光管與內螺紋銅管蒸發(fā)換熱系數與壓力損失實驗研究

郭培禎

摘 要：文章針對同管徑的外徑7mm的光面銅管和內螺紋銅管，在空調工況下進行了流動換熱實驗研究。實驗選用的制冷工質為新型環(huán)保制冷劑R410A。實驗的工況條件為：制冷工質蒸發(fā)飽和溫度為6℃±0.2℃，蒸發(fā)段入口處制冷工質干度為25%，蒸發(fā)段出口處制冷工質過熱度為8℃±0.2℃。質量流速為200kg/m2.s～550kg/m2.s。文章基于實驗結果，比較了不同外徑內螺紋管的平均蒸發(fā)與冷凝換熱系數和壓降，為新產品設計提供了參考數據。

關鍵詞：光管;內螺紋銅管;換熱系數;壓力損失

中圖分類號：TB65 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）05-005-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.003

隨著社會經濟的發(fā)展，工業(yè)發(fā)展和居民生活對能源的需求一直都在提高，人們不斷尋找替代能源的同時，也在努力發(fā)展科學技術，不斷提高能源的利用效率。研發(fā)人員都在探索不同的換熱結構以提高能源利用效率，這也被證明是提高能源利用效率的重要手段之一，屬于強化傳熱范疇。該研究中，針對Φ7mm的光管和內螺紋銅管，應用冷媒R410A進行了平均蒸發(fā)和壓力損失的實驗研究，以為新管型的研發(fā)提供參考。

1 實驗研究

1.1 實驗臺組成

該實驗臺是壓縮制冷循環(huán)實驗臺，包括三個部分：制冷劑回路、水回路及數據采集系統(tǒng)。

在換熱方式上采用套管式，即制冷劑在實驗管內部流動，冷卻水在外側環(huán)形水套中流動，二者逆向流動換熱。

1.2 數據處理

文章采用威爾遜熱阻分離法[1]獲得整個實驗管內的平均對流換熱系數，不需要直接測量制冷劑的溫度，而是通過熱阻分離間接計算一定工況條件下，制冷劑的平均對流換熱系數。

文章所用水和制冷劑的物性均由Refprop軟件直接調用獲得。

1.2.1 傳熱系數的計算

式中：

K-測試管的傳熱系數，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

?t-對數平均溫差，單位為開爾文（K）;

Q-總換熱量單位為瓦（W）;當熱平衡誤差在5%以內時，Q=（Qw+Qr）/2;

Qw=cp*M*|tin-tout|，其中cp為水的定壓比熱。

當水溫在0～230℃時，cp=4.179×103+7.9×10-5×（t-10）2.9。

Qr=m?h，其中，m為冷媒的流量，?h為冷媒的進出口焓差，可從NIST物性表查詢。

1.2.2 水側換熱系數的計算

式中：

hw-水側的換熱系數，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

d-當量直徑，單位為米（m）;

λt-某溫度下水的導熱系數，單位為瓦每米開爾文（W/（m2·K））;可從NIST物性表查詢;

Re-雷諾數;無綱量數。

Pr-普朗特數;無綱量數。

n-冷凝時n=0.4，蒸發(fā)時n=0.3，試驗時需保證Re≥10 000。

1.2.3 管內壁面表面換熱系數的計算

式中：

h-測試管的管內壁面表面換熱系數，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

Dwi-水套內徑，單位為米（m）;

Dro-測試管的外徑，單位為米（m）;

λt=398，單位為瓦每米開爾文（W/（m2·K））。

1.2.4 Re數

實驗過程中，要保證Re>10 000，紊流狀態(tài)，可通過調節(jié)水的流量來滿足。為了保證實驗結果，實驗要求工況穩(wěn)定，并保證合適的雷諾數和熱平衡系數。

Dw為冷凝水套當量內徑，可由水套內徑Dwi，內螺紋管外徑Dro計算得到。Vw為水的體積流量，由質量流量計測得。Acw為冷凝水側通流面積，Vw為水的動力粘度，由R410A物性參數得到。式中，tw為定性溫度。twi，two為水出入口水的溫度。

1.2.5 熱平衡系數計算

理論上講，熱平衡系數應為0，即冷凝水側和制冷劑制冷劑側的換熱量相等，但是由于熱損失及其他可能引起誤差的因素存在，熱平衡系數不為0。

為了保證實驗數據的準確性，需要對熱平衡系數進行計算。根據換熱器的設計標準，可供使用的實驗數據，必須保證熱平衡誤差在±5%以內。只有滿足熱平衡誤差在±5%內的數據，才會被采集并用于計算。

如下列公式所示，Qr為制冷劑側換熱量，通過制冷劑出、入口比焓hro，hri可以計算得到。比焓可以由進、出口的溫度、壓力數據，通過Refprop軟件直接調用。Qw為水側的換熱量，可以通過電磁流量計測得水的質量流量Gr，再測得進、出口水溫twi，two，即可計算并獲得熱平衡系數HB。

2 管內平均換熱系數分析

圖1分別為光管和內螺紋銅管的平均蒸發(fā)換熱系數與制冷劑工質質量流速之間的關系，以及管內壓力損失與制冷劑工質質量流速之間的關系。從圖中可以看出，光管和內螺紋管，隨著制冷劑工質質量流速的增大，工質側平均蒸發(fā)換熱系數均增大。隨著工質質量流速的增加，蒸發(fā)段阻力損失均有所增加。

3 實驗結果的不確定度評定

在該實驗臺的參數測量中，主要包括以下四個方面：溫度、壓力、壓降及流量。其中，溫度測量包括冷凝劑制冷劑進出口溫度和冷凝水進出口溫度，壓力測量包括制冷劑工及進口壓力及進出口壓差，流量測量包括制冷劑流量測量和冷凝水流量測量。水側和冷媒側的換熱量偏差≤5%時，才被認為是合格有效數據。

文章實驗參數中的溫度、壓力和水側及冷媒側的流量參數是實測得到，總換熱量和總換熱系數是通過以上參數計算得出。管外換熱系數和管壁熱阻是通過國際公認的經驗公式計算得出，因此文章僅對一組冷凝實驗的總換熱量和綜合換熱系數，進行B類不確定度評定。以水側換熱量為例，計算結果可知，總傳熱系數的相對不確定度為2.8%。

4 結語

通過對光管和內螺紋銅管的蒸發(fā)換熱實驗數據分析，可以得出以下結論：

對于工質R410A，光管和內螺紋管的蒸發(fā)換熱系數隨質量流速的增大而增加。

對于工質R410A，光管和內螺紋管的蒸發(fā)壓力損失隨質量流速的增大而增加。

同樣的質量流速下，內螺紋管的蒸發(fā)換熱系數約為光管的2～3倍。

同樣的質量流速下，壓力損失在230kg/m2·s時交叉。大流速時，內螺紋管的壓力損失明顯大于光管，約3倍左右。

參考文獻

[1] Wellsandt S，Vamling L.Evaporation of R407C and R410A in a horizontal herringbone microfin tube：heat transfer and pressure drop[J].International journal of refrigeration，2005，28（6）：901-911.