加速度，凝结液的温度可近似取冷凝温度。
对于水平管束，由上部管束下落的冷凝液会使下部管束外侧液膜增厚，表面传热系数下降。考虑此因素，制冷剂在水平管束外表面的平均表面传热系数可由下式计算：
(2)制冷剂蒸气在低肋管束外凝结
对氟利昂制冷系统，卧式壳管冷凝管一般采用低肋紫铜管，如图6－35所示为低肋管的结构。由于毛细作用使凝结液在低肋管表面的铺展，以及气液相界面的扰动，使低肋管表面凝结的表面传热系数较光滑管大，二者的比值称为凝结换热增强系数，表中用ψ表示。
单组分制冷剂蒸气在水平低肋管束表面凝结换热的表面传热系数，可由下式计算：
(3)冷却水在管内强迫对流换热
冷却水在管内强迫对流换热的表面传热系数可用式(6－36)计算，即迪图斯－玻尔特(Dittus－Boelter)公式：
2．风冷式冷凝器内的对流换热
(1)制冷剂蒸气管内流动凝结换热
对于制冷剂蒸气在水平管内流动凝结换热，目前公认较好的通用关联式为夏(M.M.Shah)提出的关联式，该式对应实验数据的实验管径为6～40mm，基本上覆盖了制冷换热器的常用管径范围。水平管内蒸气全部凝结时，平均表面传热系数的关联式为：
空气冷却式冷凝器的传热管多为蛇形管，理论上蛇形管的凝结换热较水平管略有增强，但实验表明，用式(6－65)进行计算误差不大。而且风冷式冷凝器的传热热阻主要为管外的空气对流换热热阻，就冷凝器设计而言，考虑弯管修正意义不大。
(2)肋片管束冷凝器空气侧强迫对流换热
空气侧的强迫对流换热不涉及质交换，表面传热系数与肋片形状、片间距、材料以及空气的流动情况有关。目前，风冷式冷凝器多采用肋片间距sf＝1.8～2.5mm、片厚δf＝0.15～0.3mm的整体套片结构，采用平肋片顺排管束时，空气侧表面传热系数可由下式计算：
定性温度为空气进出口平均温度。
空气流过叉排管束时表面传热系数较顺排大10%左右，上式乘以1.1即可用于叉排管束空气侧表面传热系数计算。对使用波纹翅片和条缝翅片的管束，空气侧表面传热系数目前尚无简单准确的计算式。实践表明，采用波纹翅片和条缝翅片时，空气侧表面传热系数一般较平翅片分别大20%和60%以上，若欲计算波纹翅片管或条缝翅片管管束空气侧表面传热系数，可先按平套片计算，然后再分别乘以1.2或1.6，即可作为波纹翅片管束和条缝翅片管束空气侧表面传热系数的近似值。
在风冷式冷凝器的传热计算中，通常以基管表面温度作为计算温度，而肋片侧面表面温度显然低于基管表面温度。因此，当以基管表面温度为计算温度时，应采用肋壁效率进行折算，肋片式冷凝器的肋壁效率仍可计算，而相应的肋片当量高度由下式计算：
(3)丝管式冷凝器空气侧自然对流换热
丝管式冷凝器的几何尺寸如图6－36所示。下列公式可用于计算其空气侧的自然对流表面换热系数：