鐘天明，白浩賢，丁力行，陳姝，李浩堃，謝宇，周廣

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州，510225）

0 引言

管翅式蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于各種制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)中，是系統(tǒng)中進(jìn)行能量傳遞的關(guān)鍵部件，因此其熱力性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的效率有重要影響［1,］。

學(xué)者們對(duì)管翅式蒸發(fā)器的綜合性能進(jìn)行了廣泛的研究，張?zhí)鞁傻龋?］構(gòu)建了新型多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)表面強(qiáng)化管，探究表面結(jié)構(gòu)對(duì)豎管降膜流動(dòng)特性的影響，當(dāng)Re達(dá)到4200時(shí)，強(qiáng)化管的平均降膜波動(dòng)強(qiáng)度較光管高出約8%。劉馨等［3］模擬研究了R1234yf在套管式蒸發(fā)器的傳熱特性，結(jié)果表明，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨著干度的增加，先升高后降低，并在干度約為0.7 時(shí)達(dá)到峰值。

鐘天明等［4］基于經(jīng)典管內(nèi)沸騰理論，根據(jù)換熱流體在高干度區(qū)域（約0.7 ～0.9）可大幅度提高換熱效率的現(xiàn)象，提出高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建機(jī)制以及高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器。新型高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器的熱力性能尚未獲得深入研究。本文采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)建造的高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器進(jìn)行傳熱特性以及壓降特性研究，并利用綜合性能指標(biāo)獲得新型蒸發(fā)器熱力性能的綜合評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 兩種蒸發(fā)器

圖1是新型高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器（efficient flow-pattern global-construction evaporator，EFGE）。高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器由翅片管排和一對(duì)集液聯(lián)箱構(gòu)成，翅片管與兩端集液管連通。聯(lián)箱在前后管程交接處的聯(lián)箱中設(shè)置一隔板組，兩側(cè)聯(lián)箱共設(shè)置10組隔板，蒸發(fā)器被分成11個(gè)管程，其中1-9管程的隔板組由開孔隔板和盲隔板構(gòu)成，配合應(yīng)用，而10-11管程的隔板則只有盲板（干度已很高，不再需要分流），其中沿聯(lián)箱流動(dòng)軸向，開孔隔板設(shè)置在盲隔板的前面，而且兩隔板間設(shè)置換熱管。其中開孔隔板，稱作分流器，分流器小孔的孔徑為3 mm～5.0mm。通過(guò)9組分流器在蒸發(fā)器全干度域進(jìn)行高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建，從而有效強(qiáng)化低干度流蒸發(fā)效率，使得整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程均獲得有效強(qiáng)化。本文建造的高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器，以某品牌3HP熱泵熱水器的普通平行流蒸發(fā)器換熱管數(shù)和總面積為基礎(chǔ)，并與該平行流蒸發(fā)器的熱力性能進(jìn)行對(duì)比。由于分流器開孔和導(dǎo)管結(jié)構(gòu)尚無(wú)準(zhǔn)確理論計(jì)算方法，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)樣品中選出最優(yōu)。兩蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸列于表1中。

表1 兩種蒸發(fā)器幾何尺寸

圖1 （a）高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器（b）平行流蒸發(fā)器

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文使用換熱器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行熱力性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)有兩個(gè)循環(huán)回路構(gòu)成，分別是制冷劑循環(huán)和空氣處理模塊。被測(cè)蒸發(fā)器的進(jìn)口干度通過(guò)預(yù)冷器和外繞式預(yù)熱器調(diào)節(jié)，其出口干度將由過(guò)熱器調(diào)節(jié)成過(guò)熱。被測(cè)蒸發(fā)器設(shè)置在恒溫室的風(fēng)道中，恒溫室的空氣溫度由空氣處理模塊進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。測(cè)試系統(tǒng)中必要節(jié)點(diǎn)的溫度和壓力均有傳感器進(jìn)行測(cè)量，風(fēng)道的空氣流量經(jīng)均流器充分混合后進(jìn)行測(cè)量。22根熱電偶沿蒸發(fā)器各管程中點(diǎn)設(shè)置，測(cè)量翅片管的傳熱壁溫；另設(shè)22根熱電偶于蒸發(fā)器各管程末端，測(cè)量翅片管的絕熱壁溫。

圖2 換熱器測(cè)試系統(tǒng)

