顧宗保 ,郭 雨 ,李 蔚,2 ,何 燕*

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061;2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)

兩相換熱作為一種高效的換熱方式,深入應(yīng)用于國(guó)民生活的各個(gè)領(lǐng)域。而兩相流態(tài)則影響著換熱管路的換熱系數(shù)和壓降。流態(tài)分析是分析兩相流動(dòng)最常用的方式之一。事實(shí)上,水平管內(nèi)部的兩相流動(dòng)受到蒸汽剪切力或重力的支配。例如,當(dāng)重力支配內(nèi)部流動(dòng)時(shí),管內(nèi)流動(dòng)表現(xiàn)為分層波狀流態(tài)和間歇流態(tài),當(dāng)剪切力支配內(nèi)部流動(dòng)時(shí),管內(nèi)流動(dòng)表現(xiàn)為環(huán)狀流態(tài)。在評(píng)估兩相換熱系統(tǒng)的性能時(shí),質(zhì)量流量,干度、飽和溫度等等都將對(duì)流態(tài)產(chǎn)生影響,同時(shí)也會(huì)使經(jīng)典模型的預(yù)測(cè)產(chǎn)生偏差。為設(shè)計(jì)更高效的兩相換熱系統(tǒng),使用流形圖來(lái)確定各個(gè)工況下的兩相流態(tài),了解兩相流態(tài)的轉(zhuǎn)變及其在過(guò)程中的影響是很有必要的。

學(xué)者們對(duì)兩相流形圖做了大量的研究。例如:BAKER[1]首次創(chuàng)建了空氣-油和油-水流形圖,使用液體和氣體的質(zhì)量流量來(lái)繪制流形圖。TEITEL和DUKLER[2]則對(duì)兩種流態(tài)間的轉(zhuǎn)變做了詳細(xì)的描述。他們所開發(fā)的流形圖也是最廣為人知的。STEINER[3]對(duì)他們的工作做了修正,以質(zhì)量流量和干度來(lái)繪制流形圖,使冷凝或蒸發(fā)過(guò)程更為清晰。KATTAN 等[4]和HAJAL等[5]也采用了類似的方式來(lái)呈現(xiàn)流形圖。CAVALLINI等[6]也提出了一種較為簡(jiǎn)便的流形劃分模式,依據(jù)簡(jiǎn)單的判據(jù)來(lái)確定兩種不同流態(tài)間的轉(zhuǎn)換。使用弗洛德數(shù)(JG)和馬丁內(nèi)利參數(shù)(Xtt)對(duì)質(zhì)量流量范圍進(jìn)行劃分進(jìn)而來(lái)判別流動(dòng)狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)外通過(guò)提高表面粗糙度來(lái)增強(qiáng)水平管內(nèi)的冷凝和沸騰傳熱已經(jīng)是非常普遍。LIU 和SAKR[7]對(duì)幾種被動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了回顧,如粗糙表面和添加凹坑等技術(shù)。CHEN 等[8]早在2001年以水作為工質(zhì)在凹坑管中進(jìn)行了單相實(shí)驗(yàn)研究,他們的結(jié)果表明:在給定雷諾數(shù)下,凹坑管的換熱性能是光管的1.25～2.37倍。XIE等[9]通過(guò)建立k-ε湍流模型來(lái)計(jì)算凹坑管內(nèi)的單相換熱性能,其雷諾數(shù)范圍:5 000～30 000。他們認(rèn)為凹坑管換熱系數(shù)可能會(huì)受到其表面凹坑的大小及深度的影響。ZHENG 等[10]同樣進(jìn)行了數(shù)值方面的研究,他們采用由凹坑或凸起強(qiáng)化后的微通道,以水作為工質(zhì),待流動(dòng)充分發(fā)展后通過(guò)微通道。對(duì)于圓形微通道,在其內(nèi)表面具有對(duì)稱的凸起時(shí)表現(xiàn)出極好的換熱性能。而對(duì)于環(huán)型通道,表面凸起通道的換熱強(qiáng)化效果比表面凹坑通道表現(xiàn)更好。MASHOUF等[11]在水平管和凹坑管內(nèi)進(jìn)行了R600a對(duì)流冷凝實(shí)驗(yàn)研究。他們發(fā)現(xiàn)凹坑管的傳熱系數(shù)是光管的1.2～2.0倍。此外,他們還指出在凹坑管中,較低的干度下會(huì)發(fā)生間歇流向環(huán)形流的過(guò)渡。WANG 等[12]研究了冷風(fēng)在不同凹坑排列的凹坑管中的傳熱特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),平行或交錯(cuò)布置凹坑的管子具有相似的性能。AROONRAT 和WONGWISES[13]使用R134a在球形凹坑管內(nèi)進(jìn)行冷凝實(shí)驗(yàn)研究,他們發(fā)現(xiàn)凹坑管的冷凝換熱系數(shù)是光管的1.3～1.4 倍。對(duì)不同凹坑間距和螺距的管子使用同種工質(zhì)進(jìn)行冷凝傳熱和流動(dòng)的研究。結(jié)果表明,當(dāng)螺距和間距減小時(shí),凹坑管的冷凝換熱系數(shù)和壓降均有增加。

