109塑料空气换热设备的性能研究

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、易加工成型、清洗方便等优点，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[1]。

室内的蒸发器容易集聚灰尘、污垢和细菌[2]，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[3]。

污垢和腐蚀，使得设备性能恶化、甚至失效，造成很大的损失[4]。

因此，要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[5]。

塑料材料具有良好的耐腐蚀性能，表面光滑不吸附污垢、抗污塞性能好[6～7]，在化工、船舶、近海的换热设备中由较多实际应用。

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、热阻较大，如果再加上由于塑料材料热导率低引起的热阻，换热器的性能会很差，这正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)⋅[8]，本文计算分析了材料导热能力对换热器性能的影响，对比了铜和导热塑料制作的肋片管换热器的性能。

之后，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提供了一定参考。

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算，即 ,,i i m w p w w a p a a K A t m c t m c t Φ=⋅⋅∆=⋅⋅∆=⋅⋅∆ (1)总传热系数i K 的倒数是总热阻R ∑[9]， 123451111(ln )211ln 2i o o i i i i i i o o oi o o i i i o r d r R A K h A A L d A h A d d r r R R R R R h d h πληηλβηβη==++++=++++=++++∑(2)总热阻由5部分热阻构成，分别是管内对流换热热阻1R 、管内污垢热阻2R 、管壁导热热阻3R 、管外污垢热阻4R 和管外对流换热热阻5R 。

各热阻计算方法见文献[9～11]，其中污垢形成的机理较为复杂，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由于换热器材料热导率不同而引起的性能差异，在下面的分析过程中，假设金属换热器和塑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[11]，但主要以塑料的加工性能来确定[12]。

为便于分析，取肋片管沿水管方向的长度L 为1m 。

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。

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（单位：mm ）（2）污垢热阻的设定根据文献[10～11]，金属换热器的管内污垢热阻i r 为5×10-4 2(m K)/W ⋅，管外污垢热阻o r 设为8.6×10-5 2(m K)/W ⋅。

塑料表面能低，不容易结垢[6～7]，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λ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 。

由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)⋅[8]以上，塑料换热器换热量曲线在热导率大于100W/(m K)⋅之后用虚线表示。

λ (W/m·K)Φl (W /m )λ(W/m·K)Φ λ /Φ λ=400λ(W/m·K)Φ λ /Φ λ=400图3 换热器的换热量随热导率的变化曲线（a ）完整曲线 （b ）局部放大 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 K)⋅[10]，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体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)⋅[13],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。

改性塑料的热导率可达到20W/(m K)⋅，当忽略塑料换热器的热阻时，热导率为20W/(m K)⋅的塑料换热器的换热量已经略大于有污垢热阻的纯铜换热器的换热量，如图4（b ）所示。

3.3 换热器性能比较的讨论在前面的分析中，换热器换热量与热导率与之间的关系曲线在起始阶段斜率很大，热导率到达一定数值后，斜率减小，之后很快斜率趋于零。

这种现象可以从传热过程的热阻来分析和理解。

图5是各热阻值随热导率的变化曲线（对数纵坐标）。

在热导率较小时，导热热阻3R 、管外污垢热阻4R ' 15o w t C =冷却水：'35o a t C =空气：2m/sa u =1m/sw u =L256a =256b =10i d =14o d =128s =228s =0.8f δ=2f s =和管外对流换热热阻5R 都随热导率增大而减小，且变化较为明显，热阻减小使得传热量显著增大；热导率继续增大，3R 继续减小，4R 和5R 稍稍减小，热阻减小使得传热量增大，但增加幅度减小；热导率增大使得3R 继续减小，4R 和5R 几乎不变，由于管外对流换热热阻R 变，从而传热量几乎不变。

在导热系数达到一定数值之后，制约肋片管换热器换热能力的主要因素是管外对流换热的能力，此时提高热导率对增强换热几乎没有效果，只有降低总热阻中比例最大的管外对流换热热阻才行，这也是传热强化领域的基本观点。

当换热器一侧流体为换热性能较差的气体介质时，换热器材料热导率对换热效果的影响存在一个阈值区域：10～20W/(m K)⋅，高于这个区域，提高热导率对于增强传热作用很小。

但是，在热导率小于这个阈值区域时，由于传热量随热导率显著变化，必须警惕热导率偏小而导致的传热恶化。

4 塑料换热器的讨论这里对塑料换热器本身做进一步的分析，为尺寸优化和性价比分析提供依据。

本文中，参考学者杨杰辉等[7]的工作，定义“单位传热量所消耗的肋片管材料的体积”ψ，目标函数反映了换热器的性价比，i i mV VK A t ψ==Φ⋅⋅∆ (3)4.1肋片高度的影响图6（a ）给出了ψ随肋片边长a 的关系曲线。

