張建國 黃理浩

(1 中頡能源科技(上海)有限公司 上海 200241)

(2 上海理工大學制冷及低溫工程研究所 上海 200093)

1 引言

因能源短缺和溫室效應問題,目前世界各國都在致力于尋求提高能源利用率的途徑。 換熱器效率的高低直接關系到能源利用率的高低,如何提高換熱器效率關鍵在于強化傳熱技術。 強化傳熱一直是提高能源效率的一個重要因素。 管內冷凝換熱廣泛應用于空調系統(tǒng)、發(fā)電機和海水淡化。 各種表面結構,如微型翅片、微小/微尺度元件、具有特殊的尺寸設計如凹坑、粗糙度和不同的形狀,已被開發(fā)到管內中,來提高冷凝傳熱性能[1]。

近年來,加強管內傳熱機理的研究越來越受到重視,并已應用于許多換熱設備。 換熱器的效率影響整個換熱器和制冷系統(tǒng)的效率和能耗。 Diani 等[2]搭建管內測試實驗臺,比較了R513A 在3.5 mm-ID 光滑管和3.4 mm-ID 微肋管內的冷凝傳熱特性。 他們通過比較突出顯示微肋管在哪些工況下導致傳熱的增強,而不是單純的增加傳熱面積。 其結果表明,制冷劑在低質量流速下,傳熱增強最為有效。 Bashar 等[3]測量了R1234yf 和R134a 在2.5 mm-OD(外徑)光滑和微肋管內的冷凝傳熱系數(shù)。 實驗工況:飽和溫度為20 ℃和30 ℃、質量流速為50—200 kg/(m2·s)和干度為0—1。 結果表明:R134a 的傳熱性能比R1234yf稍高,而這種差異主要源于工質熱物理特性的不同。Del Col 等[4]比較了R1234ze(E)、R1234yf 和R134a在單個0.96 mm 的圓形通道內的冷凝特性,3 種不同的制冷劑表現(xiàn)出相似的冷凝傳熱性能,但R1234ze(E)的綜合傳熱性能較優(yōu)以及壓降最小。 Cavallini等[5]給出了R32、R134a、R125、R410A 和R236ea 等制冷劑在質量流量為100—750 kg/(m2·s)范圍內的8 mm 水平光滑管內的冷凝傳熱性能和壓降,研究干度、流速、飽和溫度以及壁面溫度與飽和溫度的溫差對傳熱性能的影響。 此外,在過去的幾十年中,關于冷凝傳熱計算方法的研究也得到了廣泛的普及。傳統(tǒng)的制冷劑在光滑管內冷凝傳熱模型,例如Cavallini 和Zecchin[6]以及Dobson 和Chato[7],其計算值大大超出小管徑的實驗數(shù)據(jù),而經典的Akers 等的公式[8]顯示了對管內冷凝實驗的良好預測能力。

強化管相對于光管能夠顯著提升傳熱性能,但眾多學者對其具體的強化機理仍未有明確共識。 強化傳熱是使換熱器結構緊湊的重要方法之一,提高傳熱系數(shù)和減小壓降對于緊湊型換熱器的設計開發(fā)具有重要意義。 研究如何提升強化管的換熱效果、減少壓降,對于推動制冷劑的替換,換熱器緊湊化,評價強化管換熱效果,提高制冷設備能效,具有重要價值。 實踐和理論表明,研究不同制冷工質在不同齒型參數(shù)、不同工況下的冷凝和蒸發(fā)換熱及壓降特性,并且用實驗的方式來驗證和改進已有理論的準確性,對換熱器和制冷系統(tǒng)的設計和應用有重要幫助,對整個行業(yè)的發(fā)展有重要意義。

基于上述背景,搭建一個集蒸發(fā)/冷凝于一體的水平單管換熱實驗臺,用于測試強化管的傳熱性能,對強化管的傳熱機理、性能進行分析和預測,并找到強化管的改進方向。

2 實驗系統(tǒng)

水平管內的測試裝置示意圖如圖1 所示。 它主要由測試段的制冷劑回路和用于冷卻或加熱測試段的水回路組成。 制冷劑回路由儲液罐、制冷劑泵、壓力調節(jié)閥、質量流量計、預熱器、試驗段、視液鏡等組成。 質量流量計用于測量制冷劑的流量。 當開展冷凝實驗時,來自儲液罐的過冷制冷劑被預熱器加熱,并確保在預熱器出口處過熱度為2—3 ℃,之后制冷劑進入測試段,被另一側的冷卻水冷凝。 PT100 的鉑電阻和壓力傳感器位于測試段的入口和出口處,以確定制冷劑的狀態(tài)。 水回路由泵、體積流量計、加熱器和冷卻系統(tǒng)組成。 泡沫絕緣材料用于保證系統(tǒng)設備的保溫性能。 圖2 為管內測試段的示意圖,圖3 為微肋管徑向切面及微觀尺寸圖。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 測試段的示意圖Fig.2 Schematic drawing of test section