最近,KUKULKA 等[14-15]在其論文中介紹了一種具有交錯(cuò)花瓣花紋和凹坑的Vipertex EHT 三維強(qiáng)化管。他們的研究表明,這類EHT 管型的污垢生成速率低于光管。此后,LI 等[16]采用工質(zhì)R410A,測(cè)試管型為光管、1EHT 管和微翅片管。對(duì)三種管型的換熱性能進(jìn)行了評(píng)估,指出1EHT 管具有最高的內(nèi)表面積換熱效率。郭瑞恒等[17]同樣采用R410A 作為冷媒對(duì)1EHT、2EHT-1、2EHT-2進(jìn)行冷凝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果指出實(shí)驗(yàn)所選用的三種強(qiáng)化管都表現(xiàn)出優(yōu)于光管的冷凝換熱系數(shù)。CHEN 和LI[18]使用R410A 對(duì)兩根2EHT 管和一根光管進(jìn)行了冷凝局部換熱實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)2EHT 管具有較好的傳熱性能。大量的研究表明,凹坑和陣列花紋的不同排布都可以有效的增強(qiáng)冷凝換熱。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法探究凹坑對(duì)管內(nèi)流動(dòng)及換熱性能的影響,同時(shí)為此類管型的數(shù)值模擬提供部分?jǐn)?shù)據(jù)支撐。學(xué)者們?cè)谝酝难芯恐刑岢隽嗽S多流形圖或流形間轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)則。但是,對(duì)于具有此類圖案的管型在冷凝過(guò)程中的流形研究并不多見(jiàn)。因此,本研究依賴可視化裝置對(duì)管內(nèi)流態(tài)進(jìn)行觀測(cè),研究凹坑及花瓣陣列對(duì)流態(tài)的影響,進(jìn)而分析其對(duì)換熱性能帶來(lái)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

冷凝換熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示,測(cè)試系統(tǒng)包括:預(yù)熱段、測(cè)試段、過(guò)冷段3個(gè)主要部分,配合溫度、壓力和流量測(cè)量裝置進(jìn)行各種工況下的冷凝實(shí)驗(yàn)。預(yù)熱段通過(guò)恒溫水浴的方式加熱工質(zhì)以達(dá)到合適的測(cè)試段進(jìn)口工況。測(cè)試段是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位,裝有被測(cè)試管的套管換熱器被安放在這里。使用PID模塊精確控制測(cè)試段恒溫水槽溫度在10～75 ℃內(nèi),通過(guò)控制流量的方式,維持套管換熱器環(huán)形側(cè)雷諾數(shù)大于4 300,以滿足湍流的計(jì)算條件。過(guò)冷段使用導(dǎo)熱油冷卻工質(zhì),維持試驗(yàn)系統(tǒng)熱平衡,同時(shí)保證下一循環(huán)中進(jìn)入泵的工質(zhì)為液體。工質(zhì)在整個(gè)系統(tǒng)中的動(dòng)力由泵提供,同時(shí)控制泵轉(zhuǎn)速可得到合適的工質(zhì)流量。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖和1EHTa管圖Fig.1 Schematic drawings of the experimental apparatus and 1EHTa tube

