琼州海峡火车轮渡船的中央空调系统设计外文翻译资料

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4紧凑型换热器

4.1 紧凑型换热器的分类和结构细节

紧凑型换热器应用广泛。其中在汽车、空调、电子冷却、废物和工艺热回收、低温、飞机和航天器、海洋热能保存、太阳能和地热系统中的应用最为典型。重量轻、节省空间和经济性需求推动了紧凑型换热器的发展。

4.1.1 紧凑型换热器的特性

Shah^[1-4]讨论了紧凑型热交换器的具体特性，其中包括以下内容：

1.通常具有扩展表面。

2.通常在具有气流核心的每单位体积的高传热表面积上至少一个超过700m²/m³。

3.水力直径小。

4.通常至少一种流体是气体。

5. 由于水力直径（Dh）较小，清洗困难，所以液体必须清洁，相对不粘;当预期会出现“中等”污垢时，使用平坦不间断的散热片。

6.流体泵送功率（即压降）与热传递速率一样重要。

7.与壳管式换热器相比，由于薄的翅片通过钎焊或机械膨胀等连接到板或管上，所以操作压力和温度受到一定程度的限制。

8. 使用高度紧凑的表面导致交换器具有大的前部区域和短的流动长度;因此，紧凑型换热器的头部设计对于流量的均匀分布是很重要的。

9.流体污染通常不是一个问题。

10.可获得具有不同数量级的表面积密度的各种表面。

11.根据设计师的要求可以灵活地在热侧或冷侧分配表面积。

紧凑型热交换器的其他特征如下：

用于制造翅片的材料受某些应用的工作温度的限制。对于低温或中温的应用，散热片可以由铝，铜或黄铜制成，从而保持高散热片效率。对于高温应用，可以使用不锈钢和耐热合金，可以降低翅片效率。因此，可以选择合适的高性能表面或者减小翅片厚度以抵消翅片效率的降低。

通过铜焊或焊接制造。对于低温或中温应用，散热片可以机械接合。低翅片管挤出。

流动布置：紧凑型热交换器通常用作单程交叉流或多管道交叉逆流交换器。

4.1.2 紧凑型换热器的构成

紧凑型换热器的基本结构类型

1.管翅式

2.板翅式

3.再生器

管翅式和板翅式换热器在本章中讨论。与板翅片或管翅片表面相比，专用于气体到气体应用的再生器具有更紧凑的表面积密度。它们在单独的章节中详细描述。与传统的壳管式换热器相比，紧凑型延伸表面的板翅式和管翅式换热器的独特特征包括以下^[1，3，4]：

1.许多表面具有不同数量级的表面积密度。

2.根据设计考虑，灵活地分配冷热侧表面积。

3.一般来说，节省大量的成本、重量或体积。

三种类型的紧凑型热交换器的选择主要由以下因素决定：

1.工作压力和温度。

2.处理的流体的相位。

3.流体的结垢特性。

4.允许压降。

5.强度和坚固性。

6.尺寸和/或重量的限制。

7.处理的流体的可接受的混合。

4.1.3 管翅式换热器

管翅式换热器广泛应用于各种行业。当一个流体处于更高的压力或者与另一个流体相比具有更高的热传递系数时，通常采用它们。例如，在气液交换器中，与气体侧相比，液体侧的传热系数通常非常高。在气体侧使用翅片以增加表面积。 在管翅式交换器中，常使用圆形和矩形管（虽然也使用椭圆形管），在管的外侧、内侧或在管的两侧使用翅片取决于在实际应用中的需求，管外侧的翅片（图4.1）可分为以下几种：

1.单根管上的正常翅片（图4.1a），被称为单独翅片管。

2.单根管子上的纵向翅片（图4.1b），通常用于冷凝和双管热交换器中的粘性流体。

3.如图4.1c，d所示，在一系列管（圆形或扁平管）上的扁平或连续（平面、波浪或中断）外部翅片。由于间断的翅片更容易结垢，许多使用者在结垢（特别是纤维物质）很严重的情况下优先选平直的连续翅片。

图4.1 （a）铝L脚管翅片（b）焊接纵翅片。（c）连续翅片管热交换器—（i）铜镍管翅式热交换器和（ii）冷却液压系统（ALEX Core）的扁管式热交换器。（由Lytron Inc.，Woburn，MA提供）（d）连续翅片紧凑型冷却器。（由GEA Heat Exchangers提供，Catoosa，OK）。

