基于R410A制冷劑的強(qiáng)化管管外冷凝換熱特性試驗(yàn)

□ 張愛鳳 □ 郭瑞恒 □ 李 蔚

1.青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 山東青島 266061

2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院 杭州 310027

1 研究背景

換熱器是廣泛應(yīng)用于石油化工、汽車、航空、動(dòng)力、醫(yī)藥、食品、冶金、輕工、工業(yè)機(jī)械等行業(yè)的一種通用設(shè)備［1］。作為能量傳遞的基礎(chǔ)設(shè)備，換熱器的內(nèi)部換熱主要有增大換熱面積和增強(qiáng)換熱系數(shù)兩種途徑。當(dāng)然，面積過(guò)大會(huì)增加成本，不符合設(shè)備緊湊型、輕便型的要求，因此從管程和殼程來(lái)考慮增強(qiáng)換熱系數(shù)，其中殼程換熱器的強(qiáng)化研究主要包括內(nèi)插件和強(qiáng)化管。R410A制冷劑是目前為止國(guó)際公認(rèn)最合適用來(lái)替代R22制冷劑的冷媒，并在歐美、日本等地得到普及，因此基于R410A對(duì)強(qiáng)化管管外冷凝換熱特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

要開發(fā)新型的高效強(qiáng)化管，需要對(duì)強(qiáng)化管進(jìn)行大量有效的試驗(yàn)研究［2］，獲得更加細(xì)致的試驗(yàn)分析，為換熱器的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。比如翅化面、異形表面和多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)等高效能傳熱面，不僅能增大換熱面積，而且能改善流體的流動(dòng)特性。此外，目前還存在納米材料、脈沖強(qiáng)化及場(chǎng)協(xié)同原理傳熱等新型傳熱方式［3］。

筆者所研究的三種強(qiáng)化管1EHT-1、1EHT-2和4LB表面都存在兩種強(qiáng)化方式，強(qiáng)化管由不規(guī)則球形凹坑陣列或規(guī)則矩形凹坑陣列組成，三者內(nèi)表面特征如圖1所示，其中凹坑的深淺是1EHT-1和1EHT-2強(qiáng)化管的主要區(qū)別。

這三種強(qiáng)化管區(qū)別于傳統(tǒng)只增大換熱面積的強(qiáng)化管，可稱為混合強(qiáng)化表面。除了面積的增大，流體流過(guò)凹坑陣列時(shí)還會(huì)引起附加渦流，造成邊界層分離或減薄邊界層［4］。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)三種強(qiáng)化管的強(qiáng)化換熱機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)于換熱器的設(shè)計(jì)開發(fā)具有參考價(jià)值。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置原理如圖2所示。整個(gè)試驗(yàn)裝置主要包括三個(gè)部分：① 制冷劑回路，包括測(cè)試段；② 與測(cè)試段進(jìn)行換熱的水回路；③與預(yù)熱段換熱的電加熱裝置，可使測(cè)試段進(jìn)口干度達(dá)到目標(biāo)值。

▲圖1 強(qiáng)化管內(nèi)表面特征

制冷劑回路有以下部件：冷凝器、儲(chǔ)液罐、數(shù)字齒輪泵、質(zhì)量流量計(jì)、窺視鏡及閥門。測(cè)試段是一個(gè)水平放置的逆流套管換熱器，長(zhǎng)度為2 m。制冷劑進(jìn)出口溫度由校準(zhǔn)誤差在0.1 K以內(nèi)的鉑電阻測(cè)量。測(cè)試段進(jìn)口的飽和壓力由壓力傳感器測(cè)量。測(cè)試段壓降由差壓變送器來(lái)測(cè)量。在數(shù)字齒輪泵和預(yù)熱段之間有質(zhì)量流量計(jì)，用來(lái)測(cè)量制冷劑的質(zhì)量流量，測(cè)出的是平均質(zhì)量流量，而不是每個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量流量，測(cè)量的壓降也是測(cè)試段的總壓降。制冷劑循環(huán)動(dòng)力由數(shù)字齒輪泵提供。

試驗(yàn)過(guò)程中，循環(huán)流程如下：在數(shù)字齒輪泵驅(qū)動(dòng)下，制冷劑從儲(chǔ)液罐被泵至預(yù)熱段，并經(jīng)水浴加熱至所需干度；隨后具有一定干度的制冷劑進(jìn)入試驗(yàn)段，即制冷劑入口；通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)段水浴的進(jìn)口溫度和流量，控制制冷劑的出口焓，從而控制出口干度；制冷劑最后經(jīng)過(guò)低溫恒溫槽，被冷凝、過(guò)冷，回到儲(chǔ)液罐中完成循環(huán)。