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在填注工質(zhì)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過(guò)控制預(yù)熱段、實(shí)驗(yàn)段、過(guò)冷段達(dá)到合適的飽和壓力、進(jìn)出口干度。保壓運(yùn)行0.5 h,待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后采取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以20 s的間隔采取同一工況下的連續(xù)10組數(shù)據(jù),取平均后作為一個(gè)工況點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)共計(jì)采取6～8個(gè)工況點(diǎn)。完成實(shí)驗(yàn)后對(duì)工質(zhì)進(jìn)行回收,減低系統(tǒng)壓力,關(guān)閉各段閥門。

測(cè)試段的套管換熱器如圖1所示,流動(dòng)布置方式為逆流布置。長(zhǎng)2 m 的測(cè)試管(1EHTa和ST)位于內(nèi)部,外套管是內(nèi)徑17 mm 的銅光管。套管外部包裹致密的保溫材料防止套管換熱器大量漏溫。本次工作中所采用的冷凝實(shí)驗(yàn)條件如下:1)測(cè)試工質(zhì)為R410A;2)飽和溫度為318.15 K;3)質(zhì)量流速100～200 kg·(m2·s)－1;4)干度范圍0.8～0.2。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用分離熱阻的方式,確定套管換熱器熱量傳遞方向上的各段熱阻,分別確定管壁熱阻,管外側(cè)熱阻,管內(nèi)熱阻。最后獲得管內(nèi)換熱系數(shù)。

測(cè)試段的總換熱量是通過(guò)水側(cè)熱平衡得到

其中:Qw,ts是測(cè)試段總換熱量;cpl,w,ts是定壓比熱容;mw,ts是套管環(huán)型側(cè)水流量;Tw,ts,in和Tw,ts,out是測(cè)試段進(jìn)出口水溫。

由此可知若無(wú)污垢熱阻被測(cè)試管內(nèi)部換熱系數(shù)

其中:Ai和Ao是測(cè)試管內(nèi)外表面積;di和do是測(cè)試管內(nèi)外徑;kwall是測(cè)試管材料的導(dǎo)熱系數(shù)。其中對(duì)數(shù)平均溫差TLMTD由下式計(jì)算:

ho是管外側(cè)換熱系數(shù),通過(guò)Gnielinski[19]公式計(jì)算得到。該公式具有較高的預(yù)測(cè)精度(當(dāng)0.5≤Pr≤2 000,3 000≤Re≤5×106),被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)科研領(lǐng)域:

其中:(μbulk/μwall)0.14是物性參數(shù)比,用來(lái)修正壁面溫度對(duì)壁面附近流體黏度的影響;kw是水的導(dǎo)熱系數(shù);dh是套管換熱器中環(huán)型側(cè)的水力直徑。其中,f是由Petukhov關(guān)聯(lián)式[20]計(jì)算(當(dāng)3 000≤Re≤5×106時(shí))得出:

進(jìn)入測(cè)試段的工質(zhì)干度通過(guò)預(yù)熱段的換熱量來(lái)確定:

其中:Qlat、Qsens分別是潛熱和顯熱;cpl,ref是液態(tài)工質(zhì)定壓比熱;mref是工質(zhì)質(zhì)量流量;hlv是工質(zhì)汽化潛熱;Tsat和Tref,ph,in分別是工質(zhì)飽和溫度和預(yù)熱段的進(jìn)口溫度;xin是測(cè)試段的進(jìn)口干度。

測(cè)試段的出口干度則由式(9)計(jì)算:

依據(jù)Mofat[21]提供的誤差傳播計(jì)算方式計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性,并假設(shè)Gnielinski方程的精度為10%。計(jì)算結(jié)果為測(cè)試段總換熱系數(shù)不確定性為0.51%,管內(nèi)換熱系數(shù)不確定性為5%,環(huán)形側(cè)水換熱量不確定性為0.24%。表1 提供了所有的參數(shù)的不確定性。

