影响风机盘管换热器传热性能的因素分析
摘要：从设计和生产工艺两方面阐述了影响风机盘管换热器传热性能的主要因素,针对风机盘管机组在运行 中换热器的常见问题,分析原因并提出了相应的解决措施。
1引言
风机盘管机组(风机盘管)是空调领域末端 设备中量大面广的应用产品。随着国民经济的发 展和人民生活水平的提高,以及应用上明显的优 势,风机盘管在全国各地居住建筑和公共建筑中 得以广泛采用,而且近年来它在技术上发展很快, 使空气-水系统更加具有生命力。
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。为此,本文从设计和生产工 艺两个方面,对风机盘管换热器传热性能的主要影响因素作了初步探讨,供有关人员参考。
2影响传热性能的设计因素分析
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。
2. 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%[1]。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. 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。图1给出同样规格的波纹片换热器在迎面风速为2. 5m/s 时不同片距对应空气阻力的比较分析,可见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。如图2所示,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[2]。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。
此外,不同的片型配有合理的片距才能得到较大的供冷量和风量[3],否则将是不经济的。
; 2. 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%[4],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。
2. 4迎面风速
对于风机盘管机组来说,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。在实际工作中,往往把湿工况下热交换器的传热系数整理成以下的经验公式:
式中υy是迎面风速,w表示管内水流速,ξ是析湿 系数,A、B、P、m、n是由实验得出的系数和指数[5]。由式(1)可见,当其他条件不变时,提高υy 会加大换热器的传热系数。这是因为风速的提高增加了空气的湍动程度,增大了雷诺数,进而提高了空气侧的对流传热系数。但风速过高除了会降低接触系数外,也会增加空气阻力,并且可能由空气把冷凝水带进送风系统而影响送风参数。比较合适的迎面风速υy值是2~3m/s。
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,最大风速与最 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%[6],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。
2. 5肋片材料
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。图3是4种国产风机盘管机组在干、湿工况下风量测定值的比较由图可见因湿工况下空气阻力增加,造成机组的 风量明显低于干工况下的风量,而且有的产品风量下降25%左右。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 极具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[7], 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。
3影响传热性能的生产工艺因素分析
风机盘管换热器的传热性能除了设计因素的影响外,还必须有良好的生产工艺来保证。换热器的生产过程主要有铜管裁切、铜管弯制、肋片冲压、穿片组装、涨管、清洗、焊接、试漏等,其中肋片冲压、涨管、清洗是影响换热器传热性能的关键工序,必须严格控制。
3. 1肋片冲压
肋片的质量是影响热交换效率的最重要因素,其加工必须在专用冲床上用相应的冲片模具 进行,高性能的模具是肋片冲压成型的前提。肋片冲压模含有拉伸、冲孔、翻边、压波形(或冲 缝)、边切、纵切、横切等多个工位,具有结构复杂、精度高、冲压速度快和寿命长等特点。随着肋 片使用材料的减薄,对模具的精密性提出了更高的要求。以美国OAK、意大利GBS公司为代表的的高水平肋片模,精度达2μm,步距精度3μm,寿命5亿次以上。国内厂家生产的模具虽然精度已 接近国外先进水平,但模具寿命有较大差距。
合理地使用和维护模具也非常重要。首先在 加工中一定要使用高质量的冲压油。由于肋片材 料厚度很小容易拉裂,加工时要靠精密冲压油来 润滑,以保证肋片孔不出现裂纹。同时通过润滑 和冷却使价格昂贵的模具获得更长的使用寿命。 此外,针对冲压模在使用中出现的故障要具体分 析,模具维修中常被忽视的如模具的导向精度、导 料精度及模内弹簧使用状况,会影响到模具的其 它各个部位,这必须引起足够的重视。在生产中 实施定期的维护保养,把模具事故消灭于萌发状 态,以达到延长模具寿命、保证肋片冲压质量的目 的。
3. 2涨管
换热器加工经过穿片后,铜管与肋片之间是 松动的,必须通过涨管这一工序,使管片接触紧 密,以减少接触热阻,达到提高传热效率这一目 的。这道工序不能保证,则不能保证换热器的传 热面积。
涨管有水压涨管及机械涨管两种形式。水压 涨管设备简单,但存在易爆管、效率低、劳动强度 大等问题,而且对于大型号机组的换热器不容易一次涨紧。有的厂家采用对换热器进行分段涨管 的方法,这样爆管更容易控制,使管片接触更 好[8]。机械涨管以液压为动力推动胀杆,通过胀 头将铜管直径胀大,使铜管和翅片紧密地结合在 一起,与水压涨管相比效率较高。采用机械涨管 时,首先要保证涨头的尺寸,针对不同厂家、不同 批次的铜管,必要时可采用不同公差的涨头。当 限于生产条件采用手动涨管时,必须控制涨头前 进速度,以保证涨管质量。
3. 3清洗
换热器生产过程中铜管弯制、肋片冲压、涨管 等工序都使用润滑油。肋片表面和铜管管内若存 在油污,将严重削弱换热器的传热效率,并会在后 续的高温焊接中使肋片发黄甚至变黑,影响到产 品的最终性能和质量。因此换热器必须经过严格 清洗,以去除粘附在肋片上和铜管内外表面的润 滑油残留物,使热交换器特别是铜管内壁洁净无 油污。常规的操作是将换热器置于三段清洗槽 内,用清洗剂除油并用清水漂洗,清洗后工件上无 油污和溶液,然后进行烘干。此外通过有效清洗 还可彻底清除附着的铜屑、灰尘等脏污,提高换热 器工作的可靠性。
4结束语
由以上分析可知,要保证风机盘管机组换热 器的的传热性能,首先必须有合理的、先进的设计 方案,除此之外还要有良好的制作工艺。
设计人员应充分了解换热器的肋片形式,并 根据使用场合不同而区别对待。对于只在干工况下工作的机组,换热器可尽量采用换热系数大的 肋片型 式,如冲缝型肋片。此时迎面风速和排数 不宜过大,以充分利用增强型肋片的优点,而不增 加机组的风机功率。在湿工况下,换热器可考虑 采用波纹型肋片,且肋片间距不宜太小;肋片宜使用亲水性铝箔材料,它对换热性能影响不大,但可显著地降低湿工况下空气流动阻力、减小运行能耗。
换热器的生产应尽可能采用新工艺、新技术, 同时每道工序必须严格管理,只有保证了加工质量,才能体现出产品的设计性能。
参考文献
[1]吴业正.小型制冷装置设计指导[M].北京:机械工 业出版社, 1998.
[2]黄伟.表冷器换热性能与肋片间距结构优化的试验 研究[D].广州:华南理工大学, 2003.
[3]樊越胜,刘雄,李树林,等.空调设备中开缝翅片换热 器在湿工况下的性能分析[ J].流体机械, 2003, 31 (12): 58-61.
[4]宋晓平.风机盘管机组设计问题探讨[J].山西建筑, 2003, 29(2): 97-98.
[5]邢振禧.空气调节技术[M].北京:中国商业出版社, 2001.
[6]于志敏.国产风机盘管机组现状和性能研究分析 [J].机械工程师, 2001, 3(8): 43-44.
[7]郁惟昌.关于风机盘管机组的标准及其他[J].暖通 空调, 2003, 33(2): 36-38.
[8]苏庆勇.单元式空调机、除湿机换热器的加工工艺分 析[J].广西机械, 1996(4).
