異型內(nèi)螺紋管與常規(guī)內(nèi)螺紋管換熱及壓降性能的實(shí)驗(yàn)研究

張繼軒

摘 要：文章針對一種異型內(nèi)螺紋管型和一種常規(guī)內(nèi)螺紋管，在空調(diào)工況下開展流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究，以獲得平均冷凝換熱系數(shù)和壓降性能。實(shí)驗(yàn)選用的制冷工質(zhì)為新型環(huán)保制冷劑R410A。實(shí)驗(yàn)的工況條件為：制冷工質(zhì)蒸發(fā)飽和溫度為6℃±0.2℃，蒸發(fā)段入口處制冷工質(zhì)干度為25%，蒸發(fā)段出口處制冷工質(zhì)過熱度為8℃±0.2℃。制冷工質(zhì)冷凝飽和溫度為45℃±0.2℃，冷凝段入口處制冷工質(zhì)過熱度為20℃±0.5℃，冷凝段出口處制冷工質(zhì)過冷度為5℃±0.2℃。質(zhì)量流速為250kg/m2·s～450kg/m2·s。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文章比較了異型內(nèi)螺紋管與常規(guī)內(nèi)螺紋管的平均蒸發(fā)與冷凝換熱系數(shù)和壓降，并獲得一些結(jié)論。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā);冷凝;內(nèi)螺紋管;強(qiáng)化傳熱

中圖分類號(hào)：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）05-011-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.006

能源的儲(chǔ)量日益減少，工業(yè)發(fā)展和居民生活對能源的需求卻一直在提高，人們不斷尋找替代能源的同時(shí)，也在努力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(qiáng)化傳熱的范疇。本研究中，針對同為外徑7.00mm的一種異型內(nèi)螺紋管與一種常規(guī)內(nèi)螺紋管，實(shí)拍圖片如圖1所示。應(yīng)用冷媒R410A進(jìn)行了平均蒸發(fā)和冷凝換熱系數(shù)和壓降性能的實(shí)驗(yàn)研究，為新管型的研發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)是壓縮制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括三個(gè)部分：制冷劑回路、水回路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在換熱方式上采用套管式，即制冷劑在實(shí)驗(yàn)管內(nèi)部流動(dòng)，冷卻水在外側(cè)環(huán)形水套中流動(dòng)，二者逆向流動(dòng)換熱，以下分三部分介紹實(shí)驗(yàn)裝置。

1.2 制冷劑回路

實(shí)驗(yàn)裝置采用壓縮制冷系統(tǒng)，即高溫高壓的制冷劑蒸汽從變頻壓縮機(jī)排氣口排出，之后通過油分離器分離，然后經(jīng)過預(yù)熱器被加熱到一定的溫度，隨后進(jìn)入冷凝實(shí)驗(yàn)段，通過與外側(cè)水套中的冷凝水換熱而冷凝，之后過冷液進(jìn)入儲(chǔ)液罐;從儲(chǔ)液罐出來的制冷劑通過干燥過濾器，隨后進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)，此處可以測得制冷劑流量。然后進(jìn)入電子膨脹閥，氣液兩相的制冷劑隨后進(jìn)入蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)段，通過與管外水套蒸發(fā)進(jìn)行換熱，成為具有一定過熱度的蒸汽，之后過熱蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)完成制冷劑循環(huán)。

1.3 水回路

實(shí)驗(yàn)裝置的水回路包括冷凝水回路和蒸發(fā)水回路。兩個(gè)水回路均包括恒溫水浴、水泵、電磁流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、實(shí)驗(yàn)段水套及連接管路等。實(shí)驗(yàn)段水回路循環(huán)過程：水從水泵泵出后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段水套與實(shí)驗(yàn)管中的制冷劑換熱，回路上接有電磁流量計(jì)可測得水流量。恒溫水浴由水箱外接壓縮機(jī)與板式換熱器，與空氣進(jìn)行換熱維持。

在文章開展的實(shí)驗(yàn)研究中，需要采集介質(zhì)的溫度、壓力、壓力損失及流量等四個(gè)方面的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用的溫度傳感器均為高精度PT100鉑電阻。溫度傳感器的安裝采用鎧裝方式，便于拆卸。分別使用德國科隆的質(zhì)量流量計(jì)和日本橫河的電磁流量計(jì)來測量制冷劑工質(zhì)和冷凝水的流量，所有使用的流量計(jì)誤差均在0.2%以內(nèi)，壓力傳感器誤差均在0.25%以內(nèi)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用國外進(jìn)口的安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以記錄到小數(shù)點(diǎn)后三位。