表1 測(cè)量參數(shù)誤差Table 1 Measurement parameter error

2 結(jié)果與討論

2.1 R410A在光管和1EHTa管內(nèi)的冷凝流形

當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)處于中低流速下,內(nèi)部流體是在重力的主導(dǎo)下進(jìn)行冷凝過(guò)程,而不是剪切力,內(nèi)部流形主要集中在分層/分層波狀流。CAVALLINI[6]等人根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了一種管內(nèi)冷凝換熱流動(dòng)時(shí)的流形轉(zhuǎn)變線(公式10),該轉(zhuǎn)變線使用弗洛德數(shù)(JG)和馬丁內(nèi)利參數(shù)(Xtt)來(lái)判別流動(dòng)狀態(tài)的改變。他們認(rèn)為在不考慮觀測(cè)到的具體流形,僅僅考慮影響冷凝傳熱系數(shù)的參數(shù),對(duì)流量范圍內(nèi)進(jìn)行流形的劃分,是更為簡(jiǎn)單和有效的。在以剪切力為主的環(huán)形流態(tài)中,溫差對(duì)傳熱特性的影響是很小的,而在受重力控制的分層/分層波狀流態(tài)中,傳熱系數(shù)將受到溫差的制約。這與DOBSON 和CHATO[22]的結(jié)論相似。如圖2、圖3所示,基于Cavallini的轉(zhuǎn)變線公式,光管及1EHTa管在測(cè)試流速范圍內(nèi),均處于分層波狀流態(tài),即ΔT-dependent。隨著質(zhì)量流速的增加,光管和1EHTa管的數(shù)據(jù)點(diǎn)逐漸逼近流形轉(zhuǎn)變線。

圖2 光管冷凝流形圖Fig.2 Flow pattern map of smooth tube

圖3 1EHTa冷凝流形圖Fig.3 Flow pattern map of 1EHTa tube

圖4展示了在實(shí)際測(cè)試中所拍攝的光管出口局部冷凝流態(tài)圖。質(zhì)量流速G＝100 kg·(m2·s)－1,干度在0.2～0.4范圍時(shí)光管流形呈現(xiàn)平穩(wěn)的分層波狀流(SW),并且液膜隨干度的增加而減薄。干度x＞0.4時(shí)液膜出現(xiàn)較為明顯的波浪狀態(tài)。當(dāng)G＝150 kg·(m2·s)－1時(shí),干度在0.2～0.5范圍內(nèi)液膜層都處于較為明顯的波浪狀態(tài),干度x＞0.5以后液膜層中有液滴飛濺脫離,而被氣體夾帶,隨著干度的增加越來(lái)越劇烈。而G＝200 kg·(m2·s)－1時(shí),只有x＝0.2、0.3的狀態(tài)下是明顯的波浪狀態(tài),其他干度范圍內(nèi)均出現(xiàn)液滴的飛濺,從而脫離液膜層,甚至出現(xiàn)持續(xù)性的液滴夾帶現(xiàn)象。管壁頂部有薄薄的液膜流動(dòng),出現(xiàn)類似于環(huán)形流(S-A)的流動(dòng)狀態(tài)。

圖4 銅光管出口冷凝流態(tài)圖Fig.4 Condensation outlet flow pattern of smooth tube

如前所述,Cavallini流形圖是在流量范圍內(nèi)進(jìn)行劃分流動(dòng)狀態(tài)。本次工作所測(cè)試光管的流動(dòng)狀態(tài)落于由重力控制的ΔT-dependent分層波浪流區(qū)域。根據(jù)對(duì)實(shí)際拍攝的局部流態(tài)圖可驗(yàn)證Cavallini流形圖的準(zhǔn)確性。盡管在流速和干度較高時(shí)出現(xiàn)了形似環(huán)形流動(dòng)的流形,但這只是剪切力逐漸開始對(duì)流態(tài)施加更大的影響。在較低流速下,剪切力的作用僅僅使氣液界面波動(dòng)的劇烈,而重力作用占據(jù)主導(dǎo)地位。因此氣液界面以下液膜流動(dòng)較為平穩(wěn)。在此次實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi),盡管隨著流速、干度的增大,剪切力開始對(duì)流態(tài)施加更大的影響,但是重力始終占據(jù)主導(dǎo)地位。觀測(cè)到的流態(tài)從平穩(wěn)分層流到氣液界面劇烈波動(dòng),甚至出現(xiàn)密集的液滴夾帶現(xiàn)象,但在重力占據(jù)主導(dǎo)地位的作用下,始終處于ΔT-dependent分層波浪流區(qū)域。

