空調用鋁扁管換熱性能研究

王旭 孫凱 閆彩霞 孫云峰 甄琦

（內蒙古農業(yè)大學能源與交通工程學院，內蒙古呼和浩特 010018）

空調換熱器性能的改善對降低能耗、提升空調產品質量具有重要意義，而微通道換熱器因其結構緊湊、耐腐蝕、換熱效率高等特點在制冷空調領域優(yōu)勢日趨凸顯。通道換熱器首先被美國使用在民用空調上，其在美國家用空調市場占比約40%，韓國和日本相當，約占30%，而中國只占5%左右［1,2］。多孔鋁扁管作為微通道換熱器的一類，在汽車空氣調節(jié)系統和空調方面有較大的潛力可挖掘。按照曾翠婷[2]的估算，到2025 年，我國空調行業(yè)對鋁扁管的需求預計為67 000 t。陳然[3]對平行流鋁扁管吸附床進行了模擬研究，分析了翅片間距、翅片厚度、翅片高度以及吸附劑含量等因素對吸附床換熱效果的影響，從而優(yōu)化調整吸附床的結構，提高其換熱性能。唐晟[4]對基于多孔鋁扁管的電子芯片熱沉性能展開研究，建立了數值計算模型，比較了孔道數目、高寬比等對換熱性能的影響效果。孫顯東[5]設計了鋁扁管熱性能測試系統，測試了HCFC-22 在扁管的傳熱系數和壓降，并利用數據對兩相流傳熱系數和摩擦壓降模型進行了比對。代傳民[6]測試了室內機采用平行流換熱器與普通管翅式換熱器的空調器性能，結果證明相對于普通管翅式換熱器的柜機，采用平行流換熱器時，其制冷量提高了10.2%。多孔鋁扁管換熱器可減少制冷劑充注量、提高換熱系數，因此開展相關研究對降低生產成本、提高產品質量有重要意義。

由于多孔鋁扁管內單雙相流動影響變量多、熱質傳遞相態(tài)轉化復雜，氣液兩相流的熱質傳遞很難得到精確的數學解析解，目前兩相流問題的研究還相當依靠實驗方法。近些年，隨著數值計算的蓬勃發(fā)展，拓展了兩相流問題的研究方式。數值計算可以納入多種影響因素，可以獲取流場的局部細節(jié)，可以彌補實驗離散數據的不足。但數值計算的準確性有待核實，而實驗的離散數據需要進行處理并用數學模型的形式描述，才可能得到一般通用的數學模型。準確可靠的多孔鋁扁管內換熱特性是其推廣使用的關鍵?？煽康匿X扁管換熱數據依賴實驗研究，因為管內的熱質傳遞、相態(tài)轉變非常復雜。因此，本文對多孔鋁扁管內的冷凝過程壓降和換熱進行了測試。此外，還將測試結果與文獻公開的模型進行了對比，給出了預測精度較高的關聯式。

1 實驗設備

研究中多孔鋁扁管的測試管路包括三個回路：（1）HCFC-22 回路（含測試鋁扁管段）；（2）冷卻測試鋁扁管段的水回路；（3）把制冷劑加熱到設定干度的預熱段水回路。

HCFC-22 回路主要包含以下部件：制冷劑容器、加壓泵、流量計、預熱段、測試鋁扁管段、冷凝段等。水回路主要包含以下部件：加壓泵、流量計、板式換熱器、恒溫槽。

本文測試的多孔鋁扁管的結構參數如下：流道數目：10；流道內寬：1.6 mm；流道內高：1 mm；外寬：1.8 mm；外高：1.8 mm。多孔鋁扁管結構示意圖如圖1 所示。

圖1 多孔鋁扁管結構示意圖

2 測試工況和數據計算

2.1 測試工況

測試采用的制冷劑為HCFC-22，選定的冷凝測試工況為：飽和溫度分別為47℃、40℃和30℃，質量流率在200 kg·m-2s-1～600 kg·m-2s-1之內，平均熱流密度在6 kW·m-2～25 kW·m-2，入口側平均干度為0.8，出口側平均干度為0.1。

2.2 數據計算

測試得到的數據經過一定的演算方可得到制冷劑側的換熱系數?？倱Q熱量由水側的熱量平衡來計算得到。

其中Qt,ts-測試段換熱量，Cpl,w,ts-測試段進出口水平均溫度下熱容，mw,ts-測試段水的質量流量，Tw,ts,in-測試段進水側溫度，Tw,ts,out-測試段出口水平均溫度。

制冷劑進口側干度xin根據預熱段熱量平衡計算得出。制冷劑一側的加熱量Qt,ph包含兩方面，由過冷態(tài)加熱到飽和狀態(tài)的顯熱Qsens和由飽和態(tài)轉化為氣液兩相的潛熱Qlat：