圖3 微肋管徑向切面及微觀尺寸圖do-管外徑;e-肋高;di-管內徑;b-肋間距;t-平均壁厚;γ-齒頂角;ns-齒數(shù);β-螺旋角;AR-放大比;pf-螺距Fig.3 A cut-way review and a microphotography of microfin tube

R410A 的冷凝測試工況:飽和溫度為30 ℃、35 ℃和40 ℃、制冷劑質量流速范圍為300—900 kg/(m2·s)用于7 mm 管外徑的冷凝測試以及水側雷諾數(shù)為8000—24 000。 試驗段入口制冷劑過熱度為2—3 ℃,試驗段出口制冷劑過冷度為2—3 ℃左右。 表1 為測試管的規(guī)格尺寸。

表1 測試管參數(shù)Table 1 Test tube parameters

3 數(shù)據(jù)處理

測試段各個測點的焓值可以根據(jù)相應的制冷劑溫度和壓力從REFPROP9.0 獲得。

(1)測試段總傳熱系數(shù)

式中:Qr、Qw分別為制冷劑側和水側換熱量,Ao為測試管外表面積,ΔTm為測試段的對數(shù)平均溫差。

(2)水側傳熱系數(shù)hw的計算,采用Gnielinski 經驗關聯(lián)式[9]:

式中:μf和μw分別為流體中心溫度和壁面溫度對應的流體粘度,用來修正溫度的水的粘度物性的影響,λw為平均水溫下水的導熱系數(shù),Pr為平均水溫下的普朗特數(shù)。

(3)摩擦系數(shù)f按Petukhov 公式[10],適用雷諾數(shù)范圍為3 000 ＜Re＜5 ×106:

(4)總熱阻由制冷劑側熱阻、水側熱阻和管壁導熱熱阻以及污垢熱阻組成,由于測試管為新管可以忽略污垢熱阻:

式中:di和do分別為銅管內徑和外徑,λ為銅管導熱系數(shù),hr為制冷劑側傳熱系數(shù),Ai和Ao分別為銅管內外表面面積。

(5)通過分離水側熱阻,則制冷劑側傳熱系數(shù)hr:

式中:Q為制冷劑側和水側換熱量Qr、Qw的平均值。

4 實驗結果與討論

4.1 質量流速的影響

質量流速的大小對傳熱系數(shù)具有顯著影響。 在高質量流速時,螺紋管的換熱強化機制主要是由于內表面面積的增加;而在低質量流速時,表面張力和界面湍流引起的液膜分布改善則是強化傳熱的主要原因。 圖4 為冷卻水Re=14 000,冷凝溫度為35 ℃時,外徑為7 mm 的不同螺紋管和光管,在不同的R410A質量流速下的傳熱系數(shù)大小,其中縱坐標hr為螺紋管制冷劑側內傳熱系數(shù),橫坐標Gr為管內制冷劑質量流速。

圖4 7 mm 管冷凝傳熱系數(shù)(強化管VS 光管)Fig.4 Condensation heat transfer coefficient of 7 mm tube(enhanced tube vs smooth tube)

從實驗結果可以看出,各實驗管質量流速越高,傳熱系數(shù)越高。 因為管道內制冷劑沿程冷凝過程中,干度逐漸減小,制冷劑從環(huán)狀流轉變?yōu)殚g歇流,質量流速越大,轉變得越晚,環(huán)狀流長度越長、間歇流越短,制冷劑在環(huán)狀流時傳熱系數(shù)最大。 質量流速越高,制冷劑的湍流程度越高,所以質量流速越大換熱越好。 此外,隨著質量流速的增加,氣液相的流速均會增加,飽和溫度為35 ℃時,R410A 氣液相密度分別為88.851 kg/m3和1 005.1 kg/m3,和液相相比,氣相的密度小的多,故質量流速變大時,氣相流速增幅遠大于液相,這會增加兩相流體間的擾動,增強換熱。 因此,不同流型代表的傳熱機理也不同,如何延長環(huán)狀流的影響區(qū)域對管內冷凝強化換熱有著重要的作用。