1EHTa管的出口局部流態(tài)圖如圖5所示。質(zhì)量流速G＝100 kg·(m2·s)－1時(shí)的流態(tài)與光管流態(tài)類似,在較低干度下呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的分層流動(dòng)。隨著干度的增加冷凝液膜減薄,同時(shí)氣液界面出現(xiàn)較為劇烈的波動(dòng)。G＝150 kg·(m2·s)－1、干度范圍0.2～0.4 時(shí)冷凝液膜呈現(xiàn)明顯的波浪狀流動(dòng),x＝0.5時(shí)出現(xiàn)更為巨大的波峰,液膜層擾動(dòng)更為劇烈。當(dāng)x＞0.5時(shí),出現(xiàn)液滴飛濺、夾帶類似環(huán)形流動(dòng)的現(xiàn)象,隨著干度增加液膜層進(jìn)一步減薄,液滴夾帶現(xiàn)象更為顯著。質(zhì)量流速達(dá)到G ＝200 kg·(m2·s)－1時(shí),在干度0.2 時(shí)就表現(xiàn)處極為劇烈的波動(dòng),波峰觸及管壁頂部。自干度0.3開始,液膜劇烈抖動(dòng)的同時(shí)伴隨液滴飛濺和夾帶。隨著干度增加此類現(xiàn)象更為清晰。干度x＞0.5后底部仍然存在液膜層,當(dāng)其液滴飛濺及夾帶現(xiàn)象極為明顯。管壁四周都出現(xiàn)了薄液膜,管子中心區(qū)域表現(xiàn)為氣體和液滴的混合流動(dòng)。稱之為環(huán)形流態(tài)。

與光管在Cavallini流形圖上的劃分一致,所有的1EHTa管的數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在ΔT-dependent分層波浪流區(qū)域。與光管類似,在低質(zhì)量流速下管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)受重力控制,呈現(xiàn)分層波狀流態(tài)。實(shí)際觀測(cè)則不然,在質(zhì)量流速G＝200 kg·(m2·s)－1工況下出現(xiàn)明顯的環(huán)形流動(dòng),G＝150 kg·(m2·s)－1較高干度下出現(xiàn)半環(huán)形流態(tài)。這與Cavallini流形圖的劃分不匹配。CAVALLINI等[6]是在不考慮觀測(cè)到的具體流形,從僅考慮對(duì)換熱有影響的參數(shù)出發(fā),對(duì)流量范圍內(nèi)進(jìn)行流形劃分的基礎(chǔ)上提出的流形圖。在僅考慮影響冷凝傳熱系數(shù)的參數(shù)時(shí),其對(duì)1EHTa管狀態(tài)位于ΔT-dependent分層波浪流區(qū)域內(nèi)的預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的。在實(shí)際觀測(cè)到的環(huán)形流動(dòng)與半環(huán)形流動(dòng)可能是由于壁面結(jié)構(gòu)帶來(lái)更多的液膜層擾動(dòng),從而使氣液界面波動(dòng)劇烈。在質(zhì)量流速200 kg·(m2·s)－1時(shí),壁面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致液膜湍流劇烈,部分液體被甩出液膜層。而干度增加液膜層減薄,液滴更易飛濺而出,壁面次級(jí)花瓣?duì)罨y易于液滴的附著,并在剪切力的作用下拉伸成膜。

因此,在實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi),1EHTa管的流動(dòng)狀態(tài)主要受重力控制。在實(shí)際測(cè)試中觀測(cè)到半環(huán)型及環(huán)形流態(tài),這是可能是由于1EHTa管壁面結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流動(dòng)施加的影響導(dǎo)致的。