对于不同的热导率，a 有最优值使得ψ取最小值。

最优值随热导率的增大而增大。

这与文献[7]中图5的结论是一致的。

图6（b ）分析了图6（a ）中曲线趋势变化的原因。

图6（b ）同时给出了换热器的换热量、体积随肋片边长a 的关系曲线。

可以看到，换热量Φ和体积V 都随着a 增大而增大，换热量Φ随a 的增大率（曲线斜率）逐渐减小，而体积V 随a 增大率逐渐增大。

正是不同的增加率使得两者相除后所得到的ψ曲线出现了极值。

这说明，肋片不应过高，否则材料增加所带来的换热效果的增强比不上材料费用的增加。

a /mmψx 106/(m 3/W )a /mmΦ / (W /m )V x 104/(m 3/m )(a)(b)图6 肋片高度对换热器换热性能、材料成本的影响4.2 肋片厚度图7（a ）给出了ψ随肋片厚度f δ的关系曲线。

图7（b ）同时给出了换热器换热量和换热器体积随肋片厚度f δ的关系曲线。

可以看到，换热量Φ随f δ增大而减小，这是因为肋片厚度增加之后热阻变大；体积V 都随着f δ增大而增大。

两者相除后所得到的ψ曲线随着f δ增大而增大。

这说明，肋片应尽量薄，但是塑料材料肋片厚度受到塑料成型工艺和塑料力学性质的限制，一般很难小于0.5mm 。

δf /mmψx 106/(m 3/W )δf /mmΦ / (W /m )V x 104 /(m 3/m )（a ）（b ）图7 肋片厚度对换热器换热性能、材料成本的影响5 结论及展望1 塑料材料具有优良的防腐蚀、抗结垢性能，采用塑料材料制作肋片管换热器，可以有效解决金属肋片管换热器中的积灰、结垢和腐蚀的问题。

2 对比分析几何尺寸相同的塑料和金属肋片管换热器，考虑塑料的抗灰、抗垢特性，忽略塑料换热器的污垢热阻。

发现当塑料材料的热导率达到20W/(m K)⋅时，塑料换热器的换热性能可以略好于纯铜换热器的换热性能。

3 就塑料肋片管换热器本身，分析了肋片高度、厚度对换热性能、换热器所需材料的影响，得到了优化换热器几何参数的方法。

在实际设计换热器时，还应考虑加工成型等因素对尺寸的限制。

4 塑料材料质量轻、具有优越的加工成型性能，在使用中清洗方便。

随着塑料导热性能的提高以及加工工艺水平的发展，导热塑料换热器在暖通空调领域的有较为广泛的应用前景。

符号表：字母：K --传热系数，W/(m 2K)A --面积，2mm --质量流量，kg/sp c --比热，kJ/(kg K)⋅m t ∆--对数平均温差, K h --对流传热系数，2W/(m K)⋅r --污垢热阻，2(m K)/W ⋅d --管径，mη--比例系数下标：a ：空气 w ：水 i ：肋片管内表面 o ：肋片管外表面参考文献：1 彦启森. 空气调节用制冷技术. 2版 北京: 中国建筑工业出版社, 19852 李纪亮. 新型高效空调铝翅片清洗剂的研制. 洗净技术, 2004,2 (6):23-283 余存烨. 铝翅片冷换设备化学清洗剂分析. 化学清洗, 1999, 15(2):12-164 葛红花, 汪洋, 周国定, 李新学. 普及金属腐蚀与防护知识重要性的研究. 上海电力学院学报，2007, 23(1):61-655 喻冬秀,皮丕辉,文秀芳,程江,杨卓如. 常温高效铝翅片清洗剂的研制. 精细化工, 2003,20(2):126-1286 李士贤. 聚丙稀塑料换热器. 化工进展,1985,6:29-317杨杰辉,周大纲,马剑文. 新型导热塑料翅片管的研究. 流体机械, 1987,09期:52-56, 63 8新型散热材料——导热塑料. 现代制造, 2002, 119钱颂文. 换热器设计手册. 北京: 化学工业出版社, 200210杨世铭, 陶文铨. 传热学. 3版 北京: 高等教育出版社, 199811马义伟. 风冷器设计与应用. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1998.12 Dominick V . Rosato. Plastics processing data handbook. 2nd ed. New York : Chapman & Hall, 1997 13肖琰, 魏伯荣, 杨海涛, 闫刚. 导热高分子材料的研究开发现状,中国塑料, 2005, 19(4): 12-16。