制冷劑回路中的參數(shù)測量，主要是針對制冷劑各量的測量，用來計(jì)算制冷劑的平均換熱系數(shù)及壓降數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)管進(jìn)出口處布置溫度傳感器，測得制冷劑進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管道及流出實(shí)驗(yàn)管道的溫度。實(shí)驗(yàn)管道入口處布置壓力傳感器，測得制冷劑進(jìn)口壓力。進(jìn)出口處布置壓差傳感器，測得制冷劑前后的壓差。制冷劑流出實(shí)驗(yàn)管道后流過高精度的質(zhì)量流量計(jì)測得流量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

文章采用威爾遜熱阻分離法[1]獲得整個(gè)實(shí)驗(yàn)管內(nèi)的平均對流換熱系數(shù)，不需要直接測量制冷劑的溫度，而是通過熱阻分離來間接計(jì)算一定工況條件下，制冷劑的平均對流換熱系數(shù)。

文章所用水和制冷劑的物性，均由Refprop軟件直接調(diào)用獲得。

1.4.1 傳熱系數(shù)的計(jì)算

式中：

K-測試管的傳熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

?t-對數(shù)平均溫差，單位為開爾文（K）;

Q-總換熱量單位為瓦（W）;當(dāng)熱平衡誤差在5%以內(nèi)時(shí)，Q=（Qw+Qr）/2，Qw=cp*M*|tin-tout|，其中cp為水的定壓比熱。

當(dāng)水溫在0～230℃時(shí)，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(jìn)出口焓差，可從NIST物性表查詢。

1.4.2 水側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算

式中：

hw-水側(cè)的換熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

d-當(dāng)量直徑，單位為米（m）;

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

Re-雷諾數(shù);無綱量數(shù)。

Pr-普朗特?cái)?shù);無綱量數(shù)。

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

1.4.3 管內(nèi)壁面表面換熱系數(shù)的計(jì)算

式中：

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

Dwi-水套內(nèi)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））。

1.4.4 Re數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中，要保證Re>10 000，紊流狀態(tài)，可通過調(diào)節(jié)水的流量來滿足。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)要求工況穩(wěn)定，并保證合適的雷諾數(shù)和熱平衡系數(shù)。

Dw為冷凝水套當(dāng)量內(nèi)徑，可由水套內(nèi)徑Dwi，內(nèi)螺紋管外徑Dro計(jì)算得到。Vw為水的體積流量，由質(zhì)量流量計(jì)測得。Acw為冷凝水側(cè)通流面積，Vw為水的動(dòng)力粘度，由R410A物性參數(shù)得到。式中tw為定性溫度。twi，two為水出入口水的溫度。

1.4.5 熱平衡系數(shù)的計(jì)算

理論上講，熱平衡系數(shù)應(yīng)為0，即冷凝水側(cè)和制冷劑制冷劑側(cè)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(shù)不為0。

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對熱平衡系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)換熱器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可供使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須保證熱平衡誤差在±5%以內(nèi)。只有滿足熱平衡誤差在±5%內(nèi)的數(shù)據(jù)，才會(huì)被采集并用于計(jì)算。

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 管內(nèi)平均換熱系數(shù)分析

圖2分別是兩組內(nèi)螺紋管的平均蒸發(fā)換熱系數(shù)與制冷劑工質(zhì)質(zhì)量流速之間的關(guān)系，內(nèi)螺紋管冷凝換熱系數(shù)與制冷劑工質(zhì)質(zhì)量流速之間的關(guān)系。從圖中可以看出，對于兩種內(nèi)螺紋管，隨著制冷劑工質(zhì)質(zhì)量流速的增大，工質(zhì)側(cè)平均蒸發(fā)換熱系數(shù)和平均冷凝換熱系數(shù)都增大。從圖中可以得知，在制冷劑質(zhì)量流速250kg/m2·s～450kg/m2·s范圍內(nèi)，質(zhì)量流速相同時(shí)，異型齒的平均蒸發(fā)和冷凝換熱系數(shù)均高于常規(guī)齒，蒸發(fā)管內(nèi)換熱系數(shù)的提升基本在8%左右，冷凝管內(nèi)換熱系數(shù)的提升基本在4%左右。考慮到實(shí)驗(yàn)誤差，此冷凝異型管可以認(rèn)為與此冷凝常規(guī)管的管內(nèi)換熱系數(shù)持平。分析比較兩種管子的微肋齒形可以看出，前者齒高比后者變化更多，對于蒸發(fā)過程，增多的氣化核心數(shù)，從而蒸發(fā)換熱過程得以強(qiáng)化，換熱能力增強(qiáng)，具體表現(xiàn)就是管內(nèi)換熱系數(shù)提高。對于冷凝過程，多變的齒型曲面強(qiáng)化了對工質(zhì)的擾動(dòng)作用，增大了湍流度，提高了換熱性能，使得平均冷凝換熱系數(shù)也有提升，只是提升幅度小于蒸發(fā)提升幅度。