4.1.3.1 管翅表面的具体定性注意事项

管翅表面的具体定性考虑因素包括：

bull; 管翅式换热器通常具有比板翅式单元更低的紧凑性。

bull; 管翅式换热器可以设计用于各种管流体操作压力，其他流体处于低压状态。

图4.2 单独翅片管的形式。（a）螺旋形，（b）环形，（c）螺旋形分段，（d）螺柱形，（e）线环，和（f）螺旋形槽。

4.1.3.2 应用

管翅式换热器广泛用作空调和制冷应用中的冷凝器和蒸发器，用于冷却车辆或固定式内燃机的水或油，以及作为过程和动力工业中的空气冷却交换器。通常的布置是水、油或制冷剂在管中流动，而空气流过翅片管。

4.1.3.3 单翅片管

单翅片管几何形状比连续翅片几何形状更加坚固，但是具有较低的紧凑性。最常见的单个翅片管具有平坦的圆形，螺旋形或环形增强的翅片几何形状，例如分段的、镶嵌的、开槽的或线环的翅片^[5]。图4.2显示了已在圆形管上使用的一些翅片几何形状（示意图）（这些几何形状中的几个热传递增强翅片在第8章中被讨论），图4.3示出了翅片管几何形状的照片，图4.4示出了圆形管 翅片管几何参数。 翅片通过紧密的机械配合，张力缠绕，粘合剂粘结，焊接，钎焊，焊接或挤出或套管将包含挤压翅片的衬垫附接到基体金属上。 图4.5显示了常见的圆管翅片分类和制造技术。 接下来讨论各种翅片几何形状的细节。

4.1.3.3.1 平圆形叶片

平圆形翅片是最简单和最常见的。它们通过围绕管缠绕翅片条，形成连续的螺旋翅片，或通过在管上安装圆形翅片来制造。在圆管上螺旋缠绕和挤出的翅片在工艺工业和热回收应用中广泛应用。接下来讨论平直圆形翅片管在翅片高度方面的分类。

4.1.3.3.2 翅片管的翅片高度和分类

翅片管的翅高和分级由闫文杰^[6]讨论。根据翅片高度，翅片管被称为低翅片管，中间翅片管和高翅片管，如下:

1.在低翅片管中，翅片从翅片管材料中挤出1-2mm.标称1.6mm（1/16英寸）高度的翅片已经成为壳管式换热器中通常所需的低翅片型负载的标准。低翅片管通常通过制造操作（可能通过挤压工艺）从基管金属上提取翅片来制造。整体精整确保了管的最大热效率，因为不存在由于腐蚀，热膨胀和收缩或处理中的机械损坏导致散热片变得松动（并因此增加热接触电阻）的可能性。

图4.3 （a）螺旋缠绕波纹翅片管。（b）环形翅片或冲压翅片管。（a和b由Fin Tube Products，Inc.，Wadsworth，OH提供）。（c）TURB-XHF（锯齿状或分段翅片）。（d）螺柱焊接管。（c和d由Fin Tube，LLC，Tulsa，OK提供; www.fintubellc.com）。（e）线环管。（TAAM Engineering，Maharastra，India。）

图4.4 单翅片管详细信息

2.大约3.2mm（1/8英寸）的翅片被称为中间翅片，并且通常用于壳管式换热器中。

3.空气冷却的交换器需要高的翅片，其高度为6.4-25mm（1/4-1.0英寸）。热回收系统优选在管线排列管束中的中到高的翅片。

然而，Rabas和Taborek ^[7]将高度小于6.35mm（0.25英寸）的翅片称为低翅片管。在各种类型的热交换器中使用低翅片管的主要原因^[7]如下：

1.平衡传热阻力。

2.保持翅片结合完整性。

3.减少结垢。

4.满足管材规格。

圆形翅片管

环形翅片

螺旋翅片

镶嵌翅片

挤压

强力翅片-焊接或嵌入

加工

挤压翅片

钎焊

分段

波纹（卷曲）

光滑

分条/开槽

图4.5 管翅分类

4.1.3.3.3 增强翅片几何形状

分段或脊柱翅片：分段或脊柱翅片通过螺旋缠绕已经被部分切割成狭窄部分的金属连续条制成。在卷绕时，狭窄部分分开并形成在底部连接的窄条状散热片。

散装翅片：散布翅片类似于分段翅片，但单个翅片焊接到管上。

开槽翅片：开槽翅片在径向方向上具有槽;当径向切开的材料缠绕在管上时，缝隙打开。

围绕管的线环：线环通过螺旋中的张紧的线或通过焊接保持在管中。小直径导线的增强特性对于其他中断翅片增强减弱的低流量是重要的。

所有这些几何形状通过在小直径导线或扁平带上的薄边界层的周期性发展来提供增强，随后它们在元件之间的尾流区域中耗散^[8]。

4.1.3.3.4 建筑材料

管道、集管和水箱的材料取决于在应用中的具体要求。管和翅片最常见的材料是铜、铝和钢。对于开路安装，管由铜、磷脱氧铜、铝、黄铜和铜镍铁合金（即铜镍合金）和碳钢制成，用于热回收应用。翅片主要来自铝和铜；对于热回收应用，它们由碳钢制成。接头和管板由碳钢制成。