11..33 誤誤差差分分析析

最后，最小熵增數(shù)的最大相對(duì)誤差為±7.3%。

2 結(jié)果分析

圖3是兩種蒸發(fā)器的管內(nèi)傳熱系數(shù)h和總傳熱系數(shù)K隨截面質(zhì)量流量變化的規(guī)律。當(dāng)截面質(zhì)量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1時(shí)，EFGE的管內(nèi)傳熱系數(shù)在平均干度為0.25下增大82.3%，管內(nèi)傳熱系數(shù)在平均干度為0.75下增大75.1%。當(dāng)平均干度由0.25提升為0.75時(shí)，EFGE的管內(nèi)傳熱系數(shù)增大86.1%～93.8%。當(dāng)截面質(zhì)量流量由250 kgm-2s-1增至750 kgm-2s-1時(shí)，PFE的管內(nèi)傳熱系數(shù)在平均干度為0.25下增大84.5%，在平均干度為0.75下增大59.0%。當(dāng)平均干度由0.25提升為0.75時(shí)，PFE的管內(nèi)傳熱系數(shù)增大80.4%～109.3%。EFGE的管內(nèi)傳熱系數(shù)較PFE高18.1% ～ 32.2%。當(dāng)平均干度為0.25時(shí)，EFGE的總傳熱系數(shù)較PFE高5.6%～8.7%；當(dāng)平均干度為0.75時(shí)，EFGE的總傳熱系數(shù)較PFE高4.1%～5.9%。

圖3 兩種蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)變化

圖4是是兩種蒸發(fā)器的管內(nèi)壓降隨截面質(zhì)量流量變化的規(guī)律。當(dāng)截面質(zhì)量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1時(shí)，EFGE的管內(nèi)壓降在平均干度為0.25下增大1.23倍，在平均干度為0.75下增大0.95倍。當(dāng)平均干度由0.25提升為0.75時(shí)，EFGE的管內(nèi)壓降增大1.15倍～1.44倍；當(dāng)截面質(zhì)量流量由250 kgm-2s-1增至750 kgm-2s-1時(shí)，PFE的管內(nèi)壓降在平均干度為0.25下增大81.5%，在平均干度為0.75下增大79.2%。當(dāng)平均干度由0.25提升為0.75時(shí)，PFE的管內(nèi)壓降增大73.6%～92.5%。EFGE的管內(nèi)壓降在截面質(zhì)量流量為250 kgm-2s-1時(shí)較PFE低9.5% ～ 17.6%，在截面質(zhì)量流量為750 kgm-2s-1時(shí)較PFE高0.8% ～ 9.5%。

圖4 兩種蒸發(fā)器的管內(nèi)壓降變化規(guī)律

圖5是EFGE和PFE的最小熵增數(shù)（NS）隨質(zhì)量流量變化的規(guī)律。當(dāng)截面質(zhì)量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1時(shí)，EFGE和PFE的最小熵增數(shù)在平均干度為0.25下增大約1.3-1.8倍，在平均干度為0.75下增大1.2～1.4倍。當(dāng)平均干度由0.25提升為0.75時(shí)，EFGE與PFE的最小熵增數(shù)增大0.75倍～1.08倍。在平均干度0.25下，截面質(zhì)量流量由250 kgm-2s-1至750kgm-2s-1時(shí)，EFGE的最小熵增數(shù)是PFE的89%～123%；在平均干度0.75下，截面質(zhì)量流量由250kgm-2s-1至750kgm-2s-1時(shí)，EFGE的最小熵增數(shù)是PFE的93%～105%。此外，隨實(shí)驗(yàn)質(zhì)量流量增大，EFGE的最小熵增數(shù)由低于PFE逐漸超越PFE。主要原因是隨截面質(zhì)量流量增大，EFGE的壓降趨于較PFE高，隨之帶來(lái)更大的熵增。

圖5 兩蒸發(fā)器換熱管的最小熵增數(shù)

3 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了新型的高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器的管內(nèi)熱力性能，并與同類普通蒸發(fā)器進(jìn)行對(duì)比，獲得以下結(jié)論：

1）新型高效蒸發(fā)流型全域構(gòu)建蒸發(fā)器能增強(qiáng)管內(nèi)傳熱系數(shù)，而蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)可獲得約4%～9%的強(qiáng)化。

2）EFGE的管內(nèi)總壓降僅在低截面質(zhì)量流量下較PFE低，在高截面質(zhì)量流量下，EFGE的壓降存在一定劣勢(shì)。

3）根據(jù)最小熵增數(shù)，當(dāng)截面質(zhì)量流量低于約550kgm-2s-1時(shí)，EFGE較PFE擁有更優(yōu)熱力性能；當(dāng)截面質(zhì)量流量高于約550kgm-2s-1時(shí)，EFGE的熱力性能將劣于PFE。