工业风机换热器(盘管)作为风机盘管机组实现热量交换的核心部件,其传热性能的好坏直接影响到机组的效率和成本。风机盘管的换热器属于整体串片肋片管式热交换器,多采用铜管套铝片的结构,铜管的管径、管间距、管排数,肋片的片型、片间距以及迎面风速和涨管、清洗工艺等将直接影响盘管的换热性能。在实践应用中,机组出现的如冷量不足、能耗偏大、运行后风量减小等问题大都与换热器有关。
强化传热一直是国内外热交换器设计的主要方向。提高风机盘管换热器传热性能的主要措施是提高空气侧对流换热能力。其中主要的一项工作是对肋片型式及肋片材料的改进;另一项工作是热交换器的管排数以及肋片间距等结构参数的研究。
1、肋片型式
换热器肋片型式不同,传热效果就会不同。为了提高传热性能,近年来风机盘管换热器的肋片型式有了很大发展,目前除平板型外,还有波纹片、冲缝型肋片等。干工况下,迎面风速为2.5~3.0m/s时,波纹片的换热性能可比平片高出25%左右;而冲缝型肋片比波纹片的表面传热系数可高出60%。波纹片、冲缝型肋片与平片相比,增加了气流的紊流度,提高了空气侧的对流换热系数。但是在获得好的热交换特性的同时,不可避免地增加了空气流动阻力和动力消耗。尤其是冲缝型肋片,在湿工况时,冷凝水易聚积在条缝间,造成风量明显减少。而且,条缝片容易被积尘堵塞,长期运行后,堵塞情况会更严重,使冷量大幅度下降。因此提高冲缝型肋片换热效率的关键在于减小其空气阻力。由此可见,新的肋片型式虽然可以使机组结构更为紧凑,但也有不足之处,设计时要结合风机盘管在空调系统中的工况条件,将换热与阻力损失全面考虑。
2、肋片间距
肋片间距是影响换热器传热面积和结构尺寸的直接因素,还关系到风机盘管运行时的风侧压力损失。较小的肋片间距虽然增大了换热器的外表面积,但同时会使得风侧阻力加大。随着肋片间距的减小,阻力则逐渐增加,湿工况下这种影响会更加明显。
有些产品为了安全起见通过减小肋片间距而增加换热面积,这样做除了造成浪费材料以外,还可能会降低机组的实际换热量。在给定的换热器尺寸和风机运行曲线下,压力损失的提高必然会引起空气流速的降低,并使空气与肋片壁面之间的传热温差减弱,这样冷量不但不增加反而会有减少的趋势。合理的片距正是综合了热交换面积和空气侧换热系数这两方面的因素而确定的。
3、管簇排数
保证传热面积的同时,机组的换热器可以采用不同的排数。常见的有2排和3排,2排多用于小型号的机组,较大的机组也有采用4排和6排的。虽然增加排数能增加换热器的接触系数,但是排数的增加也将使空气阻力增加。而且排数过多时,后面几排还会因为水与空气之间温差过小而减弱传热作用,所以排数也不宜过多。另外排数对换热器的维护与寿命影响也较大,通常排数超过6排就会妨碍清扫工作。
国内曾对风机盘管机组进行过改进设计,机组结构尺寸不变,所配风机及电机型号不变,仅将热交换器由3排改为2排。实验结果显示空气阻力约降低30%,而且可以通过增加的空气流量来保证机组供冷量符合标准要求。可见,2排管热交换器传热系数大、风侧阻力小,而且大幅度减少了原材料的投入,这样就为某些型号的风机盘管向小型化和轻型化发展提供了可能性。
4、迎面风速
对于工业风机盘管机组来说,低的迎面风速虽能提高换热器的接触系数,但对传热性能总的影响不大,设计风速过低还会引起产品尺寸和初投资的增加。
有的机组,虽然设计采用的迎面风速值比较合理,但实际的风速并不均匀,从而影响了换热器的使用性能。针对这种情况一项研究采用了导流叶片来促使气流均匀化。经测试表明,迎面风速分布要比未采用导流叶片时均匀,zui大风速与zui小风速的差值减小了0.5倍左右。加装导流叶片后由于通过管束的风速趋于均匀,换热器的传热表面得到充分利用,换热量提高约4~11%,可见这种方法具有一定的可行性。
此外,迎面风速的确定还与前面所述的片型、片距以及肋片材料有关。
5、肋片材料
工业风机盘管机组换热器采用普通铝质肋片,它在使用中存在如下问题:首先,肋片在干湿交替的工作中,其表面会形成氧化层,加大了传热热阻;其次,湿工况作业时,空气中的水分冷凝附着在肋片上,导致空气阻力增加。
在风机盘管空调系统中,夏季供冷时换热器作为表冷器往往对空气进行冷却减湿处理,产品设计也主要考虑供冷时的工况。风量是空调工程设计中风机盘管机组选用计算的重要参数,这种干、湿工况下风量的显著变化势必影响到工程设计和空调效果。
肋片材料采用预涂膜铝箔是解决问题的有效方法。预涂膜铝箔是素材铝箔经过脱脂、水洗、干燥处理后,在其表面涂布专用涂料使其成为一种亲水性和耐腐蚀的材料。由于涂覆层的亲水性作用,尽可能减小了水和肋片表面的润湿角,使冷凝水极易从肋片表面流下。与普通材料的肋片比较,经亲水处理后的肋片表面在湿工况下的阻力可减小40%。使用了亲水肋片材料的机组干、湿工况下风量也没有太明显的变化,更有利于工程中机组的选型和使用。除此之外,采用预涂膜铝箔肋片材料有降低机组运行噪音,延长换热器使用寿命的效果。
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