汪愛(ài)麗 賽慶毅 賈志彬

1濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系

2上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

3上海瑞晨環(huán)保科技有限公司

0 引言

隨著能源危機(jī)的加深、環(huán)境污染的加重，能源的高效利用逐漸成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。各種微通道換熱管，已由早期的二維矩形、梯形低肋管發(fā)展到現(xiàn)在的三維強(qiáng)化管（如Thermoexcel-C管、Turbo-C管等）[1-2]，憑借其換熱效率高、占地面積小、工質(zhì)充注量低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種換熱器中，大大節(jié)約了能源在汽車、化工、微電子等諸多領(lǐng)域的消耗。為進(jìn)一步擴(kuò)展高效換熱管的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)各種新型工質(zhì)與強(qiáng)化換熱管仍需大量研究。

R134a是一種不含氯元素的制冷劑，不僅具有不易燃、不爆炸、無(wú)毒、無(wú)刺激性、無(wú)腐蝕性等安全性能，還對(duì)臭氧層無(wú)任何破壞作用，因其與R12具有相近的制冷量及制冷效率，而長(zhǎng)期被看作優(yōu)秀的替代制冷劑。翁文兵等[3]研究了R134a、R417A余與R22在熱泵熱水器內(nèi)的使用，從制冷劑物性上分析了不同制冷劑之間換熱性能的差別；劉杰等[4]同樣對(duì)R134a在車用空調(diào)中的使用進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)述。為實(shí)現(xiàn)原有制冷劑和新開(kāi)發(fā)高效傳熱管之間的配合性，迄今為止，國(guó)外對(duì)R134a在高效換熱管內(nèi)的換熱特性作了大量研究并取得一定成果[5-9]。

為比較R134a制冷劑在不同尺寸強(qiáng)化管內(nèi)的功耗特性，在兩種孔徑強(qiáng)化管內(nèi)，實(shí)驗(yàn)以干度、質(zhì)量流量、飽和溫度、熱流密度、強(qiáng)化管結(jié)構(gòu)參數(shù)為影響因子，以壓降為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了在不同水力工況下，工質(zhì)流體流過(guò)不同強(qiáng)化管內(nèi)的功耗，為換熱器中的節(jié)能措施提供了方向。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在一單管換熱平臺(tái)上運(yùn)行，具體實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。為避免潤(rùn)滑油對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，系統(tǒng)采用隔膜泵代替壓縮機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力，通過(guò)調(diào)節(jié)隔膜泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率來(lái)調(diào)節(jié)制冷劑流量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三大循環(huán)：制冷劑循環(huán)、冷凍水循環(huán)、測(cè)試水循環(huán)。在制冷劑循環(huán)中，過(guò)冷制冷劑在泵的驅(qū)動(dòng)下流向預(yù)熱器，通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)熱器加熱電壓、電流來(lái)調(diào)整其對(duì)制冷劑的加熱量，進(jìn)而使制冷劑在測(cè)試管進(jìn)口處達(dá)到預(yù)定的干度狀態(tài)。兩相制冷劑在測(cè)試管內(nèi)與管外的測(cè)試水進(jìn)行熱量交換，完成冷凝試驗(yàn)。通過(guò)視液鏡觀察制冷劑在測(cè)試管進(jìn)出口狀態(tài)。兩相制冷劑在冷凝器內(nèi)完全冷凝，達(dá)到過(guò)冷狀態(tài)后進(jìn)入儲(chǔ)液器，進(jìn)行下一步循環(huán)。冷凍水循環(huán)、測(cè)試水循環(huán)中都配有恒溫水箱，通過(guò)調(diào)節(jié)恒溫水箱溫度來(lái)模擬恒定的外界實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)段實(shí)質(zhì)上為一套管式冷凝器，具體原理圖見(jiàn)圖2，制冷劑在測(cè)試管內(nèi)流動(dòng)，測(cè)試水在環(huán)形管道內(nèi)流動(dòng)，為避免試驗(yàn)段漏熱，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在不銹鋼套管外套有保溫層。測(cè)試管選用兩種不同型號(hào)矩形管，其截面圖見(jiàn)圖3，具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 試驗(yàn)段示意圖

圖3 測(cè)試管截面圖

表1 測(cè)試管尺寸參數(shù)

對(duì)于理論分析所需測(cè)量參數(shù)，系統(tǒng)除選用額定流量范圍為0～200 L/h，型號(hào)為SJ3-M-200/2.8的隔膜泵提供系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力外，還選用精度為0.1℃的PT100鉑電阻測(cè)量所有溫度參數(shù)，使用前均進(jìn)行了水浴標(biāo)定，其所得相對(duì)誤差均小于0.1%；選用德魯克GE5072型號(hào)壓力變送器測(cè)量試段段冷凝壓力及儲(chǔ)液器壓力，其測(cè)量精度為0.2級(jí)，量程為0～42 bar；選用量程為0.05～6 kg/min，測(cè)量精度為0.1%，由RHM03傳感器與RHE14變送器組成的質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量制冷劑循環(huán)流量；此外選用精度為0.5級(jí)，控制-顯示一體型電磁流量計(jì)測(cè)量測(cè)試水流量。

試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，外界水力工況設(shè)定為：質(zhì)量流量350～600 kg/m2s；熱流密度15～25 kW/m2；飽和溫度35～45℃；干度0.1～0.8。實(shí)驗(yàn)選用R134為測(cè)試工質(zhì)，在不同條件下其具體物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 R134a物性參數(shù)

