109塑料空气换热设备的性能研究

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1、塑料空气换热设备的性能研究清华大学工程力学系工程热物理研究所，北京,100084陈林李震摘要：小型空调机组中的蒸发器、冷凝器通常为金属材料的肋片管式换热器，这些换热器在使用中存在积灰、结垢和腐蚀等问题。利用导热塑料材料制作的换热器，可以在保证传热性能的前提下有效解决这些问题。本文分析比较了铜和导热塑料的肋片管换热器的性能差别，结果表明：传热的主要热阻是空气侧的对流换热热阻，当材料热导率超过一定的阈值后，热导率对换热的影响很小，导热塑料换热器可实现与铜换热器相近的换热性能。之后，就塑料换热器本身分析了结构参数对换热性能的影响，为塑料换热器尺寸优化提供依据。考虑到塑料换热器重量轻、

2、易加工成型、淸洗方便等优点，塑料换热器在暖通空调领域有较好的应用前景。关键词：空调塑料换热器热导率1前言户式空调等小型空调机组中，蒸发器和冷凝器通常为铜管铝片的金属肋片管换热器⑴。室内的蒸发器容易集聚灰尘、污垢和细菌⑵，室外的冷凝器铝翅片表面由于接触环境大气，易于积油腻、尘垢、水垢、烟垢，形成较大热阻，同时铝翅片表面上的污垢会促使垢下腐蚀⑶。污垢和腐蚀，使得设备性能恶化、甚至失效，造成很大的损失⑷。因此，耍及时清除金属肋片管表面的污垢，但是这不仅需要专业的清洁人员,还需要专业的清洗溶剂，否则不仅效果不好，还会留下腐蚀的隐患⑸。塑料材料具有良好的耐腐蚀性能，表曲光滑不吸附污垢、抗

3、污塞性能好X",在化工、船舶、近海的换热设备中rh较多实际应用。利用塑料材料可以有效解决上述金属肋片管换热器中的问题。但是，肋片管换热器空气侧传热系数较低、热阻较人，如果再加卜血于塑料材料热导率低引起的热阻，换热器的性能会很差，这止是空气换热领域很少有人研究、使用塑料换热器的原因。如今商业化的高导热塑料已达到20W/(m.K)闿，本文计算分析了材料导热能力対换热器性能的影响，对比了铜和导热塑料制作的肋片管换热器的性能。Z后，就塑料换热器本身进行了参数分析，为尺寸优化和性价比分析捉供了一定参考。2肋片管换热器传热性能计算方法肋片管换热器中的传热量，可以通过传热方程和能量守恒方程计

4、算，即①=2A,・A：=mw•-ArM.=ma-匚“•&“丄+丄+丄壮+丄+丄）hAAi2龙厶2%4“h<,A/总传热系数K,的倒数是总热阻》R[9],工“丄F(11'孔r厶K:“=—+r+—In—+—+—-—=R、+R?+R、+心+R%2几％pnhjn1'34'总热阻由5部分热阻构成，分別是管内对流换热热阻尺、管内污垢热阻凡、管樂导热热肌&、管外污垢热阻他和管外对流换热热阻他。各热阻计算方法见文献〔9〜11］，其中污垢形成的机理较为复朵，其数值通过查表获得。3塑料换热器与金属换热器的性能比较为比较山于换热器材料热导率不同而引起的性能差界，在下面的分析过程中，假设金属换热器和塑

5、料换热器具有相同的几何尺寸，其中的流体及入口条件也相同。3.1计算条件的设定(1)几何尺寸及入口条件图1、图2分别是肋片管换热器的三维视图和尺寸图。尺寸的设定参考了金属风冷换热器尺寸血，但主要以塑料的加工性能来确定他。为便于分析，取肋片管沿水管方向的长度L为5。管内流动的是水，肋片间流过空气。图中给定两种流体的入口温度和流速。冷却水：uw=lm/s图1换热器立体示意:图及冷热流体入口条件图2肋片管换热器的尺寸图(单ft：mm)(2)污垢热阻的设定根据文献[10〜11],&6X10-5(m2-K)/Wo金属换热器的管内污垢热阻◎为5X10'1(m2-K)/W,管外污垢热阻乙设为塑

6、料表面能低，不容易结垢根据文献[9],忽略塑料换热器污垢热阻。3.2计算结果在上述设定条件下，令热导率2的变化范围为0.2〜400W/(m・K),可以计算出相应的传热量，得到图3的曲线，计算结果是每m管长的换热量，因此单位是W/m。rh于金属换热器考虑污垢热阻，而塑料换热器不考虑，因此图中相应有两条曲线，以比较“没有污垢的塑料换热器”与“有污垢的金属换热器”的性能。考虑到塑料的热导率很难达到100W/(m・K)闾以上，塑料换热器换热屋曲线在热导率大于100W/(m•K)Z后用虚线表示。随热导率的变化曲线图4换热量相对值曲线(铜换热器的换热量为基准)纯铜的热导率为400W/(m•

7、K)问，以纯铜换热器的换热量为基准，将热导率为其他数值时的换热量除以该基准换热量，就可以得到换热量的相对值的曲线，如图4。换热量相对值的大小休现了不同材料换热器性能的差别。例如，聚丙烯(PP)材料的热导率约为0.2W/(m-K)tl3],因此聚丙烯换热器的换热性能只有铜换热器的20%。普通塑料材料的热导率不超过1W/(m・K),换热性能不超过铜换热器的50%,这正是普通塑料材料无法取代金属制作换热器的原因。改性塑料的热导率对达到20W/(m・K),当忽略塑料换热器的热阻时，热导率为20W/(