王旭 孫凱 閆彩霞 孫云峰 甄琦

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

空調(diào)換熱器性能的改善對降低能耗、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)構緊湊、耐腐蝕、換熱效率高等特點在制冷空調(diào)領域優(yōu)勢日趨凸顯。通道換熱器首先被美國使用在民用空調(diào)上，其在美國家用空調(diào)市場占比約40%，韓國和日本相當，約占30%，而中國只占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，我國空調(diào)行業(yè)對鋁扁管的需求預計為67 000 t。陳然[3]對平行流鋁扁管吸附床進行了模擬研究，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，提高其換熱性能。唐晟[4]對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)值計算模型，比較了孔道數(shù)目、高寬比等對換熱性能的影響效果。孫顯東[5]設計了鋁扁管熱性能測試系統(tǒng)，測試了HCFC-22 在扁管的傳熱系數(shù)和壓降，并利用數(shù)據(jù)對兩相流傳熱系數(shù)和摩擦壓降模型進行了比對。代傳民[6]測試了室內(nèi)機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)果證明相對于普通管翅式換熱器的柜機，采用平行流換熱器時，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)，因此開展相關研究對降低生產(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)單雙相流動影響變量多、熱質(zhì)傳遞相態(tài)轉(zhuǎn)化復雜，氣液兩相流的熱質(zhì)傳遞很難得到精確的數(shù)學解析解，目前兩相流問題的研究還相當依靠實驗方法。近些年，隨著數(shù)值計算的蓬勃發(fā)展，拓展了兩相流問題的研究方式。數(shù)值計算可以納入多種影響因素，可以獲取流場的局部細節(jié)，可以彌補實驗離散數(shù)據(jù)的不足。但數(shù)值計算的準確性有待核實，而實驗的離散數(shù)據(jù)需要進行處理并用數(shù)學模型的形式描述，才可能得到一般通用的數(shù)學模型。準確可靠的多孔鋁扁管內(nèi)換熱特性是其推廣使用的關鍵?？煽康匿X扁管換熱數(shù)據(jù)依賴實驗研究，因為管內(nèi)的熱質(zhì)傳遞、相態(tài)轉(zhuǎn)變非常復雜。因此，本文對多孔鋁扁管內(nèi)的冷凝過程壓降和換熱進行了測試。此外，還將測試結(jié)果與文獻公開的模型進行了對比，給出了預測精度較高的關聯(lián)式。

1 實驗設備

研究中多孔鋁扁管的測試管路包括三個回路：（1）HCFC-22 回路（含測試鋁扁管段）；（2）冷卻測試鋁扁管段的水回路；（3）把制冷劑加熱到設定干度的預熱段水回路。

HCFC-22 回路主要包含以下部件：制冷劑容器、加壓泵、流量計、預熱段、測試鋁扁管段、冷凝段等。水回路主要包含以下部件：加壓泵、流量計、板式換熱器、恒溫槽。

本文測試的多孔鋁扁管的結(jié)構參數(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)構示意圖如圖1 所示。

圖1 多孔鋁扁管結(jié)構示意圖

2 測試工況和數(shù)據(jù)計算

2.1 測試工況

測試采用的制冷劑為HCFC-22，選定的冷凝測試工況為：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)計算

測試得到的數(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)。總換熱量由水側(cè)的熱量平衡來計算得到。

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

制冷劑進口側(cè)干度xin根據(jù)預熱段熱量平衡計算得出。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-預熱段換熱量，cpl,w,ph-預熱段水側(cè)進出口平均溫度下熱容，mw,ph-水質(zhì)量流量，Tw,ph,in-進口側(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-制冷劑測試壓力下的飽和溫度，Tref,ph,in-制冷劑進口側(cè)溫度，hlv-制冷劑的汽化潛熱，xin-預熱段制冷劑出口平均干度。

測試段制冷劑出口平均干度由下式計算：

其中Xout-測試段出口制冷劑平均干度。

對數(shù)平均溫度LMTD由扁管外的進出口水溫及管內(nèi)測試壓力下制冷劑的飽和溫度計算得到。

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)的實際換熱面積，Ao-測試鋁扁管的外換熱面積，do-測試鋁扁管的外當量直徑，h0-水側(cè)換熱系數(shù)，di-鋁扁管的內(nèi)當量直徑，kw-鋁扁管的導熱系數(shù)。

經(jīng)過廣泛的實驗驗證，證實Gnielinski 公式[7]能可靠預測管內(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-普朗特數(shù)，μbulk-中心溫度對應的水粘度，μw-壁面溫度對應的水粘度，kw-為平均溫度下水的導熱系數(shù)，da-是外套管水力直徑。

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

2.3 實驗不確定度

實驗中測量儀器包括鉑電阻、壓力變送器、差壓計、流量計，這些設備都委托具有資質(zhì)的公司進行設備校準。直接和間接得到的參數(shù)都按照Moffat[9]描述的步驟計算了不確定度。通過單向流熱平衡實驗來檢驗裝置是否準確。在預熱段和測試段實驗數(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)量流速之間的關系

本文中采用四種模型來預測實驗壓降，四種模型分別為Choi et al.[10]、Beattie and Whalley[11]、Muller-Steinhagen and Heck[12]、Friedal[13]模型，這四種冷凝壓降關聯(lián)式如表1所示。

表1 四種冷凝壓降關聯(lián)式的描述

圖3 給出了實驗壓降和預測壓降之間的關系。由圖3 可知，采用的多個公式中，Beattie and Whalley 模型預測精度最高，預測86.2%測試結(jié)果的偏差在±30%之內(nèi)。Choi 模型和Friedel 模型預測的精度相當，Choi 模型預測值偏高，F(xiàn)riedel 模型預測值偏低，二者均可預測79.3%測試結(jié)果的偏差在±30%之內(nèi)。Muller-Steinhagen and Heck 模型的預測精度最差，其預測75.8%測試結(jié)果的偏差在±30%之內(nèi)。

圖3 冷凝壓降與預測壓降之間的關系

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)量流率間的關系。質(zhì)量流率的增加，換熱系數(shù)也隨之增加，開始時換熱系數(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)量流率間的關系

本文采用四種模型來預測冷凝換熱系數(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 給出了實驗換熱系數(shù)和預測換熱系數(shù)之間的關系，由圖上可以看出，Akers et al 可預測75.8%的數(shù)據(jù)點偏差在±20%之內(nèi)，96.6%的數(shù)據(jù)點偏差在±30%之內(nèi)，預測精度最高；Koyama et al 可預測89.6%的數(shù)據(jù)點偏差在±30%之內(nèi)，Yang and Webb 可預測82.7%的數(shù)據(jù)點偏差在±30%之內(nèi)，Shah 的預測精度最低。

圖5 實驗換熱系數(shù)和預測換熱系數(shù)之間的關系圖

4 結(jié)論

通過實驗研究HCFC-22在多孔鋁扁管的流動和傳熱特性，并將實驗結(jié)果與已公開發(fā)表的研究者的模型進行對比，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)量流速較小的時候增加緩慢，而在質(zhì)量流速較大的時候增加較快。

（2）Beattie and Whalley 模型預測壓降的精度最高，預測86.2%的測試點偏差在±30%內(nèi)，Choi 模型和Friedel模型預測的精度相當。

（3）Akers et al 模型預測換熱系數(shù)的精度最高，可預測75.8%的測試點在±20%之內(nèi)，Koyama et al 和Yang and Webb 模型預測精度次之。推薦Akers et al 模型中Reeq采用Moser,K.W 公式計算。