工業(yè)用冷凝器的分類(lèi)及對(duì)流換熱計(jì)算
1．空氣冷卻式冷凝器
空氣冷卻式冷凝器迄今僅用于氟利昂制冷機(jī)，多用于電冰箱、冷藏柜、小型空調(diào)機(jī)組、汽車(chē)及鐵路車(chē)輛用空調(diào)裝置、冷藏運(yùn)輸式制冷裝置等。目前，國(guó)產(chǎn)空氣冷卻式空調(diào)機(jī)組的制冷量可達(dá)200～300kW。空氣冷卻式冷凝器多為蛇管式結(jié)構(gòu)，制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)，空氣在管外流動(dòng)，制冷劑放出的熱量被空氣帶走。根據(jù)空氣流動(dòng)情況可分為自然通風(fēng)冷卻和強(qiáng)制通風(fēng)冷卻兩種。
2．水冷式冷凝器
水冷式冷凝器中，制冷劑放出的熱量被冷卻水帶走。水冷式冷凝器有殼管式、套管式等型式。冷卻水可用天然水、自來(lái)水或經(jīng)冷卻水塔冷卻后的循環(huán)水。使用天然水冷卻時(shí)容易使冷凝器結(jié)垢，影響傳熱效果，因此必須經(jīng)常清洗。耗水量不大的小型裝置可以用自來(lái)水冷卻。大、中型水冷式冷凝器用循環(huán)水冷卻，以減少水耗。在現(xiàn)代化城市中，由于生產(chǎn)發(fā)展、入口集中，水的消耗量很大，特別重視節(jié)約用水的問(wèn)題，應(yīng)采用循環(huán)式水系統(tǒng)。
(1)殼管式冷凝器
殼管式冷凝器分為立式和臥式兩大類(lèi)。
(2)套管式冷凝器
(3)螺旋板式
(4)板式冷凝器
3．蒸發(fā)式和淋激式冷凝器
4．水冷式冷凝器的冷卻水系統(tǒng)
水冷式冷凝器的冷卻水系統(tǒng)可分成兩類(lèi)：直流式水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)。
5．蒸發(fā)－冷凝器
蒸發(fā)－冷凝器用于復(fù)疊式制冷機(jī)，它利用高溫級(jí)制冷劑制取的冷量使低溫級(jí)排出的氣體凝結(jié)，既是高溫級(jí)循環(huán)的蒸發(fā)器，又是低溫級(jí)循環(huán)的冷凝器。其結(jié)構(gòu)型式有以下幾種：
(1)立式殼管式
結(jié)構(gòu)與一般殼管式冷凝器基本相同。高溫級(jí)的制冷劑在管內(nèi)汽化，低溫級(jí)的制冷劑在管外冷凝。這種形式的蒸發(fā)－冷凝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是低溫級(jí)制冷劑的充灌量較大。
(2)立式盤(pán)管式
由一組盤(pán)管在一個(gè)圓形外殼中組成。高溫級(jí)制冷劑從上面經(jīng)液體分配器進(jìn)入盤(pán)管，在管內(nèi)汽化后蒸氣從下部引出，低溫級(jí)制冷劑在盤(pán)管外冷凝。
(3)套管式
它是將兩根直徑不同的銅管套在一起后彎曲而成，高溫級(jí)的制冷劑在管間蒸發(fā)，低溫級(jí)的制冷劑在內(nèi)管中冷凝。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，但橫向尺寸較大，適用于小型低溫設(shè)備。
冷凝器內(nèi)的對(duì)流換熱
冷凝器內(nèi)的對(duì)流換熱，包括制冷劑凝結(jié)換熱與冷卻介質(zhì)的對(duì)流換熱。根據(jù)冷凝器的不同，在殼管式冷凝器中制冷劑的凝結(jié)為管束表面的凝結(jié)，以及套管式、板式和空氣冷卻式冷凝器中管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)。冷卻介質(zhì)側(cè)的對(duì)流換熱，有強(qiáng)迫對(duì)流及自然對(duì)流換熱兩種模式。
1．水冷式冷凝器內(nèi)的對(duì)流換熱
(1)制冷劑蒸氣在光滑管束外凝結(jié)
蒸氣在光滑管外的凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可采用努塞爾(Nusselt)公式計(jì)算：
其中λl、ρl、r、μl、和g分別為冷凝液的熱導(dǎo)率、密度、比潛熱、動(dòng)力粘度以及重力加速度，凝結(jié)液的溫度可近似取冷凝溫度。
對(duì)于水平管束，由上部管束下落的冷凝液會(huì)使下部管束外側(cè)液膜增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降?？紤]此因素，制冷劑在水平管束外表面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算：
(2)制冷劑蒸氣在低肋管束外凝結(jié)
