冷水機(jī)組用高效換熱管傳熱及阻力特性試驗(yàn)研究

李仕黛 譚江峰 夏龍平

（重慶通用工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）

水系統(tǒng)中央空調(diào)等供暖制冷產(chǎn)品作為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要終端消費(fèi)品，具有綠色低碳、清潔節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能有效減少二氧化碳等溫室氣體的排放， 可減緩氣候變暖、防治大氣污染，有利于推動(dòng)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)低碳化轉(zhuǎn)型，在此背景下，換熱器行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

目前，換熱器在石油化工、電力冶金、機(jī)械等工業(yè)部門(mén)應(yīng)用非常廣泛，其中石油化工領(lǐng)域?qū)Q熱器的需求占比30%，其次電力冶金、船舶工業(yè)、機(jī)械工業(yè)占比分別為17%、9%、8%。 制冷行業(yè)的離心式冷水機(jī)組中，換熱器總成本占整機(jī)成本的30%～40%［1］。 未來(lái)我國(guó)換熱器市場(chǎng)需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)： 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)；要求產(chǎn)品性價(jià)比提高。 因此，改進(jìn)高效換熱器、提高換熱性能對(duì)于離心式冷水機(jī)組控制成本、節(jié)能降耗具有非常重要的意義［2，3］。

換熱管是換熱器產(chǎn)品的關(guān)鍵元件，其結(jié)構(gòu)型式是影響綜合傳熱系數(shù)和換熱效率的關(guān)鍵因素，因此對(duì)換熱管進(jìn)行強(qiáng)化傳熱研究具有重要的意義。 筆者通過(guò)對(duì)不同管型的傳熱管進(jìn)行試驗(yàn)研究， 采取針對(duì)每種管型進(jìn)行單管傳熱試驗(yàn)的方式，研究其傳熱特性、阻力特性，從而研究影響綜合傳熱性能的條件和相應(yīng)規(guī)律及趨勢(shì)。

1 管型參數(shù)

通常，高效換熱管選用外表面有微翅，內(nèi)表面有凸緣或螺紋的強(qiáng)化傳熱管［4，5］。強(qiáng)化傳熱管是在普通光管的基礎(chǔ)上利用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行加工，使光管內(nèi)外表面形成螺紋線及翅片［6］。 通過(guò)改變換熱管的翅片型式、內(nèi)外齒高度、翅片數(shù)量及翅頂角度等，不僅能增大換熱面積，而且能促使蒸發(fā)管外形成獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)，增加管外換熱的汽化核心，提高管外換熱系數(shù)［7］。 對(duì)于冷凝來(lái)說(shuō)，其管外特殊翅片形狀能改變管外冷媒的流動(dòng)方式，提高熱傳導(dǎo)效率，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱效果［8］。

本次試驗(yàn)研究選取3根新研發(fā)的樣管， 規(guī)格均為φ19.05 mm×1.4 mm，樣管管型不同，分別定義為1號(hào)管、2號(hào)管、3號(hào)管，其管型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3種換熱管管型參數(shù)

2 試驗(yàn)裝置及原理

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置（圖1）由殼程氣路系統(tǒng)、管程水路系統(tǒng)、電氣控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、水泵、儀表閥門(mén)附件5部分組成。 蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的制冷劑循環(huán)流通，試驗(yàn)樣管水平穿在測(cè)試筒體上。 蒸發(fā)器筒體上可同時(shí)安裝3根被測(cè)管，其中1根被測(cè)管為標(biāo)準(zhǔn)管。 每次樣管試驗(yàn)前，先測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)管綜合傳熱系數(shù)，并與以往的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，用于驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)試裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 冷凝器筒體上可同時(shí)安裝4根被測(cè)管，其中1根被測(cè)管為標(biāo)準(zhǔn)管，冷凝器筒體可同時(shí)測(cè)試3根冷凝管。 每次樣管測(cè)試試驗(yàn)前，先測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)管綜合傳熱系數(shù)，并與以往測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，用于驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)試裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 蒸發(fā)器殼體頂部設(shè)有排氣管，與冷凝器殼體頂部的進(jìn)氣管連通，冷凝的液體從冷凝器殼體底部經(jīng)排液管進(jìn)入到蒸發(fā)器殼體底部的進(jìn)液管，如此往復(fù)循環(huán)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)包括管程進(jìn)出口水溫、管程水流量、殼程壓力及管程進(jìn)出口水壓差等［9］。所有的數(shù)據(jù)信號(hào)均接入數(shù)據(jù)采集儀后，再傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)顯示、自動(dòng)計(jì)算和存儲(chǔ)并形成試驗(yàn)測(cè)試報(bào)告。