4.2 肋結構的影響

螺紋管能夠強化換熱,傳熱系數(shù)約是光管的1.7—3.2 倍,強化傳熱約有40%—79% 是由內表面積增加引起,21%—60%是由湍流增強等因素引起,視工況和管型而不同。 強化管對冷凝換熱的強化主要有兩方面原因:(1)和光管相比,內螺紋的肋增加了換熱表面積,內表面面積擴展比約為1.5—2.0。(2)內螺紋能夠破壞邊界層、增加湍流度、將液相制冷劑向管道中心集中、氣相向管壁集中等。 相同質量流速下,與光管相比,由于離心力和表面張力的緣故,螺紋管可以延長低干度下的環(huán)狀流的長度,流體在處于環(huán)狀流時的換熱性能最好。

螺紋管齒型參數(shù)對換熱性能具有很大影響。 從圖4 可以看出,6#管傳熱系數(shù)大于同管徑的5#管。它們的主要區(qū)別在于5#管的螺旋角為18°,6#管為28°。 較大的螺旋角強化傳熱機理:一方面較大的螺旋角造成螺距較大,使得肋的長度增加、銅管內表面面積大,另一方面較大的螺旋角在產生二次流、增加湍流效應方面作用效果更好。 螺旋角在兩相流質量流速較大時,液相制冷劑會受到離心力,液膜均勻分布在管壁四周,可以減薄液膜厚度、減小熱阻,增加徑向速度,較大的螺旋角效果這一現(xiàn)象更明顯。 所以6#管的傳熱系數(shù)更高,較大的螺旋角能夠增強傳熱。

在圖4 的5 種7 mm 螺紋管中,2#管具有最高的傳熱系數(shù)(6.2—14.1 kW/(m2·K)),接下來依次為3#、6#、5#和4#,這一順序恰好和螺紋管螺旋角的大小順序基本一致(40°、30°、18°、18°、15°),同時可以觀察到,齒高從小到大依次為2#(0.12 mm)、3#(0.15 mm)、4#(0.18 mm)、6#(0.22 mm) 和5#(0.22 mm),這說明雖然隨著螺旋角和齒高增大,傳熱系數(shù)增大,但螺旋角的強化效果要大于齒高。 在5根螺紋管中,2#管的齒高最小,螺旋角最大(40°),齒數(shù)相差不大,其內表面面積最小,這說明齒高相比于其他參數(shù)對內表面面積的影響較大。

4.3 冷凝溫度的影響

圖5 是冷凝溫度30 ℃、35 ℃和40 ℃時,外徑為7 mm 的1#—6#管的制冷劑側傳熱系數(shù)隨制冷劑質量流速的變化情況,表2 為R410A 在飽和溫度為30 ℃、35 ℃和40 ℃時的物性參數(shù)表。 由圖5 可知,相同質量流速時,30 ℃比40 ℃的制冷劑傳熱系數(shù)高,即冷凝溫度越低,換熱越好。 結合R410A 物性參數(shù),這主要是因為冷凝溫度越低,制冷劑氣液兩相飽和狀態(tài)焓差即汽化潛熱越大,導熱系數(shù)越大,同時,冷凝溫度越低,制冷劑氣相密度越小、液相密度越大,氣相所占空間較大,冷凝時傳熱面積大。 一定的質量流量時,氣液相的密度比越小,制冷劑的流動速度越高,增強了湍流效應,能夠強化傳熱。 冷凝溫度越低,R410A 的粘度越小,液膜形成的邊界層越薄,故換熱效果越好。 因此,制冷劑氣液相物性的變化對管內冷凝流動狀態(tài)及液膜厚度的變化有重要的作用。 降低冷凝溫度可以提高液相導熱性能及降低氣相粘度,有利于強化傳熱。

圖5 不同飽和溫度下的冷凝傳熱系數(shù)(Re =14 000)Fig.5 Condensation heat transfer coefficient at different saturation temperatures(Re =14 000)

表2 不同飽和溫度下的R410A 物性表Table 2 Physical properties of R410A at different saturation temperatures

5 結論

實驗研究飽和溫度為30 ℃、35 ℃和40 ℃,制冷劑質量流速為300—900 kg/(m2·s),水側雷諾數(shù)為8 000—24 000。 R410A 制冷劑在一根光管和五根水平管內強化冷凝換熱性能,結論如下:

(1)不同流型其傳熱機理也不同,流體處于環(huán)狀流有利于強化傳熱。 質量流速越大,制冷劑的湍流程度越高,流型轉變得越晚,環(huán)狀流長度越長、間歇流越短,制冷劑在環(huán)狀流時傳熱系數(shù)最大。

(2)較大的螺旋角能夠增大銅管內表面積和增加湍流效應,有利于強化傳熱;齒高相對于其它肋參數(shù)對內表面積的影響較小,強化傳熱效果較弱。

(3)制冷劑氣液相物性隨著冷凝溫度的變化而變化,降低冷凝溫度可以提高液相導熱性能及降低氣相粘度,有利于強化傳熱。