2.2 R410A在光管和1EHTa管內(nèi)的冷凝換熱特性

光管與1EHTa管冷凝換熱系數(shù)隨干度的變化規(guī)律如圖6所示。1EHTa管的冷凝換熱系數(shù)較光管大1.12～1.88倍。光管換熱系數(shù)隨干度的增加有輕微的增幅,1EHTa管則有較大的增幅。其原因在于,兩相流密度隨著干度的增加而降低,對(duì)流傳熱得到改善。此外,1EHTa管在較高干度下出現(xiàn)環(huán)形流動(dòng),此時(shí)冷凝液膜較均勻的分布于管周,液膜層減薄,熱阻減小,導(dǎo)致傳熱系數(shù)更高。管壁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的換熱面積的增加和液膜熱邊界層破裂導(dǎo)致的熱阻降低,都對(duì)傳熱系數(shù)的增加做出貢獻(xiàn)。隨著干度的增加,1EHTa管底部?jī)?nèi)凹結(jié)構(gòu)暴露在氣相中部分會(huì)逐步增加,該部分附著極薄的液膜,這也大大增加了冷凝傳熱系數(shù)。

圖6 管內(nèi)換熱系數(shù)與干度的關(guān)系Fig.6 Relationship between heat transfer coefficient and vapor quality

圖7呈現(xiàn)了冷凝換熱系數(shù)與質(zhì)量流速的關(guān)系?？梢钥吹诫S著質(zhì)量流速的增加,光管與1EHTa管的換熱系數(shù)均有略微的增幅。DOBSON 和CHATO[22]指出在低質(zhì)量流速下流速的變化對(duì)冷凝換熱系數(shù)的貢獻(xiàn)是微乎其微的。這與本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相似的。在低質(zhì)量流量下分層流和分層波狀流占據(jù)主導(dǎo)地位,在此流態(tài)下熱量的傳遞主要通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式通過(guò)管子頂部液膜。頂部冷凝液在重力作用下向底部匯聚并流出管子。在此狀態(tài)下,影響傳熱系數(shù)的主要因素是液膜厚度,但液膜厚度在波狀流態(tài)下對(duì)質(zhì)量流量并不敏感,所以在實(shí)驗(yàn)流速條件下傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流量的變化不明顯。如在前述,1EHTa管在質(zhì)量流速G＝200 kg·(m2·s)－1時(shí)觀測(cè)到環(huán)形流動(dòng)。在流態(tài)理論中,由分層流向環(huán)形流過(guò)渡時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的換熱性能的提升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)則表現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的換熱系數(shù),環(huán)形流態(tài)對(duì)換熱性能幾乎沒(méi)有影響?？赡苡幸韵略?1)流態(tài)理論中的環(huán)形流動(dòng)是由剪切力作為控制力形成的,而實(shí)際觀測(cè)到1EHTa管的環(huán)形流是由壁面結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。2)較低流速下壁面結(jié)構(gòu)在分層流區(qū)域的影響與環(huán)形流態(tài)對(duì)換熱性能的影響是一致的。1EHTa管冷凝換熱系數(shù)的增加幾乎都由干度帶來(lái)的,從圖中可以明顯的看出干度增加對(duì)換熱系數(shù)的貢獻(xiàn)是極大的。光管則不然,干度的變化并未帶來(lái)?yè)Q熱性能的增加。其原因是,1EHTa管的壁面結(jié)構(gòu)對(duì)冷凝液膜及內(nèi)部蒸汽流動(dòng)帶來(lái)極大的擾動(dòng),一定程度上加強(qiáng)了液相和氣相區(qū)域的對(duì)流換熱。與前述相類似,隨著干度的提升,底部凸起結(jié)構(gòu)暴露在氣相中的區(qū)域加大。該區(qū)域僅有極薄的液膜覆蓋,該區(qū)域的擴(kuò)大導(dǎo)致傳熱性能的提升。

圖7 管內(nèi)質(zhì)量流速與換熱系數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between heat transfer coefficient and mass flux