2.2 試驗(yàn)原理及方法

為了更好地研究換熱管的傳熱特性，通常需要分別得到管內(nèi)換熱系數(shù)和管外換熱系數(shù)。 工程實(shí)際中通常通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試單根樣管的管內(nèi)換熱系數(shù)和管外換熱系數(shù)，來(lái)確定在常用冷水機(jī)組的工況范圍下， 表面增強(qiáng)型強(qiáng)化傳熱管的換熱性能。 此類管型內(nèi)側(cè)為螺紋形式，外側(cè)為經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的特殊齒型的外凹穴翅片［10］。 對(duì)于高效管內(nèi)側(cè)換熱情況，比較成熟的關(guān)系式為［11］：

式中 DI——管內(nèi)名義直徑，m；

hi——管內(nèi)換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Pr——管內(nèi)流體普朗特?cái)?shù)；

Re——管內(nèi)流體雷諾數(shù)；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

μ——平均溫度下的流體動(dòng)力粘度，kg/（m·s）；

μw——壁面溫度下的流體動(dòng)力粘度，kg/（m·s）。

由于影響管外側(cè)傳熱的因素較多，對(duì)此類強(qiáng)化管型的強(qiáng)化機(jī)理還沒(méi)有一套嚴(yán)密完整的理論，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也相當(dāng)缺乏，故管外換熱系數(shù)與熱流密度的準(zhǔn)則關(guān)系通常可以按照下式來(lái)考察：

式中 F、D——不同換熱管的管型結(jié)構(gòu)系數(shù)；

ho——管外換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

q——熱流密度，W/m2。

試驗(yàn)測(cè)試分析中分別進(jìn)行兩種不同工況下的傳熱試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試管內(nèi)換熱系數(shù)和管外換熱系數(shù)， 從而對(duì)影響傳熱性能的因素進(jìn)行研究分析。 其中，第1種工況（簡(jiǎn)稱STCI測(cè)定）是通過(guò)調(diào)節(jié)冷媒水流量進(jìn)而改變管內(nèi)流速，通過(guò)調(diào)節(jié)冷媒水進(jìn)水溫度來(lái)保持恒定的換熱量，從而維持恒定的熱流密度。 即管外換熱系數(shù)不變而改變管內(nèi)換熱系數(shù)，測(cè)試不同流速下的管內(nèi)換熱系數(shù)及綜合傳熱系數(shù)的變化情況。 記錄相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 求得STCI值。 第2種工況（簡(jiǎn)稱換熱性能測(cè)定）是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)出口水溫進(jìn)而改變熱流密度，在測(cè)試過(guò)程中控制水流量不變，從而保持恒定的流速。 即管內(nèi)換熱系數(shù)不變而改變管外換熱系數(shù)，測(cè)試不同熱流密度下管外換熱系數(shù)和綜合傳熱系數(shù)的變化情況［12］，記錄相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 管內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了更好地比較強(qiáng)化管的管內(nèi)換熱特性，在特定工況下進(jìn)行STCI 測(cè)定試驗(yàn)。 熱流密度為20 000 W/m2， 流速分別為1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.50 m/s。筆者對(duì)3種管型在該工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，得到管內(nèi)換熱系數(shù)曲線如圖2所示。 通過(guò)圖2分析得出，對(duì)于同一種管型，在特定試驗(yàn)條件下，管內(nèi)換熱系數(shù)隨流速的增大而呈上升趨勢(shì)。

圖2 流速-管內(nèi)換熱系數(shù)關(guān)系曲線

3.2 管外換熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)圖3分析得出，對(duì)于同一種管型而言，管外換熱系數(shù)隨熱流密度的增大而呈上升趨勢(shì)。 其主要原因?yàn)闊崃髅芏仍龃蠛螅?對(duì)數(shù)平均溫差增加，增大了蒸發(fā)換熱所需的大量汽化核心，從而顯著提高了管外換熱系數(shù)。 由于該試驗(yàn)是在恒定流速（2.50 m/s）下進(jìn)行的，管內(nèi)換熱系數(shù)不變，故管外換熱系數(shù)隨熱流密度的增大而呈上升趨勢(shì)。