2 數(shù)據(jù)分析

制冷劑在測(cè)試管內(nèi)的壓降主要由摩擦壓降、加速壓降、重力壓降三部分組成[10]，由于實(shí)驗(yàn)裝置的局限性，本實(shí)驗(yàn)利用壓差變送器直接測(cè)量制冷劑流過(guò)測(cè)試管的壓力損失，即總壓降，對(duì)其不再進(jìn)行細(xì)化分析研究。

制冷劑在測(cè)試管進(jìn)口焓值：

式中：il是制冷劑在預(yù)熱器進(jìn)口處?kù)手?，根?jù)所測(cè)溫度、壓力值計(jì)算得到；Q為在預(yù)熱器內(nèi)對(duì)制冷劑的加熱量；mr為制冷劑在系統(tǒng)的質(zhì)量流量。

式中：in為制冷劑在對(duì)應(yīng)飽和壓力下的液體焓值；iv為制冷劑在對(duì)應(yīng)飽和壓力下的氣化潛熱值。

制冷劑在試驗(yàn)段出口焓值：

式中：QT為制冷劑在試驗(yàn)段與管外水循環(huán)之間的換熱量。

可得制冷劑在試驗(yàn)段出口處干度值：

實(shí)驗(yàn)中，以制冷劑在測(cè)試管進(jìn)出口干度的平均值作為制冷劑在測(cè)試管內(nèi)換熱干度值的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，即：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)主要目的在于研究外界水力工況、管型尺寸對(duì)換熱功耗的影響，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)：選用制冷劑質(zhì)量流量、飽和溫度、熱流密度、干度值四個(gè)參數(shù)來(lái)表征外界水力工況的干擾，選用管徑來(lái)表征管型尺寸的干擾，選用壓降為換熱功耗的評(píng)介指標(biāo)。

3.1 水力工況

圖4所示為1#管中在熱流密度為25 kW/m2、飽和溫度為40℃的工況下，壓降在不同干度、質(zhì)量流量下的曲線變化。由圖可知隨著干度值的增加、制冷劑質(zhì)量流量的增大，制冷劑在測(cè)試管內(nèi)壓降逐漸增大，這主要是由管內(nèi)制冷劑氣液剪切力隨著干度的增加、質(zhì)量流量的增大而增大造成的。在相同質(zhì)量流量下，制冷劑氣液速度差隨著干度的增加而增加；在相同干度工況下，制冷劑氣液速度差同樣隨著質(zhì)量流量的增加而增加，這兩者的增加均會(huì)造成較大的剪切力，進(jìn)而增加制冷劑在管內(nèi)的流動(dòng)功耗[11-12]。

圖4 壓降與質(zhì)量流量的關(guān)系

飽和溫度對(duì)換熱壓降的影響如圖5所示，在350 kg/m2s、15 kW/m2的工況條件下，隨著冷凝溫度的升高換熱壓降逐漸降低。對(duì)比R134a物性參數(shù)隨飽和溫度的變化關(guān)系可知：R134a的氣液粘度比隨著飽和溫度的增加而增加，氣液密度比隨著飽和溫度的增加而增大，這些均會(huì)導(dǎo)致較大的剪切力，造成更大的壓力損失[12]。

圖5 壓降與飽和溫度的關(guān)系

冷凝試驗(yàn)中，制冷劑蒸汽與管內(nèi)壁之間的換熱必須通過(guò)液膜，換熱言之，液膜的換熱特性直接影響到整體的換熱特性。1#管內(nèi)40℃飽和溫度、500 kg/m2s質(zhì)量流量的水力條件下，壓降與熱流密度之間的關(guān)系如6圖所示。由圖可得：在相同干度值、不同熱流密度值的條件下，壓降的區(qū)別并不大，即熱流密度對(duì)壓降的影響極小。這就預(yù)示著熱流密度對(duì)管內(nèi)液膜的粘度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等理化參數(shù)的影響較小。

圖6 壓降與熱流密度的關(guān)系

3.2 管型尺寸

數(shù)據(jù)分析時(shí)同樣比較了相同水力條件下兩種不同尺寸的測(cè)試管內(nèi)的壓降，如圖7所示為在40℃飽和溫度、500 kg/m2s質(zhì)量流量、25 kW/m2熱流密度的水力條件下壓降在不同管型尺寸內(nèi)的變化關(guān)系，由圖可得：1#管壓降明顯高于2#管，且進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)1#管壓降約為2#管壓降的1.19倍。雖然制冷劑在兩種管型內(nèi)具有相同的質(zhì)量速度[13]，但在水力半徑的影響下，制冷劑在1#管流動(dòng)時(shí)消耗更多能量。

圖7 壓降與管型尺寸的關(guān)系

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)使用R134a為制冷劑，主在研究水力工況（干度、質(zhì)量流量、熱流密度、飽和溫度）、管型尺寸等因素對(duì)制冷劑在管內(nèi)的流動(dòng)功耗的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）制冷劑在1#管內(nèi)的壓降隨著干度、質(zhì)量流量的增加而增加，隨著飽和溫度的增大而降低，并發(fā)現(xiàn)熱流密度對(duì)管內(nèi)壓降的影響并不大；

2）在研究管型尺寸對(duì)壓降的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，制冷劑在小管徑測(cè)試管內(nèi)的流動(dòng)功耗更大，即壓降隨著測(cè)試管管徑的減小而增大。