其中Qt,ph-預熱段換熱量，cpl,w,ph-預熱段水側進出口平均溫度下熱容，mw,ph-水質量流量，Tw,ph,in-進口側水溫，Tw,ph,out-出口側水溫，Qsens-制冷劑顯熱，Qlat-制冷劑潛熱，Cpl,ref-預熱段未飽和前制冷劑平均溫度下的熱容，mref-制冷劑單位截面質量流量，Tsat-制冷劑測試壓力下的飽和溫度，Tref,ph,in-制冷劑進口側溫度，hlv-制冷劑的汽化潛熱，xin-預熱段制冷劑出口平均干度。

測試段制冷劑出口平均干度由下式計算：

其中Xout-測試段出口制冷劑平均干度。

對數平均溫度LMTD由扁管外的進出口水溫及管內測試壓力下制冷劑的飽和溫度計算得到。

在忽略污垢熱阻的情況下，扁管內制冷劑換熱系數為：

其中hco-制冷劑側換熱系數，Ani-基于多孔鋁扁管管內的實際換熱面積，Ao-測試鋁扁管的外換熱面積，do-測試鋁扁管的外當量直徑，h0-水側換熱系數，di-鋁扁管的內當量直徑，kw-鋁扁管的導熱系數。

經過廣泛的實驗驗證，證實Gnielinski 公式[7]能可靠預測管內單相湍流的換熱系數，其適用范圍為0.5＜Pr＜2 000 以及3 000＜Re＜5×106。因此本文選用Gnielinski 公式來計算管外水側的換熱系數h0：

其中f-Fanning 摩擦系數，Re-雷諾數，Pr-普朗特數，μbulk-中心溫度對應的水粘度，μw-壁面溫度對應的水粘度，kw-為平均溫度下水的導熱系數，da-是外套管水力直徑。

Fanning 摩擦系數f選用Petukhov 關聯式[8]（適用于3000＜Re＜5×106的光管）：

2.3 實驗不確定度

實驗中測量儀器包括鉑電阻、壓力變送器、差壓計、流量計，這些設備都委托具有資質的公司進行設備校準。直接和間接得到的參數都按照Moffat[9]描述的步驟計算了不確定度。通過單向流熱平衡實驗來檢驗裝置是否準確。在預熱段和測試段實驗數據中，兩側工質換熱量的偏差在±5%內。壓差的最大偏差為量程的±0.05%，換熱系數的最大偏差為±9.9%。

3 數據分析

3.1 冷凝壓降

如圖2 所示，給出了多孔鋁扁管質量流速和壓降之間的關系，隨著單位截面質量流率的增大，壓降也隨之增大，且增加的趨勢呈指數，因此增加越來越快。

圖2 冷凝壓降與質量流速之間的關系

本文中采用四種模型來預測實驗壓降，四種模型分別為Choi et al.[10]、Beattie and Whalley[11]、Muller-Steinhagen and Heck[12]、Friedal[13]模型，這四種冷凝壓降關聯式如表1所示。

表1 四種冷凝壓降關聯式的描述

圖3 給出了實驗壓降和預測壓降之間的關系。由圖3 可知，采用的多個公式中，Beattie and Whalley 模型預測精度最高，預測86.2%測試結果的偏差在±30%之內。Choi 模型和Friedel 模型預測的精度相當，Choi 模型預測值偏高，Friedel 模型預測值偏低，二者均可預測79.3%測試結果的偏差在±30%之內。Muller-Steinhagen and Heck 模型的預測精度最差，其預測75.8%測試結果的偏差在±30%之內。

圖3 冷凝壓降與預測壓降之間的關系

3.2 冷凝換熱系數

圖4 給出了制冷劑兩相冷凝換熱系數與質量流率間的關系。質量流率的增加，換熱系數也隨之增加，開始時換熱系數較小，而后期的換熱系數增加較快。

圖4 冷凝換熱系數與質量流率間的關系

本文采用四種模型來預測冷凝換熱系數，這四種模型分別為Akers et al[14]、Koyama et al[15]、Yang and Webb[16]以及Shah[17]，四種冷凝模型如表2 所示。

表2 四種冷凝模型的描述

圖5 給出了實驗換熱系數和預測換熱系數之間的關系，由圖上可以看出，Akers et al 可預測75.8%的數據點偏差在±20%之內，96.6%的數據點偏差在±30%之內，預測精度最高；Koyama et al 可預測89.6%的數據點偏差在±30%之內，Yang and Webb 可預測82.7%的數據點偏差在±30%之內，Shah 的預測精度最低。

圖5 實驗換熱系數和預測換熱系數之間的關系圖

4 結論

通過實驗研究HCFC-22在多孔鋁扁管的流動和傳熱特性，并將實驗結果與已公開發(fā)表的研究者的模型進行對比，得到以下結論：

（1）多孔鋁扁管內兩相流的壓降和冷凝換熱系數都隨質量流率的增大而增大。質量流速較小的時候增加緩慢，而在質量流速較大的時候增加較快。

（2）Beattie and Whalley 模型預測壓降的精度最高，預測86.2%的測試點偏差在±30%內，Choi 模型和Friedel模型預測的精度相當。

（3）Akers et al 模型預測換熱系數的精度最高，可預測75.8%的測試點在±20%之內，Koyama et al 和Yang and Webb 模型預測精度次之。推薦Akers et al 模型中Reeq采用Moser,K.W 公式計算。