本研究定義了PF 性能因子來(lái)評(píng)價(jià)1EHTa管內(nèi)冷凝換熱性能。以光管為基準(zhǔn),工質(zhì)在管內(nèi)換熱系數(shù)的比與換熱面積的比的比值。意為除去面積的影響,其余因素對(duì)冷凝換熱性能的改善。PF 計(jì)算公式為

其中,HTC1EHTa和HTCST為1EHTa管和光管的冷凝換熱系數(shù),A1EHTa和AST分別為二者的換熱面積。

圖8為制冷劑R410A 在1EHTa管內(nèi)進(jìn)行冷凝換熱時(shí)的PF 值。

圖8 性能因數(shù)PFFig.8 Performance factors for the 1EHTa tube

1EHTa 管的PF 因子均在1.5 以上。除了1EHTa管內(nèi)換熱面積的增加會(huì)帶來(lái)冷凝換熱系數(shù)的提高,表面結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)管內(nèi)換熱系數(shù)給予正面影響。在3個(gè)不同的流速下,PF 因子均隨著干度的增加在提高。這與前文討論類似,在干度提升時(shí)1EHTa管的表面結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能有很好的改善。干度的增加導(dǎo)致液膜層的減薄,管壁內(nèi)凹結(jié)構(gòu)頂端逐步暴露在氣相中,其上覆蓋極薄的液膜大大提升換熱性能。從圖8也可看出,流速的增加并不一定帶來(lái)PF 因子的增加。質(zhì)量流速200 kg·(m2·s)－1時(shí),1EHTa管PF 因子較低于其他兩個(gè)流速,并且在達(dá)到最高干度時(shí),PF 因子有所下降。這是由于流速的增加對(duì)光管換熱系數(shù)有輕微的增加,而對(duì)1EHTa 管的增幅微乎其微。并且在干度0.8下,觀測(cè)到的流形為環(huán)形流態(tài),此時(shí)液膜層已是極薄的,管子壁面結(jié)構(gòu)帶來(lái)的液膜層湍流、擾動(dòng)等影響有所下降,導(dǎo)致性能因子的降低。

3 結(jié) 論

本次工作主要研究了光管和1EHTa管在不同干度、不同流速時(shí)冷凝工況下的內(nèi)部流態(tài)及換熱性能。主要結(jié)論有:

1)光管和1EHTa管內(nèi)部流動(dòng)均受重力控制,即ΔT-dependent。該流態(tài)下?lián)Q熱性能依賴管內(nèi)外溫差。根據(jù)所拍攝的流形圖,發(fā)現(xiàn)光管和1EHTa管內(nèi)部冷凝流態(tài)主要集中在分層、分層波浪流。在部分干度和流速下出現(xiàn)半環(huán)形、環(huán)形流態(tài)。

2)1EHTa管在較高干度和流速下出現(xiàn)的半環(huán)形、環(huán)形流態(tài),是由于管子壁面結(jié)構(gòu)帶來(lái)液膜層的劇烈擾動(dòng)導(dǎo)致的,其仍然是受重力控制的流動(dòng),剪切力并沒(méi)有達(dá)到環(huán)形流所需要的強(qiáng)度。

3)光管和1EHTa管換熱性能在實(shí)驗(yàn)流速范圍內(nèi),并未隨著流速的增加而顯著增加。這是由于在分層或分層波狀流態(tài)下,液膜厚度對(duì)質(zhì)量流量不敏感。而在此流態(tài)下液膜厚度是換熱性能的主要影響因素。1EHTa管的冷凝換熱系數(shù)比光管大1.12～1.88倍。干度的增加對(duì)兩種管子的換熱性能均有提升,并且對(duì)1EHTa管的提升較為明顯。

4)1EHTa管的PF 因子均在1.5以上,并隨干度的增加而增加。但流速的增加并不一定帶來(lái)PF因子的增加。質(zhì)量流速200 kg·(m2·s)－1時(shí),1EHTa管PF 因子較低于其他兩個(gè)流速,并且在達(dá)到最高干度時(shí),PF 因子有所下降。