2.2 管內(nèi)流動(dòng)阻力分析

兩種管子的壓降實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可見，隨著工質(zhì)質(zhì)量流速的增加，蒸發(fā)段和冷凝段的阻力損失均有所增加。這是由于水平管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝阻力損失包括摩擦阻力損失和動(dòng)量變化引起的阻力損失兩部分，相對于前者，后者數(shù)值非常小，因此可以認(rèn)為管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝的阻力損失即為摩擦阻力損失。隨著工質(zhì)質(zhì)量流速的增加，氣相和液相流速隨之增加，摩擦阻力損失增加，因此試驗(yàn)段阻力損失增加。圖中可以看出，一定工況條件下，相同的工質(zhì)質(zhì)量流速下，這2種管子的蒸發(fā)和冷凝壓力損失與對應(yīng)的常規(guī)齒的壓損相差并不大，可以認(rèn)為此種異型微肋齒對壓力損失的影響很小，可以近似看作壓力損失持平。

2.3 單位壓降平均冷凝對流換熱系數(shù)

在水平管內(nèi)冷凝換熱過程中，管內(nèi)壓力損失同樣會(huì)引起沿程飽和溫度發(fā)生變化。水平管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝換熱的綜合性能，不僅受平均蒸發(fā)和冷凝對流換熱系數(shù)的影響，壓降也是一個(gè)重要因素。因此，內(nèi)螺紋管齒型參數(shù)的設(shè)計(jì)需要考慮。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度評定

在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)測量中，主要包括以下四個(gè)方面：溫度、壓力、壓降及流量。其中，溫度測量包括制冷劑進(jìn)出口溫度和水進(jìn)出口溫度，壓力測量包括制冷劑進(jìn)口壓力及進(jìn)出口壓差，流量測量包括制冷劑流量測量和水流量測量。水側(cè)和冷媒側(cè)的換熱量偏差≤5%時(shí)，才被認(rèn)為合格有效數(shù)據(jù)。

文章實(shí)驗(yàn)參數(shù)中的溫度、壓力和水側(cè)以及冷媒側(cè)的流量參數(shù)是實(shí)測得到，總換熱量和總換熱系數(shù)通過以上參數(shù)計(jì)算得出。管外換熱系數(shù)和管壁熱阻通過國際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，因此文章僅對一組冷凝實(shí)驗(yàn)的總換熱量和綜合換熱系數(shù)進(jìn)行B類不確定度評定。以水側(cè)換熱量為例。

2.4.1 水流量的不確定度

實(shí)驗(yàn)過程中水流量的測量采用日本橫河牌電磁流量計(jì)測量，精度為讀數(shù)的0.2%。

本組冷凝實(shí)驗(yàn)，水流量讀數(shù)為7.79L/min，不確定度為：

2.4.2 溫度測量的不確定度評定

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，溫度的測量采用高精度PT100鉑熱電阻，不確定度為0.1℃。u（溫度）=0.1℃。

2.4.3 水側(cè)換熱量的不確定度評定

3 結(jié)語

通過對不同管型的蒸發(fā)和冷凝換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：對于兩種管型，工質(zhì)為R410A時(shí)，冷凝換熱系數(shù)隨質(zhì)量流速的增大而增加。由于異型管對于工質(zhì)的擾動(dòng)作用更強(qiáng)、氣化核心數(shù)更多、湍流度更大，使得換熱效果得以有效提升，特別是蒸發(fā)換熱系數(shù)提升得更多。隨著工質(zhì)質(zhì)量流速的增大，兩種內(nèi)螺紋管的壓降均增加，但兩者相差不大。通過對比分析，文中異型齒的綜合換熱能力較好。

參考文獻(xiàn)

[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.