王旭 孫凱 閆彩霞 孫云峰 甄琦

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

空調(diào)換熱器性能的改善對(duì)降低能耗、提升空調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義，而微通道換熱器因其結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕、換熱效率高等特點(diǎn)在制冷空調(diào)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)日趨凸顯。通道換熱器首先被美國(guó)使用在民用空調(diào)上，其在美國(guó)家用空調(diào)市場(chǎng)占比約40%，韓國(guó)和日本相當(dāng)，約占30%，而中國(guó)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(diào)節(jié)系統(tǒng)和空調(diào)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(guó)空調(diào)行業(yè)對(duì)鋁扁管的需求預(yù)計(jì)為67 000 t。陳然[3]對(duì)平行流鋁扁管吸附床進(jìn)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(duì)吸附床換熱效果的影響，從而優(yōu)化調(diào)整吸附床的結(jié)構(gòu)，提高其換熱性能。唐晟[4]對(duì)基于多孔鋁扁管的電子芯片熱沉性能展開研究，建立了數(shù)值計(jì)算模型，比較了孔道數(shù)目、高寬比等對(duì)換熱性能的影響效果。孫顯東[5]設(shè)計(jì)了鋁扁管熱性能測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了HCFC-22 在扁管的傳熱系數(shù)和壓降，并利用數(shù)據(jù)對(duì)兩相流傳熱系數(shù)和摩擦壓降模型進(jìn)行了比對(duì)。代傳民[6]測(cè)試了室內(nèi)機(jī)采用平行流換熱器與普通管翅式換熱器的空調(diào)器性能，結(jié)果證明相對(duì)于普通管翅式換熱器的柜機(jī)，采用平行流換熱器時(shí)，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(shù)，因此開展相關(guān)研究對(duì)降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義。

由于多孔鋁扁管內(nèi)單雙相流動(dòng)影響變量多、熱質(zhì)傳遞相態(tài)轉(zhuǎn)化復(fù)雜，氣液兩相流的熱質(zhì)傳遞很難得到精確的數(shù)學(xué)解析解，目前兩相流問題的研究還相當(dāng)依靠實(shí)驗(yàn)方法。近些年，隨著數(shù)值計(jì)算的蓬勃發(fā)展，拓展了兩相流問題的研究方式。數(shù)值計(jì)算可以納入多種影響因素，可以獲取流場(chǎng)的局部細(xì)節(jié)，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)離散數(shù)據(jù)的不足。但數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性有待核實(shí)，而實(shí)驗(yàn)的離散數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理并用數(shù)學(xué)模型的形式描述，才可能得到一般通用的數(shù)學(xué)模型。準(zhǔn)確可靠的多孔鋁扁管內(nèi)換熱特性是其推廣使用的關(guān)鍵?？煽康匿X扁管換熱數(shù)據(jù)依賴實(shí)驗(yàn)研究，因?yàn)楣軆?nèi)的熱質(zhì)傳遞、相態(tài)轉(zhuǎn)變非常復(fù)雜。因此，本文對(duì)多孔鋁扁管內(nèi)的冷凝過程壓降和換熱進(jìn)行了測(cè)試。此外，還將測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)公開的模型進(jìn)行了對(duì)比，給出了預(yù)測(cè)精度較高的關(guān)聯(lián)式。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

研究中多孔鋁扁管的測(cè)試管路包括三個(gè)回路：（1）HCFC-22 回路（含測(cè)試鋁扁管段）；（2）冷卻測(cè)試鋁扁管段的水回路；（3）把制冷劑加熱到設(shè)定干度的預(yù)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(jì)、預(yù)熱段、測(cè)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(jì)、板式換熱器、恒溫槽。

本文測(cè)試的多孔鋁扁管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：流道數(shù)目：10；流道內(nèi)寬：1.6 mm；流道內(nèi)高：1 mm；外寬：1.8 mm；外高：1.8 mm。多孔鋁扁管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 多孔鋁扁管結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)試工況和數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1 測(cè)試工況

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

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

測(cè)試得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的演算方可得到制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)?？倱Q熱量由水側(cè)的熱量平衡來計(jì)算得到。

其中Qt,ts-測(cè)試段換熱量，Cpl,w,ts-測(cè)試段進(jìn)出口水平均溫度下熱容，mw,ts-測(cè)試段水的質(zhì)量流量，Tw,ts,in-測(cè)試段進(jìn)水側(cè)溫度，Tw,ts,out-測(cè)試段出口水平均溫度。

制冷劑進(jìn)口側(cè)干度xin根據(jù)預(yù)熱段熱量平衡計(jì)算得出。制冷劑一側(cè)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(zhuǎn)化為氣液兩相的潛熱Qlat：

其中Qt,ph-預(yù)熱段換熱量，cpl,w,ph-預(yù)熱段水側(cè)進(jìn)出口平均溫度下熱容，mw,ph-水質(zhì)量流量，Tw,ph,in-進(jìn)口側(cè)水溫，Tw,ph,out-出口側(cè)水溫，Qsens-制冷劑顯熱，Qlat-制冷劑潛熱，Cpl,ref-預(yù)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(zhì)量流量，Tsat-制冷劑測(cè)試壓力下的飽和溫度，Tref,ph,in-制冷劑進(jìn)口側(cè)溫度，hlv-制冷劑的汽化潛熱，xin-預(yù)熱段制冷劑出口平均干度。

