毛舒適，陶樂仁，李慶普，吳生禮，張丹亭

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

在能源危機(jī)和環(huán)保需求的雙重壓力下，研發(fā)高效換熱器顯得尤為迫切和重要，研究R134a的管內(nèi)換熱性能對提高設(shè)備能效有重要意義[1-2]。一些學(xué)者針對管內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱性能的影響進(jìn)行了研究。吳曉敏等[3]研究了微肋管結(jié)構(gòu)尺寸及工況等對管內(nèi)流動蒸發(fā)及冷凝性能的影響。COLOMBO等[4]研究了R134a在翅片管內(nèi)冷凝與蒸發(fā)時(shí)的流型、熱傳遞和壓降。NAULBOONRUENG等[5]進(jìn)行了R134a在9.52 mm光管和微肋管內(nèi)的冷凝換熱實(shí)驗(yàn)。SCHLAGER 等[6]研究了 R22 在螺旋角為 15°～25°、管徑為12.7 mm的管內(nèi)蒸發(fā)冷凝傳熱系數(shù)及壓降特性。還有學(xué)者對不同制冷劑的換熱性能進(jìn)行了研究。THOMAS等[7]研究了R134a和丙烷在水平光滑單管和翅片管的管束內(nèi)的冷凝換熱性能。楊申音等[8]對在常規(guī)空調(diào)熱泵系統(tǒng)中R32替代R410A的可行性進(jìn)行了研究述評。武永強(qiáng)等[9]對比了 R410A和 R22在9.52 mm新型銅管Turbo-DWT和常規(guī)內(nèi)螺紋管中蒸發(fā)和冷凝的換熱性能。有研究者對管內(nèi)換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較修正[10-11]。上述文獻(xiàn)均集中在對較小質(zhì)流密度（小于500 kg/m2s）、較大管徑（多為9.52 mm）換熱特性的研究。

COLOMBO等[12]對R134a在9.52 mm微肋管內(nèi)的冷凝和蒸發(fā)換熱特性進(jìn)行了研究，兩種管的齒頂角均為40°，齒數(shù)分別為54和82，齒高不同，并通過可視化研究，了解微肋對流型的影響。QIN等[13]研究了R134a在銅和不銹鋼三維微肋管內(nèi)的冷凝換熱特性，銅管和不銹鋼管的強(qiáng)化因子分別為7.86和3.34。ARIWIBOWO等[14]對R134a在水平管內(nèi)環(huán)狀流下的冷凝換熱進(jìn)行了數(shù)值研究。

本文搭建了集蒸發(fā)/冷凝于一體的水平單管換熱實(shí)驗(yàn)臺，針對R134a在水平內(nèi)螺紋管內(nèi)無潤滑油狀態(tài)下，質(zhì)流密度為400～1,100 kg/m2s的冷凝換熱和壓降特性進(jìn)行了研究，分析了換熱性能的影響因素及機(jī)理，以促進(jìn)高性能換熱器的研制。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)了單管管內(nèi)蒸發(fā)冷凝換熱實(shí)驗(yàn)臺，可用于研究不同種類制冷劑、不同型號換熱管內(nèi)蒸發(fā)冷凝換熱及壓降特性。不同于胡海濤等[15]使用壓縮機(jī)提供動力，本文采用隔膜泵作為制冷劑循環(huán)系統(tǒng)的動力裝置，既可測試不同類型制冷劑，也可消除潤滑油對實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的影響。系統(tǒng)原理如圖1所示，在進(jìn)行冷凝實(shí)驗(yàn)時(shí)，前端板式換熱器打開，后端板式換熱器關(guān)閉，液壓隔膜泵將液態(tài)制冷劑從儲液桶中抽出送入循環(huán)管道，先經(jīng)過脈動阻尼器消除制冷劑液體的脈動，進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)測得質(zhì)量流量，然后進(jìn)入前端板式換熱器，被加熱蒸發(fā)為氣態(tài)制冷劑，隨后氣態(tài)制冷劑在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)被載冷劑冷凝成液態(tài)制冷劑，最后流回儲液桶內(nèi)，完成一個(gè)循環(huán)。

溫度測量采用標(biāo)準(zhǔn)PT100鉑電阻，測量精度為0.1 ℃，對其水浴標(biāo)定時(shí)所得相對誤差均小于0.1%。實(shí)驗(yàn)段壓差測量選用羅斯蒙特的 3051型差壓變送器，量程為0～4.2 MPa，精度為0.1級。制冷劑質(zhì)量流量測量采用北京首科實(shí)華的DMF-1-2-A型科氏質(zhì)量流量計(jì)，測量精度為0.1%。水流量測量采用電磁流量計(jì)，其精度為0.5級。液壓隔膜泵采用上海申貝泵業(yè)的SJ3-M-200/2.8型泵，流量200 L/h。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)工況及測試樣管

實(shí)驗(yàn)選取的兩種換熱管為新開發(fā)的高效內(nèi)螺紋強(qiáng)化管，其具體齒形參數(shù)如表1所示。1#管為接近國標(biāo)的普通管，2#管為瘦齒大螺旋角管，其齒頂角較小，齒型較瘦，螺旋角較大。內(nèi)螺紋能夠破壞邊界層，依靠表面張力使液膜變薄，增加換熱面積，增強(qiáng)制冷劑擾動，從而增強(qiáng)換熱。