對(duì)氟利昂制冷系統(tǒng)，臥式殼管冷凝管一般采用低肋紫銅管，如圖6－35所示為低肋管的結(jié)構(gòu)。由于毛細(xì)作用使凝結(jié)液在低肋管表面的鋪展，以及氣液相界面的擾動(dòng)，使低肋管表面凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較光滑管大，二者的比值稱(chēng)為凝結(jié)換熱增強(qiáng)系數(shù)，表中用ψ表示。
單組分制冷劑蒸氣在水平低肋管束表面凝結(jié)換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可由下式計(jì)算：
(3)冷卻水在管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱
冷卻水在管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可用式(6－36)計(jì)算，即迪圖斯－玻爾特(Dittus－Boelter)公式：
2．風(fēng)冷式冷凝器內(nèi)的對(duì)流換熱
(1)制冷劑蒸氣管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)換熱
對(duì)于制冷劑蒸氣在水平管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)換熱，目前公認(rèn)較好的通用關(guān)聯(lián)式為夏(M.M.Shah)提出的關(guān)聯(lián)式，該式對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)管徑為6～40mm，基本上覆蓋了制冷換熱器的常用管徑范圍。水平管內(nèi)蒸氣全部凝結(jié)時(shí)，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)聯(lián)式為：
空氣冷卻式冷凝器的傳熱管多為蛇形管，理論上蛇形管的凝結(jié)換熱較水平管略有增強(qiáng)，但實(shí)驗(yàn)表明，用式(6－65)進(jìn)行計(jì)算誤差不大。而且風(fēng)冷式冷凝器的傳熱熱阻主要為管外的空氣對(duì)流換熱熱阻，就冷凝器設(shè)計(jì)而言，考慮彎管修正意義不大。
(2)肋片管束冷凝器空氣側(cè)強(qiáng)迫對(duì)流換熱
空氣側(cè)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱不涉及質(zhì)交換，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與肋片形狀、片間距、材料以及空氣的流動(dòng)情況有關(guān)。目前，風(fēng)冷式冷凝器多采用肋片間距sf＝1.8～2.5mm、片厚δf＝0.15～0.3mm的整體套片結(jié)構(gòu)，采用平肋片順排管束時(shí)，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由下式計(jì)算：
定性溫度為空氣進(jìn)出口平均溫度。
空氣流過(guò)叉排管束時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較順排大10%左右，上式乘以1.1即可用于叉排管束空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算。對(duì)使用波紋翅片和條縫翅片的管束，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)目前尚無(wú)簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的計(jì)算式。實(shí)踐表明，采用波紋翅片和條縫翅片時(shí)，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般較平翅片分別大20%和60%以上，若欲計(jì)算波紋翅片管或條縫翅片管管束空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可先按平套片計(jì)算，然后再分別乘以1.2或1.6，即可作為波紋翅片管束和條縫翅片管束空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的近似值。
在風(fēng)冷式冷凝器的傳熱計(jì)算中，通常以基管表面溫度作為計(jì)算溫度，而肋片側(cè)面表面溫度顯然低于基管表面溫度。因此，當(dāng)以基管表面溫度為計(jì)算溫度時(shí)，應(yīng)采用肋壁效率進(jìn)行折算，肋片式冷凝器的肋壁效率仍可計(jì)算，而相應(yīng)的肋片當(dāng)量高度由下式計(jì)算：
(3)絲管式冷凝器空氣側(cè)自然對(duì)流換熱
絲管式冷凝器的幾何尺寸如圖6－36所示。下列公式可用于計(jì)算其空氣側(cè)的自然對(duì)流表面換熱系數(shù)：
