制冷与空调用套管换热器是如何强化换热的？

1.1 套管换热器基本结构   

传统套管式换热器采用同轴同心套管结构实现制冷系统冷量传递，其核心设计为内层管输送低温冷冻水，内外管之间的环隙通道则承载高温制冷剂。通过流体间逆向流动实现高效对流换热，这种结构既保证了冷热流体物理隔离，又通过优化流道设计（如螺旋导流片或螺纹内管）强化传热系数，使单位体积传热效率达到870-1750W/(m2·℃)。其紧凑的同轴布局特别适用于空间受限场景，同时耐压能力可达0.6MPa以上，满足制冷系统高压工况需求。

如图1所示为套管式换热器的造简图，它由不同直径的两种管子套在一起组成同轴套管成。小圆管内流过一种流体，小圆管外壁与大圆管内壁质检形成环形间流过另一种流体。小圆管的管壁就形成隔在两种流体之间的传热壁面。

在实际设计和制造这种换热器时，采用同轴套管以螺旋式结堆叠在一起，以小换热器占用间，提间利用率。

1.2  套管换热器的热阻计算   

在换热器传热计算过程中，通常以经典热力学公式作为基础进行计算如图2所示，两种流体在壁面间传递热量时，符合经典热力学稳态热的传热方程，为：

在研究换热器的传热规律时，通常将传热系数的倒数定义为热阻（Thermal Resistance），这一概念借鉴了电学中电阻的类比，通过量化热传递过程中的阻力来分析传热效率。以套管式换热器为例，其传热过程涉及两种主要热阻：一是管壁自身的导热热阻，二是流体与管壁界面间的对流换热热阻。前者由材料导热系数和壁厚决定，后者则与流体性质（如流速、粘度、密度）及流动状态（层流或湍流）密切相关。不同流体介质（如气液、液液）因物性差异，对流热阻的表现形式存在显著区别，例如高粘度流体易形成边界层增厚，导致对流热阻增大，而湍流状态可通过强化扰动降低热阻。如图3所示。

以电学中的欧姆定律来描述传热学中的热流量，这个方程可以写成如下形式：

从公式（3）可以出，如果想让换热器在换热过程中的热流量提，可以从以下几个方面来进行：

首先可以加换热器的传热表面，传统加传热表面的方式是在管内加肋片的形式。

其次是可以小换热过程中的热阻，热阻有三个方面，冷流体侧的换热热阻，热流体侧的换热热阻和管壁本身的换热热阻。换热器管壁本身的热阻跟换热器材料有关，流体侧的对流换热热阻的大小跟流体本身的流动形式有关。   

在常规流速下，制冷剂与水等流体通常呈现紊流状态，但通过引入螺旋流动强化机制可进一步优化换热性能。具体而言，在套管式换热器的内/外管壁增设螺旋肋片结构，通过以下机理实现传热强化：

流动扰动增强

螺旋肋片使流体产生周期性旋转运动，破坏层流边界层稳定性，湍流强度提升约30%-50% 。这种三维流动形态使近壁面流速梯度增大，有效降低对流换热热阻达40%-60%。

流动阻力优化

螺旋流道通过引导流体沿螺旋轨迹运动，相较于直管流动可减少15%-25%的压降损失 。其原理在于螺旋结构产生的离心力与浮力协同作用，平衡了流动阻力与传热强化需求。

传热面积扩展

螺旋肋片使有效换热面积增加1.5-2倍，同时表面曲率变化促进冷凝液膜动态更新，使膜状换热系数提升2-3倍 。实验数据显示，改造后整体传热系数可达光管的2.2-3.5倍。

典型改造方案包括：

① 内管内壁螺旋肋片：采用梯形截面短肋片，螺距与管径比控制在3-5，通过二次流增强近壁面扰动

② 内外管壁双面螺旋肋片：外壁肋片与内壁形成螺旋流道耦合，使冷热流体形成螺旋逆流，逆流强化系数可达1.8-2.3。该设计在保持相同换热量时，可使水泵能耗降低18%-25%，系统能效比提升12%-15%。

2.1 套管内管内壁采用螺旋肋片结构  

制冷套管换热器的外管内壁采用螺旋肋片结，可以使流体在流经管路的过程中加流程，从而加换热效率，同时由于流体在螺旋结的引下，以涡流形式流动加的在与壁面的对流换热过程中的扰动，使对流换热系数大大加，第三个方面，内壁的螺旋结加的换热面 ，加了换热量，如图4所示。

由式（5）可以得出，如果想低在传热过程中的热阻，有两种方法可以实现，其一就是通过加管长，可以低热阻；其二就是大圆管内径。换热器到自身间大小的限制，要加管长很难实现；大圆管内径势要少壁厚，壁厚低的情况下会低管路强度，因此，在这样的情况下，采用的唯一方法就是以在圆管内壁加肋壁的方式来加圆管内径。