3 試驗(yàn)條件

三種強(qiáng)化管的外徑為9.52 mm，內(nèi)徑為8.32 mm，套管的外徑為14 mm，冷凝飽和溫度為318 K，熱流密度的變化范圍為10～30 W/m2，質(zhì)量流速在150～460 kg/（m2s）之間，進(jìn)出口干度分別為 0.8和 0.2。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

整個(gè)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集儀采集?？偀峤粨Q量由流過(guò)測(cè)試段套管換熱器的水的熱平衡決定：

式中：Q為總換熱量；mw為水流速；cw為平均比熱容；Tw，out與 Tw，in分別為出口和進(jìn)口水溫。

對(duì)數(shù)平均溫度TLMTD［5］由外套管的進(jìn)出口溫度及內(nèi)管的制冷劑飽和溫度決定：

▲圖2 試驗(yàn)裝置原理

式中：Tref，out與 Tref，in分別為試驗(yàn)段制冷劑的進(jìn)出口溫度。

假設(shè)沒有管側(cè)污垢熱阻，套管換熱器的總換熱系數(shù)可由下式計(jì)算：

式中：U0為測(cè)試段換熱器的總換熱系數(shù)；A0和Ai分別為制冷劑側(cè)和水側(cè)的換熱面積；d0和di分別為強(qiáng)化管的外徑和內(nèi)徑；h0為水的換熱系數(shù)；hi為管側(cè)制冷劑的換熱系數(shù)；K為水的導(dǎo)熱系數(shù)；L為測(cè)試管的長(zhǎng)度。

則強(qiáng)化管側(cè)制冷劑的換熱系數(shù)為：

水的換熱系數(shù)由 Gnielinski公式確定［6］：

式中：μbulk和μwall分別為流體中心溫度和壁面溫度對(duì)應(yīng)的流體黏度，Pa·s［7］，（μbulk/μwall）0.14修正了溫度對(duì)黏度的影響；kw為平均溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)；dh為外套管水力直徑；f為摩擦因數(shù)，f=（1.58lnRe-3.28）-2。

式（5）的適用范圍為 0.5≤Pr≤2 000，且 3 000≤Re≤5×106。

筆者試驗(yàn)用到的三種強(qiáng)化管為內(nèi)外表面增強(qiáng)管，所以式（5）需要乘以換熱因子c。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，1EHT-1、1EHT-2、4LB三種強(qiáng)化管的換熱因子依次為1.92、1.86、1.23。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 水平環(huán)形套管熱損失

圖3所示為水側(cè)換熱量和制冷劑側(cè)換熱量的對(duì)比。為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)的可靠性，需要分別計(jì)算水側(cè)和制冷劑側(cè)的換熱量，然后進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)中的制冷劑走管內(nèi)，水走管外，為了防止熱量散失，在整根套管外都包裹有聚氯乙烯管。數(shù)據(jù)表明兩者的熱損失在±3%以內(nèi)，符合試驗(yàn)精度要求。

▲圖3 換熱量對(duì)比

5.2 強(qiáng)化管冷凝換熱系數(shù)

如圖4所示，隨著質(zhì)量流速的加快，三種強(qiáng)化管與光滑管的冷凝換熱系數(shù)增大的趨勢(shì)逐漸明顯。當(dāng)質(zhì)量流速＞320 kg/（m2s）時(shí)，所有強(qiáng)化管和光滑管的變化趨勢(shì)非常明顯。1EHT-1強(qiáng)化管的換熱系數(shù)最大，1EHT-2和4LB強(qiáng)化管的變化范圍相近，光滑管的換熱性能最差。文獻(xiàn)［8］研究得到1EHT強(qiáng)化管在冷凝和蒸發(fā)工況下均有顯著的強(qiáng)化換熱性能，文獻(xiàn)［9］研究光滑管和1EHT強(qiáng)化管在不同制冷劑和不同質(zhì)量流速下的蒸發(fā)和冷凝換熱特性，確認(rèn)強(qiáng)化管的傳熱特性都優(yōu)于同等條件下的光滑管。