測(cè)試段制冷劑出口平均干度由下式計(jì)算：

其中Xout-測(cè)試段出口制冷劑平均干度。

對(duì)數(shù)平均溫度LMTD由扁管外的進(jìn)出口水溫及管內(nèi)測(cè)試壓力下制冷劑的飽和溫度計(jì)算得到。

在忽略污垢熱阻的情況下，扁管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù)為：

其中hco-制冷劑側(cè)換熱系數(shù)，Ani-基于多孔鋁扁管管內(nèi)的實(shí)際換熱面積，Ao-測(cè)試鋁扁管的外換熱面積，do-測(cè)試鋁扁管的外當(dāng)量直徑，h0-水側(cè)換熱系數(shù)，di-鋁扁管的內(nèi)當(dāng)量直徑，kw-鋁扁管的導(dǎo)熱系數(shù)。

經(jīng)過廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)Gnielinski 公式[7]能可靠預(yù)測(cè)管內(nèi)單相湍流的換熱系數(shù)，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(jì)算管外水側(cè)的換熱系數(shù)h0：

其中f-Fanning 摩擦系數(shù)，Re-雷諾數(shù)，Pr-普朗特?cái)?shù)，μbulk-中心溫度對(duì)應(yīng)的水粘度，μw-壁面溫度對(duì)應(yīng)的水粘度，kw-為平均溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)，da-是外套管水力直徑。

Fanning 摩擦系數(shù)f選用Petukhov 關(guān)聯(lián)式[8]（適用于3000＜Re＜5×106的光管）：

2.3 實(shí)驗(yàn)不確定度

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量?jī)x器包括鉑電阻、壓力變送器、差壓計(jì)、流量計(jì)，這些設(shè)備都委托具有資質(zhì)的公司進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。直接和間接得到的參數(shù)都按照Moffat[9]描述的步驟計(jì)算了不確定度。通過單向流熱平衡實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)裝置是否準(zhǔn)確。在預(yù)熱段和測(cè)試段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，兩側(cè)工質(zhì)換熱量的偏差在±5%內(nèi)。壓差的最大偏差為量程的±0.05%，換熱系數(shù)的最大偏差為±9.9%。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 冷凝壓降

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

圖2 冷凝壓降與質(zhì)量流速之間的關(guān)系

本文中采用四種模型來預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(guān)聯(lián)式如表1所示。

表1 四種冷凝壓降關(guān)聯(lián)式的描述

圖3 給出了實(shí)驗(yàn)壓降和預(yù)測(cè)壓降之間的關(guān)系。由圖3 可知，采用的多個(gè)公式中，Beattie and Whalley 模型預(yù)測(cè)精度最高，預(yù)測(cè)86.2%測(cè)試結(jié)果的偏差在±30%之內(nèi)。Choi 模型和Friedel 模型預(yù)測(cè)的精度相當(dāng)，Choi 模型預(yù)測(cè)值偏高，F(xiàn)riedel 模型預(yù)測(cè)值偏低，二者均可預(yù)測(cè)79.3%測(cè)試結(jié)果的偏差在±30%之內(nèi)。Muller-Steinhagen and Heck 模型的預(yù)測(cè)精度最差，其預(yù)測(cè)75.8%測(cè)試結(jié)果的偏差在±30%之內(nèi)。

圖3 冷凝壓降與預(yù)測(cè)壓降之間的關(guān)系

3.2 冷凝換熱系數(shù)

圖4 給出了制冷劑兩相冷凝換熱系數(shù)與質(zhì)量流率間的關(guān)系。質(zhì)量流率的增加，換熱系數(shù)也隨之增加，開始時(shí)換熱系數(shù)較小，而后期的換熱系數(shù)增加較快。

圖4 冷凝換熱系數(shù)與質(zhì)量流率間的關(guān)系

本文采用四種模型來預(yù)測(cè)冷凝換熱系數(shù)，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(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)和預(yù)測(cè)換熱系數(shù)之間的關(guān)系，由圖上可以看出，Akers et al 可預(yù)測(cè)75.8%的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差在±20%之內(nèi)，96.6%的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差在±30%之內(nèi)，預(yù)測(cè)精度最高；Koyama et al 可預(yù)測(cè)89.6%的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差在±30%之內(nèi)，Yang and Webb 可預(yù)測(cè)82.7%的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差在±30%之內(nèi)，Shah 的預(yù)測(cè)精度最低。

圖5 實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)和預(yù)測(cè)換熱系數(shù)之間的關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究HCFC-22在多孔鋁扁管的流動(dòng)和傳熱特性，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已公開發(fā)表的研究者的模型進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

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

（2）Beattie and Whalley 模型預(yù)測(cè)壓降的精度最高，預(yù)測(cè)86.2%的測(cè)試點(diǎn)偏差在±30%內(nèi)，Choi 模型和Friedel模型預(yù)測(cè)的精度相當(dāng)。

（3）Akers et al 模型預(yù)測(cè)換熱系數(shù)的精度最高，可預(yù)測(cè)75.8%的測(cè)試點(diǎn)在±20%之內(nèi)，Koyama et al 和Yang and Webb 模型預(yù)測(cè)精度次之。推薦Akers et al 模型中Reeq采用Moser,K.W 公式計(jì)算。