表1 內(nèi)螺紋管的參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中制冷劑遵循單相進(jìn)、單相出的原則，即實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口為過熱氣體，出口為過冷液體，以保證制冷劑在實(shí)驗(yàn)段充分換熱，減小實(shí)驗(yàn)誤差。采用工質(zhì)R134a，調(diào)整水側(cè)進(jìn)口水溫和流量，使實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口過冷過熱度維持在3 ℃～5 ℃，制冷劑質(zhì)流密度維持在400～1,100 kg/m2s，冷凝溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃，實(shí)驗(yàn)段水側(cè)雷諾數(shù) Re保持在8,000～22,000，在熱平衡誤差小于5%之后等待各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)穩(wěn)定，然后記錄數(shù)據(jù)。本文中制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)為螺紋管內(nèi)制冷劑冷凝過程中的平均傳熱系數(shù)，非局部傳熱系數(shù)，壓降亦為平均壓降。

1.3 數(shù)據(jù)處理

測試段為套管式結(jié)構(gòu)，制冷劑R134a在強(qiáng)化管內(nèi)流動，水在強(qiáng)化管外流動。根據(jù)努賽爾數(shù)Nu來計(jì)算水側(cè)傳熱系數(shù)，再利用熱阻分離法求出制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)。

測試段總傳熱系數(shù)：

式中，Qr、Qw分別為制冷劑側(cè)和水側(cè)換熱量。

測試段對數(shù)平均溫差：

水側(cè)努賽爾數(shù)使用Gnielinski經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[16-17]：

式中，按Petukhov公式f= (1.58lnRe - 3.28)-2。

制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)：

1.4 誤差分析

直接測量參數(shù)的相對誤差ε用絕對誤差xΔ與真值0x的比計(jì)算。間接測量參數(shù)的誤差，測量值間相互獨(dú)立，按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)最大相對誤差為7.82%，實(shí)驗(yàn)段壓降由差壓變送器引起，其誤差小于3%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 冷凝溫度對制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)的影響

圖 2是 1#管、2#管在相同水側(cè)雷諾數(shù)（Re=10,000）、3 種冷凝溫度（35 ℃、40 ℃和 45 ℃）工況下，制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)隨制冷劑質(zhì)流密度的變化情況。由圖可知：

1）管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)都隨制冷劑質(zhì)流密度的增大而增大；流速增大時(shí)，液相制冷劑邊界層變薄，熱阻減小，同時(shí)湍流效應(yīng)得到增強(qiáng)，流體間的交換加強(qiáng)，對流傳熱得到加強(qiáng)。

2）冷凝溫度越低，傳熱系數(shù)越大，35 ℃時(shí)的冷凝傳熱系數(shù)比45 ℃高約18%～40%；冷凝溫度越低，R134a的粘度越小，邊界層厚度越薄，同時(shí)溫度越低，液相R134a導(dǎo)熱系數(shù)越大，邊界層的導(dǎo)熱量越大。R134a的冷凝溫度越低，對應(yīng)的氣液兩相飽和狀態(tài)焓差，即相變潛熱越大，相同的流量下釋放更多的熱量。

28°管在35 ℃冷凝時(shí)的制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)顯著高于40 ℃和45 ℃冷凝溫度時(shí)的數(shù)據(jù)，這一現(xiàn)象在18°管中并沒有發(fā)現(xiàn)。一方面，相比于40 ℃和45 ℃，35 ℃時(shí)流體粘度較大，從螺紋管冷凝強(qiáng)化機(jī)理來看（破壞邊界層、增加湍流、依靠表面張力減薄液膜厚度等），粘度較大時(shí)螺紋管強(qiáng)化效果更好，故35 ℃時(shí)的傳熱系數(shù)明顯大于40 ℃；另一方面，28°管強(qiáng)化效果優(yōu)于18°管，故在28°管中這一現(xiàn)象明顯。

圖2 制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)隨質(zhì)流密度的變化

2.2 齒型參數(shù)對制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)的影響

由圖2可知，3個(gè)冷凝溫度下，28°管均比18°管傳熱系數(shù)高。這主要是因?yàn)椋?/p>

1）較小的齒頂角、較大的螺旋角使制冷劑在管內(nèi)沿螺旋槽旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)，增強(qiáng)了制冷劑的湍流效應(yīng)。螺紋造成的邊界層分離對邊界層的破壞效果更顯著。制冷劑沿螺旋槽前進(jìn)，會使徑向速度增加，產(chǎn)生二次流，增強(qiáng)制冷劑的對流效應(yīng)[18]；

2）28°管的內(nèi)表面擴(kuò)展倍率更大；28°管的內(nèi)表面面積擴(kuò)展比為1.81，而18°管的則為1.75。齒頂角越小，螺旋角越大，濕周越大；28°管制冷劑側(cè)具有更大的傳熱面積，換熱更好[19]。