▲圖4 強(qiáng)化管冷凝換熱系數(shù)與質(zhì)量流速關(guān)系曲線

針對(duì)冷凝換熱系數(shù)的研究，文獻(xiàn)［10］基于R134a制冷劑，對(duì)三種不同規(guī)格的內(nèi)螺紋管進(jìn)行管內(nèi)冷凝和流動(dòng)阻力特性的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)與壓降均隨著質(zhì)量流速的加快而增大，且低流速下的增幅明顯小于高流速下的增幅，轉(zhuǎn)折點(diǎn)質(zhì)量流速為600 kg/（m2s）。同樣針對(duì)內(nèi)螺紋管，在保持冷卻水量不變的情況下，文獻(xiàn)［11］研究了R410A制冷劑在不同飽和溫度和不同管徑下的換熱情況，得出40℃時(shí)5 mm強(qiáng)化管的換熱系數(shù)最大，9.52 mm強(qiáng)化管的壓降最小，換熱系數(shù)與質(zhì)量流速的變化趨勢(shì)與筆者的研究結(jié)果一致。

產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果的主要原因是三種強(qiáng)化管表面不同形狀、不同深度的凹坑在增大面積的同時(shí)，也增強(qiáng)了邊界層分離，冷凝試驗(yàn)的進(jìn)口干度為0.8，出口干度為0.2，氣液混合狀態(tài)比只有液態(tài)存在時(shí)的換熱效果明顯。

5.3 強(qiáng)化管冷凝壓降損失

圖5所示為強(qiáng)化管管內(nèi)的壓降隨質(zhì)量流速的變化情況，1EHT-1強(qiáng)化管的壓降最大，4LB強(qiáng)化管次之，1EHT-2強(qiáng)化管的壓降與光滑管很接近。R410A為混合制冷劑，在兩相流態(tài)的穩(wěn)定性低于單相狀態(tài)，流體流過(guò)強(qiáng)化管時(shí)形成的液膜厚度增大，流動(dòng)過(guò)程的擾動(dòng)作用增強(qiáng)，使流體的阻力增大，R410A形成雙層液膜，在冷凝過(guò)程產(chǎn)生類似不凝性氣體的作用?？傮w而言，三種強(qiáng)化管的表面都進(jìn)行了強(qiáng)化，壓降損失都比光滑管大。

▲圖5 強(qiáng)化管冷凝壓降與質(zhì)量流速關(guān)系曲線

5.4 強(qiáng)化管強(qiáng)化倍率

定義在相同的質(zhì)量流速下，強(qiáng)化管側(cè)制冷劑換熱系數(shù)與光滑管側(cè)制冷劑換熱系數(shù)的比值為強(qiáng)化倍率β。 如圖 6 所示，在質(zhì)量流速 150～460 kg/（m2s）范圍內(nèi)，三種強(qiáng)化管的強(qiáng)化倍率范圍是1.01～1.23，管的粗糙表面產(chǎn)生了干擾和混合，在邊界層附近產(chǎn)生次級(jí)流。增大換熱面積，通過(guò)氣體的擾動(dòng)增強(qiáng)湍流，以及流體的分離等強(qiáng)化效果，導(dǎo)致對(duì)流過(guò)程中產(chǎn)生更大的換熱系數(shù)，換熱效果更好。

▲圖6 強(qiáng)化管強(qiáng)化倍率與質(zhì)量流速關(guān)系曲線

6 結(jié)論

針對(duì)R410A制冷劑在三種不同強(qiáng)化管內(nèi)的冷凝現(xiàn)象，通過(guò)試驗(yàn)主要研究制冷劑質(zhì)量流速改變時(shí)，管內(nèi)換熱系數(shù)和壓降的變化。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的熱損失而對(duì)比制冷劑側(cè)和水側(cè)的換熱量，計(jì)算表明兩者的熱損失在±3%以內(nèi)，符合試驗(yàn)的精度要求。

強(qiáng)化管內(nèi)R410A制冷劑冷凝換熱系數(shù)與質(zhì)量流速有關(guān)，并且隨質(zhì)量流速的加快而增大，其中1EHT-1強(qiáng)化管的換熱系數(shù)最大，1EHT-2和4LB強(qiáng)化管的變化范圍相近，但是都表現(xiàn)出比光滑管更優(yōu)異的換熱性能。

隨著質(zhì)量流速的加快，所有強(qiáng)化管的壓降都變大。壓降的變化與制冷劑的種類及強(qiáng)化管的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。1EHT-1強(qiáng)化管的壓降變化最明顯，1EHT-2和4LB強(qiáng)化管與光滑管的壓降損失接近。

將強(qiáng)化管與光滑管的換熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出三種強(qiáng)化管的強(qiáng)化倍率范圍是1.01～1.23。