热泵系统换热器的设计计算示例

制冷剂与空气之间通过换热器进行的对流传热过程。假设热流体为制冷剂冷流体为空气，最终的效果是制冷剂将热量传递给了空气，其经历的具体过程是：制冷剂首先以热对流的形式将热量传给换热器内壁；换热器壁面以热传导的形式将热量由内壁传递到外表面；换热器外表面以热对流的形式将热量传给冷 空气。整体传热量的计算公式为：
Q=AU△t
Q 为传递的热量，A 为换热面积，m2 ；U 为对流换热系数，W/(m2 .℃)；△t 为 平均传热温差，℃；其中△t 的计算方法为：
式中：△tmax 换热器两端冷、热流体间温差的最大值；

△tmin—换热器两端冷、热流体间温差的最小值。当△tmax/△tmin≤2 时，可以采用算术平均温差，即：

由于空气侧的对流换热系数相对较小，一般会在换热器空气侧的管壁上加装各 种类型的翅片，这样间接增大了换热器空气侧的换热面积，从而保证了换热效果。 空气侧加装翅片常见的类型有环形翅片、L 型翅片、板式翅片等，不同翅片类型的换热器其换热系数和换热面积是不同的，在计算上要区别开来。通过实验测试比较不同风速范围内平翅片和波纹型翅片换热器的换热性能，结果显示波纹型翅片的换热性能较优，同时其对空气的流通阻力也较大。据此现象得出的分析是加装了波纹形翅片的换热器对空气的扰动性较强，空气以较高的湍流强度经过翅片间隙，这一效果增强了空气与换热器之间的换热强度，与此同时这一过程也增大了空气与翅片间的阻力系数，使得流通空气的静压增大。如下图所示，热泵烘干设备上的换热器主要采用的波纹型板式翅片，本文在后续冷凝器、蒸发器的设计计算中选用外部翅片是人字波纹翅片。
本文所设计的冷凝器和蒸发器的翅片均为人字形波纹翅片，根据经验值，冷凝器的对流换热系数取 30W/(m2 ·℃)；蒸发器的对流换热系数取 35W/(m2 ·℃)；回热器根据所需空气状态的需求计算出热交换功率的大小，以此来进行选型。以下是详细计算选型过程：

假设单组热泵模块中的平均制热量为 43.6kW，平均输入功率为 10.54kW，则单组模块中冷凝器的散热量 Q 冷凝=43.6kW，蒸发器的吸热量为：

Q蒸发=43.6−10.54 = 33.1 kW

单组模块中冷凝器的散热量 Q 冷凝=43.6kW，对流换热系数 U 取30W/(m2 ·℃)， 由上图可知，空气进冷凝器的温度为 65℃，出冷凝器的温度为 75℃。根据 Cool Pack 软件的模拟结果，制冷剂的进口温度取 94.8℃，出口温度为 78℃，则：

乘以安全系数 1.1，以保证换热效果，则单个模块中冷凝器的换热面积为：

A 冷凝 =125×1.1≈137m2

单根基管长度定为 75cm，基管采用正三角形叉排，水平管间距 2.54cm，竖直管间距 2.2cm，在单块冷凝器中基管一共 3 排 39 列，翅片选择人字形波纹翅片，翅片间距 1.8mm。
 单个模块中冷凝器的数量为 2 块，单块冷凝器的换热面积为 64.24m2，换热量为 23.43kW，单个模块中冷凝器总换热量为 23.43×2= 46.86KW＞43.6kW。满足使用要求，最终设计结果如下表所示。
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蒸发器设计计算

单个模块中，蒸发器的换热量 33.1kW，传热系数 U 取 35W/（m2 ·℃），根据  Cool Pack 软件的模拟结果，制冷剂进蒸发器的温度取 30℃，出蒸发器度35℃，空气流入蒸发器的温度为 44.5℃，流出蒸发器的温度为 42.8℃，则：
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乘以安全系数 1.1，以保证换热效果，则单个模块中冷凝器的换热面积为：

A蒸发 = 88×1.1= 97m2

蒸发器处有冷凝水析出时，其换热系数是增大的，但是在干燥后期物料跑水逐渐减少，空气湿度不断降低，在蒸发器处的冷凝水量是逐渐减少的，为了保证热泵 系统能够适应不同工况，在此处换热系数仍选择 35W/（m2 ·℃），换热面积取 92m2。
回热器/热管设计计算

在闭式循环热泵干燥机组的冷凝器与蒸发器之间增设回热器，回热器的壁面温度介于冷凝器表面温度与蒸发器表面温度之间，这样的设计可以使空气在进入蒸发器之前得到预冷，在进入冷凝器之前得到预热，使空气的热力状态得到大范围调节；回热循环结构的设计，使蒸发器的制冷量更多地用于实现湿空气的冷凝除湿，有助于提高系统的单位能耗除湿量。
回热器（板式热交换芯）也是换热器的一种，用来辅助进行空气状态的调节，增强了闭式热泵干燥系统的除湿能力。冷、热空气分别流过互不相通的空气流路，在温差的作用下，两股气流通过导热平板以热对流的形式进行热量交换，从而达到能量回收的目的。独立的垂直流道设计，使得两股气流只进行能量交换，避免了任何气味和水分的传递。

由之前的分析可知，冷热空气进出回热器的状态分别为：热空气进回热器的焓值为 222.6kJ/kg，出回热器的焓值为 198.2kJ/kg；冷空气进回热器的焓值为 189.7 kJ/kg，出回热器的焓值为 214.5kJ/kg。

则热空气的焓减△h-值为：

由此可见，两股空气流经回热器处变化的焓值约为 25kJ/kg，由 3.3 节可知，整个烘房内部干空气的质量流速为 15.68kg/s，由于热泵部分由四个模块组成，则每个模块中的干空气质量流速为：

15.68÷4= 3.92 kg/s

则单个热泵系统模块中回热器的换热功率 Q 为：

Q=25×3.92=98 kW

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