2.3 冷凝溫度對制冷劑側(cè)壓降的影響

圖3分別是螺旋角18°管、28°管在相同水側(cè)雷諾數(shù)（Re=10,000），3種冷凝溫度下（35 ℃、40 ℃和45 ℃），制冷劑側(cè)實(shí)驗(yàn)段管壓降（ΔP）隨制冷劑質(zhì)流密度的變化情況。由圖可知：

1）在 400 kg/(m2·s)～1,100 kg/(m2·s)的質(zhì)流密度范圍內(nèi)，這 3種強(qiáng)化管的測試段壓降都是隨著制冷劑質(zhì)流密度的增大而增大，變化趨勢接近線性變化。質(zhì)流密度越大，主流區(qū)流速越大，速度梯度越大，內(nèi)摩擦力越大，故壓降越大。質(zhì)流密度越大，湍流效應(yīng)越強(qiáng)，渦旋等消耗的能量也越多；

2）冷凝溫度越低，壓降越大，35 ℃時(shí)的壓降比45 ℃時(shí)的高約14%～25%。R134a液相的粘度隨溫度的降低而變大，故冷凝溫度低時(shí)，制冷劑的內(nèi)摩擦力變大，壓降越大。同時(shí)，冷凝溫度低時(shí)，液相制冷劑密度增大，在實(shí)驗(yàn)段管路所占體積減小，流速減小，氣相密度減小，流速增大，氣相和液相間的速度差會增大，摩擦損失增大，故壓降增大[20]。

圖3 壓降隨質(zhì)流密度的變化

2.4 齒型參數(shù)對制冷劑側(cè)壓降的影響

由圖 3可知，3個(gè)冷凝溫度下，質(zhì)流密度400～1,100 kg/(m2·s)范圍內(nèi)，螺旋角為 28°換熱管均比螺旋角為 18°換熱管壓降大，高約 3%～12%。較大的螺旋角使制冷劑在管內(nèi)沿螺旋槽旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)，增強(qiáng)了制冷劑的湍流效應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生二次流，增強(qiáng)了對流效應(yīng)，從而使內(nèi)摩擦消耗的能量增加，故壓降增大。另外，齒頂角越小，齒型越瘦，管內(nèi)壁越粗糙、壓力損失越大。

2.5 不同換熱管內(nèi)的單位壓降換熱系數(shù)的對比分析

圖4是在相同水側(cè)雷諾數(shù)（Re=10,000），3種冷凝溫度下（35 ℃、40 ℃和45 ℃），螺旋角為18°換熱管和螺旋角為 28°換熱管單位壓降冷凝傳熱系數(shù)（hr/ΔP）隨制冷劑質(zhì)流密度（Gr）的變化情況。由圖可見，3種冷凝溫度下，28°管的單位壓降冷凝傳熱系數(shù)均比 18°管的高，45 ℃時(shí) 28°管的單位壓降冷凝傳熱系數(shù)比35 ℃時(shí)18°管的還要高，齒型參數(shù)對單位壓降冷凝傳熱系數(shù)的影響比冷凝溫度的影響大[21]。雖然 28°管的壓降較大，但其傳熱系數(shù)的提升更大。綜合來看，螺旋角為 28°換熱管的綜合性能更好。隨著質(zhì)流密度的增加，單位壓降傳熱系數(shù)逐漸減小，這是因高質(zhì)流密度時(shí)，制冷劑已經(jīng)是湍流狀態(tài)，螺紋通過增強(qiáng)湍流對換熱的強(qiáng)化作用不顯著。

圖4 單位壓降冷凝傳熱系數(shù)隨質(zhì)流密度的變化

3 結(jié)論

為研究螺紋管的換熱性能，本文以R134a為制冷劑，通過對管徑為7 mm、螺紋角為18°和28°的內(nèi)螺紋強(qiáng)化管在不同工況下的冷凝換熱實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1）制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)受冷凝溫度影響。冷凝溫度越低，R134a側(cè)傳熱系數(shù)越大，35 ℃時(shí)的冷凝傳熱系數(shù)比45 ℃高約18%～40%。28°管（瘦齒、大螺旋角管）比 18°管（普通管）傳熱系數(shù)高約8%～48%；

2）制冷劑壓降受冷凝溫度影響。冷凝溫度越低，R134a側(cè)壓降越大，35 ℃時(shí)的壓降比 45 ℃時(shí)高約14%～25%。管徑為7 mm、螺旋角為28°換熱管均比螺旋角為18°換熱管壓降高約3%～12%；

3）螺旋角為28°換熱管的單位壓降冷凝傳熱系數(shù)高于螺旋角為 18°的換熱管；其中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增幅遠(yuǎn)大于壓降增幅。在較大的制冷劑質(zhì)流密度 700～1,100 kg/(m2·s)范圍內(nèi)時(shí)，28°換熱管的單位壓降冷凝傳熱系數(shù)（hr/ΔP）提升更明顯，綜合性能更好；

4）齒型參數(shù)對單位壓降冷凝傳熱系數(shù)的影響大于冷凝溫度的影響，故應(yīng)從齒型參數(shù)方面入手研究換熱器單管換熱性能的提升。