冷凝器是一种热交换器,制冷剂蒸气的热量通过冷凝器的传热表面传给周围介质(空气或水),制冷剂蒸气放出热量的同时被冷凝成为液体。
冷凝器内制冷剂与水或空气进行热交换时,存在着一连串的热阻,首先是蒸气与生成的(凝结)液体交界面上的热阻;其次是这一液膜和管子的金属壁连同沉积在管子内外两面上的污垢的热阻,最后是管壁和冷却介质边上的热阻。
冷凝器的传热强度取决于这些热阻,现在我们来分析这些与传热强度有关的因素。
(1)凝结的形式。凝结的形式分为两种:膜状凝结与珠状凝结。在膜状凝结时,液体在凝器管壁表面上形成一层完整液膜,这种现象当纯净的蒸气在洁净的表面上凝结时能观察至此时形成的冷凝液体必能很好地润湿表面,而成膜层。
珠状凝结时,液体在壁上积聚成个别的单独的液滴,珠状凝结只有在冷凝液体不能润湿冷却表面时才能发生。此种凝结形成可用人工的方法,在蒸气中添加或在表面上涂以难受润湿的物质来得到,如油,珠状凝结的放热系数比膜状凝结的大。
实际上,在多数情况下热交换器均为膜状凝结。此外,在某些设备中也可能出现的是两的混合冷凝。
(2)蒸气的流速和流向。当冷凝液膜的流动与气流方向一致时,使冷凝液能迅速地流传热面,因而放热系数增加。
当制冷剂气流是从下向上流动,与冷凝液膜的流向相反时,或当蒸气流速较小时,液膜厚时,a值均降低,而当流速增大,液膜破坏时,a值升高。
(3)蒸气中含有不凝结气体的影响。当蒸气中含有空气或其他不凝性气体时,蒸气的凝结放热系数就会显著地削弱。因为只有蒸气本身才凝结在冷壁上,空气(不凝性气体)仍将保持气体状态。当没有对流时,空气逐渐积聚在壁面附近,从而使蒸气流向壁面遭到很大阻碍。
根据道尔顿定律,混合气体的总压为Po等于蒸气的分压力Pn和不凝性气体或空气的压力Pb之和,即Po=Pb+Pn由于蒸气凝结的结果,靠近壁面处的Pn要比其他地方的Pn小。所以向壁面方向Pn将连续降低,而且越接近壁面降低越快,不凝性气体的分压力Pb却相反,越接近壁面则越高。由此可见靠近壁面处的不凝性气体浓度比较大,如把它看成为一种不凝性气体层,那么蒸气分子只能依靠扩散作用来透过该特殊层。
不凝性气体存在.使冷凝器中的压力升高,引起压缩机耗功增加,并使运转条件变坏。空气及不凝性气体存在于制冷设备的原因是:制冷机在真空下运转,空气透过法兰及压缩机的轴封装置而进入,装配和修理后空气留存于各部分;加氨时空气进入制冷系统内;也有可能是氨气的分解((2NH₃→N₂ +3H₂)而产生不凝性气体。
为了消除含有空气所引起的缺点,必须利用专门的设备—空气分离器来经常地排除系统中的不凝性气体。
(4)冷凝器的结构。冷凝器的结构是否有利于传热和流体的畅通,将对冷凝效果产生很大影响。臂如横放单管的冷凝放热系数大大高于竖管的形式。但是当横管结集组合为一组管簇时,其放热系数则低于竖管形式,这是因为横组合管道的冷凝液体流到下面管内而形成较厚的膜层。所以不论哪种结构的冷凝器,必须保证管壁的清洁和冷凝下来的液体迅速导出去。
(5)冷却水侧或空气侧的流速。空气或冷却水的流速对该侧的放热系数有很大影响。随着流速的增加放热系数也提高,但流速又不宜太快,因为过快的流速会使流动阻力增加(设备中),从而增大动力消耗,据技术经济分析:冷凝器的冷却水流速一般取0.8~1. 2m/s;空气流速一般为2~4m/s。
(6)传热表面的油污和水垢。在冷凝器中表面沉有哪怕是少量的油污,也会显著地降低放热系数;若在传热表面沉积了水垢,会急剧地降低传热效率。因此要保持冷凝器管道内外表面的清洁,以提高冷凝效果。