圖3 熱流密度-管外換熱系數(shù)關(guān)系曲線

對(duì)于蒸發(fā)管而言，管內(nèi)側(cè)的換熱情況已經(jīng)有很多成熟的研究成果，研究結(jié)果表明，管內(nèi)換熱系數(shù)對(duì)于換熱性能的影響不是絕對(duì)的，而管外換熱系數(shù)對(duì)換熱性能的影響占主導(dǎo)地位［13］。 因此，提高蒸發(fā)器的換熱性能可以從管外側(cè)翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化著手，提高外側(cè)的汽化核心數(shù)量。 影響管外換熱系數(shù)的因素較多，包括換熱管外側(cè)的幾何結(jié)構(gòu)、 管外介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)及管外熱流密度等，因此，提高換熱器的綜合傳熱性能研究可以從提高管外換熱系數(shù)這個(gè)方向著手，綜合考慮管內(nèi)和管外的換熱情況，找到一個(gè)最佳的匹配平衡點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)換熱性能的提高。

3.3 管內(nèi)阻力特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

換熱器內(nèi)管程阻力損失，是衡量經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果的一個(gè)重要指標(biāo)。 如果壓降大，則系統(tǒng)水泵消耗的功率較大，因此需要配備揚(yáng)程較大的水泵來(lái)補(bǔ)償壓力降低所消耗的能量［14］。 圖4為3種不同樣管的管內(nèi)阻力損失與流速的試驗(yàn)結(jié)果， 由圖4可以看出， 管內(nèi)阻力損失隨著流速的增加而增大。在相同流量下， 流速隨著流通面積的增大而減小， 在相同的冷媒水流量和換熱面積條件下，直徑為25 mm的換熱管通常比直徑為19.05 mm的換熱管壓降小。

圖4 流速-水阻關(guān)系曲線

假設(shè)熱流密度20 000 W/m2、 流速2.50 m/s為對(duì)比分析點(diǎn)。 比較3種管型在對(duì)比點(diǎn)時(shí)的換熱性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 綜合傳熱性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出：1號(hào)管、2號(hào)管、3 號(hào)管的管內(nèi)換熱系數(shù)hi分別為17 448、17 198、21 952 W/（m2·K）， 綜合傳熱系數(shù)K分別為9 752、10 146、8 549 W/（m2·K），綜合傳熱系數(shù)與水阻比值K/ΔP分別為411.5、424.7、304.2，其中2號(hào)管的管內(nèi)換熱系數(shù)最低，但綜合傳熱系數(shù)卻最優(yōu)，管內(nèi)阻力最小。 結(jié)果表明，管內(nèi)換熱系數(shù)對(duì)綜合傳熱性能的影響不占主導(dǎo)地位，有時(shí)因?yàn)楣軆?nèi)換熱系數(shù)的增強(qiáng)，削弱了管外換熱系數(shù)，增加了管內(nèi)阻力損失，反而對(duì)傳熱效果和阻力損失有不利影響。 例如本次試驗(yàn)結(jié)果中，3號(hào)管管內(nèi)換熱系數(shù)最高，但綜合傳熱系數(shù)卻最低。 總之，在做高效管尤其是蒸發(fā)管的齒形開(kāi)發(fā)時(shí)，優(yōu)先考慮增強(qiáng)管外換熱系數(shù)，找到管內(nèi)換熱系數(shù)和管外換熱系數(shù)的一個(gè)平衡點(diǎn)，才能研發(fā)出傳熱性能最優(yōu)的高效管。 筆者通過(guò)對(duì)3種管型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2號(hào)管的綜合傳熱系數(shù)最高，阻力最低，K/ΔP達(dá)到424.7，優(yōu)于1號(hào)管和3號(hào)管，綜合傳熱系數(shù)達(dá)到10 146 W/（m2·K），與3號(hào)管相比，綜合傳熱系數(shù)提升了約19%。通過(guò)綜合傳熱性能的優(yōu)化，在相同條件下機(jī)組設(shè)計(jì)的換熱管總面積會(huì)得到有效降低，預(yù)計(jì)在機(jī)組整體成本方面可降低約8%。

4 結(jié)論

4.1 對(duì)于相同條件下的同一種管型，在特定試驗(yàn)條件下，綜合傳熱系數(shù)隨著流速的增大而呈上升趨勢(shì)。

4.2 在相同工況條件下，對(duì)于蒸發(fā)管而言，管內(nèi)換熱系數(shù)對(duì)換熱性能的影響不是絕對(duì)的，而管外換熱系數(shù)對(duì)換熱性能的影響占主導(dǎo)地位。

4.3 對(duì)于相同條件下的同一種管型，綜合傳熱系數(shù)將隨著熱流密度的增大而呈上升趨勢(shì)。

4.4 高效換熱管管內(nèi)阻力損失將隨著流速的增加而增大。

4.5 通過(guò)綜合傳熱性能的優(yōu)化，在相同條件下機(jī)組設(shè)計(jì)的換熱管總面積會(huì)得到有效降低，預(yù)計(jì)在機(jī)組整體成本方面可降低約8%。