在换热器表面一侧采用肋壁的形式来强化传热，是一种强换热器传热性能的有效方法，如图5所示。

如房间调器的蒸发器、冷凝器等都适用肋片来强化传热。肋片的形状有很多种，如片状、条状、柱形、齿形等等。套管换热器其内部加的肋壁，有流体通过的情况下，为了低阻力，其肋壁的形状宜采用圆角的形式，如图5所示，设肋和壁是同一种材料，热系数为λ，厚度为δ，肋壁的表面为F2 ，肋面温度为tw2，肋壁侧流体的温度为tf2 ，流体对肋壁 面的对流换热系数为h2，无肋侧光壁的表面为F1 ，肋面温度为tw1 ，肋壁侧流体的温度为tf1 ，流体对肋壁面的对流换热系数为h1 。

从公式（10）中可以出，通过对流换热进行热量传递时，可以有以下几种方法：

其一，扩大两种流体的温差，在制冷系统中，如果想扩大温差，在热流体温度不的情况下，只能低冷流体的温度。在制冷原理中，如果要低冷流体的温度，就需要低制冷循环的蒸发温度，低蒸发 温度会是制冷系统的能效比低，这是得不偿失的。

其二，少肋壁的厚度，这种情况会低换热器的强度。

其三，加F2 的面，这是通过加肋壁的形式来实现的，由于肋壁的表面F2 大于光壁的表面F1 ，这明，壁改为肋壁后会强传热。

在制冷调工程中，表面传热系数小的一侧的面大，是一种强传热的最广泛的方法。肋壁面的面F2与光面的面F1 的比值F2 /F1 为肋化系数，用αν 来表示。当h2（F2 /F1 ）的值接近于h1时，使再加F2 /F1 的值，不会有明显的强换热的效果。

2.2 内管外壁采用螺旋肋片结构   

在公式（10）中，如果以光壁的面为基准来计算传热 系数，则传热系数的公式可以写成如下形式：

从这个公式可以出，如果想强换热效果还可以加F1 的面，这就是在套管换热器中的内管的外壁加螺旋肋片结的理论基础。在对流换热过程中，传递的热流量与套管换热器内管外壁的面成正比，因此，我们在内管外壁上加螺旋肋片以加换热面，如图6所示。

在制冷设备换热器中，传热面通常采用金属薄壁结构，由于金属材料的高导热系数和薄壁设计的几何特性，其导热热阻可忽略不计。这种结构设计在保证机械强度的同时，通过减小壁厚显著降低热传导阻力，使总传热系数中壁面热阻占比不足5%，从而可忽略其对整体换热效率的影响。 传热系数可以写成如下公式：

在套管式换热器在进行对流换热过程中，为了强化在换热过程中的换热效率，对套管式换热器的内壁进行肋片化改造，并使这种肋片以螺旋形态在管壁内壁和外壁绕行。

这种方式可以使套管式换热器的换热效率得到大幅度的提，主要表现在以下几个方面：

1. 肋片化结构强化传热面积

通过在内/外管壁增设螺旋肋片，使有效换热面积增加1.5-2倍 。这种结构不仅通过二次流效应破坏速度边界层，还通过肋片表面曲率变化促进冷凝液膜动态更新，使膜状换热系数提升2-3倍。实验数据显示，肋片化改造可使总传热系数提升至光管的2.2-3.5倍。

2. 螺旋流动诱导湍流强化

螺旋肋片引导流体形成螺旋轨迹运动，产生Dean涡旋（涡旋强度与雷诺数平方成正比），其离心力与浮力协同作用使近壁面流速梯度增大30%-50% 。这种三维流动形态使努塞尔数（Nu）提升1.8-2.3倍，同时压降仅增加15%-25%，实现传热强化与流动阻力的优化平衡。

3. 异型壁面结构强度优化

采用错列梯形截面肋片替代传统光壁设计，在相同承压能力下，可使管壁厚度减薄20%-30% 。数值模拟表明，该结构使环向应力分布均匀性提升40%，疲劳寿命延长2-3倍。

4. 流动路径延长换热时间

螺旋流道使流体平均停留时间延长1.8-2.5倍（对比直管流动），通过延长传热推动力作用时间，使对数平均温差（LMTD）提升25%-35% 。实验数据显示，在相同换热量下，螺旋流道设计可减少30%的泵功耗。

5. 逆流布置提升传热推动力

逆流布置使冷热流体平均温差较顺流提升40%-60%（基于ε-NTU法计算），在相同传热系数下，可减少20%-30%的换热面积需求 。实际应用表明，逆流式套管换热器的能效比（COP）较顺流式提高15%-20%，特别适用于低温差工况（ΔT<10℃）的余热回收系统。

这些改进措施通过多物理场耦合优化（传热-流动-结构协同设计），使套管换热器在制冷系统中的综合性能显著提升。例如，某改造案例显示：采用螺旋肋片+逆流布置后，系统能效比（EER）从3.2提升至4.1.

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