图4.6 管翅布局：（a）内联和（b）交错。

4.1.3.3.5 管布局

管组中管的两种基本布置是交错的和内联的。这些布置如图4.6所示。这两者之间唯一的结构差异是在交错布置中每个交替行偏移半个横向间距，并且两个布置在流动动力学上不同。由于紧凑和更高的热传递，大多使用交错布局。然而，如果空气流充满灰尘、磨料颗粒等，则优选直线布置，因为受影响较小并且易于清洁。

4.1.4 管组阵列上的连续翅片

这种类型的管翅片最常用于：

（1）称为盘管的空调和制冷换热器中，其中高压制冷剂包含在管道上。

（2）作为内燃机的散热器。

（3）用于增压空气冷却器和用于冷却柴油机车的增压发动机进气的中间冷却器等。管布置图案大多交错。

4.1.4.1 管：主表面

所有管材均按ASTM/ASME规格提供无缝管。回流弯管可以由较重的壁管供应，以确保在需要考虑腐蚀的应用中形成足够的厚度。使用通常具有交错管布置的圆形或管形管（具有圆角的矩形管）。椭圆管也被使用。圆管用于高压应用，并且当预期会有相当大的污垢时。拉管的使用仅限于低压应用，例如车辆散热器。扁管或椭圆管代替圆管，用于增加管中的热传递，减少管外的压降^[2,9]。高寄生形式的阻力与垂直于圆管的流动相关。相比之下，扁平管由于较低的形状阻力而产生较低的垂直于管的压力损失，并避免了管后面的低性能尾流区。

4.1.4.2 翅片：二次表面

所有线圈或连续翅片交换器均具有模具形式、扁平或图案化的铝或铜片状翅片。翅片通过管的机械膨胀连接到管，确保永久的翅片到管的结合。完整的翅片套圈允许精确的翅片间距和最大翅片管接触。翅片图案经过优化，可以实现高能效的操作、抵抗气流和可清洁性。

扁平翅片：扁平翅片没有波纹，这提供了尽可能低的空气压降和最低的风扇马力。

星形翅片：管周围的星形翅片波纹提供比平翅片更高的热传递，空气压降略有增加。

波状翅片：翅片上的波状翅片波纹为给定的表面积提供最大的传热速率。

风扇翅片：具有扁平管和百叶窗翅片的热交换器由于更高的传热和更小的尺寸而被广泛使用。

4.1.4.3 连接头

线圈的特点是钢制或非铁制的歧管接头，带有螺纹管接头。冷却盘管配有通风口和排水管。钻头钻孔。头部提供适当的接头间隙，并允许最佳的钎焊金属应用。线圈有钢或铜管板和带螺纹连接的可拆卸钢连接头。接头厚度，垫片表面积和螺栓区域经过设计和测试，以提供防漏垫圈密封。

4.1.4.4 管对接接头

管对接接头是滚筒膨胀或钎焊或焊接。

4.1.4.5 外壳或管架

线圈包含重型矩形结构管架，可提高刚性、矩形度和长期稳定性，双线圈用于线圈堆叠。线圈外壳是镀锌或不锈钢。在各种中心提供套管支撑，以便在处理过程中额外支持。线圈外壳没有安装孔，除非有需要。

4.1.4.6 线圈

每个线圈独立地用于循环、淹没、直接膨胀或控制压力接收器制冷系统以及水、乙二醇或盐水的特定应用中。

4.1.4.7 空调和制冷交换器

用于空调和制冷的蒸发器和冷凝器通常是当空气是其中一种流体时的管翅式。当空气是其中之一时，这些交换器被称为线圈（图4.7）。管翅片几何形状在当前的节能时代变得越来越普遍，因为翅片和管之间的结合是通过机械或液压扩张管而不是采用钎焊或焊接^[2]来实现的。与焊接，钎焊或将翅片焊接到管所需的能量相比，形成机械结合需要的能量更少。因为机械结合的工作温度受到限制。

图4.7 加热/冷却线圈 - 原理图。

要指定一个连续的翅片管换热器或线圈，需要以下参数：

1.线圈的材料。

2.翅片的细节：

a.翅片尺寸

b.材料 - 铝，铜，不锈钢，碳钢

c.翅片尺寸

d.翅片图案/类型，扁平，星，波浪，百叶窗

3.行。

4.标题材料（铜、黄铜、碳钢或不锈钢）。

5.管材料和管壁厚度。

6.外壳材料（镀锌钢或不锈钢）（也指明是否需要安装孔）。

7.连接类

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