张建国 黄理浩

(1 中颉能源科技(上海)有限公司 上海 200241)

(2 上海理工大学制冷及低温工程研究所 上海 200093)

1 引言

因能源短缺和温室效应问题,目前世界各国都在致力于寻求提高能源利用率的途径。 换热器效率的高低直接关系到能源利用率的高低,如何提高换热器效率关键在于强化传热技术。 强化传热一直是提高能源效率的一个重要因素。 管内冷凝换热广泛应用于空调系统、发电机和海水淡化。 各种表面结构,如微型翅片、微小/微尺度元件、具有特殊的尺寸设计如凹坑、粗糙度和不同的形状,已被开发到管内中,来提高冷凝传热性能[1]。

近年来,加强管内传热机理的研究越来越受到重视,并已应用于许多换热设备。 换热器的效率影响整个换热器和制冷系统的效率和能耗。 Diani 等[2]搭建管内测试实验台,比较了R513A 在3.5 mm-ID 光滑管和3.4 mm-ID 微肋管内的冷凝传热特性。 他们通过比较突出显示微肋管在哪些工况下导致传热的增强,而不是单纯的增加传热面积。 其结果表明,制冷剂在低质量流速下,传热增强最为有效。 Bashar 等[3]测量了R1234yf 和R134a 在2.5 mm-OD(外径)光滑和微肋管内的冷凝传热系数。 实验工况:饱和温度为20 ℃和30 ℃、质量流速为50—200 kg/(m2·s)和干度为0—1。 结果表明:R134a 的传热性能比R1234yf稍高,而这种差异主要源于工质热物理特性的不同。Del Col 等[4]比较了R1234ze(E)、R1234yf 和R134a在单个0.96 mm 的圆形通道内的冷凝特性,3 种不同的制冷剂表现出相似的冷凝传热性能,但R1234ze(E)的综合传热性能较优以及压降最小。 Cavallini等[5]给出了R32、R134a、R125、R410A 和R236ea 等制冷剂在质量流量为100—750 kg/(m2·s)范围内的8 mm 水平光滑管内的冷凝传热性能和压降,研究干度、流速、饱和温度以及壁面温度与饱和温度的温差对传热性能的影响。 此外,在过去的几十年中,关于冷凝传热计算方法的研究也得到了广泛的普及。传统的制冷剂在光滑管内冷凝传热模型,例如Cavallini 和Zecchin[6]以及Dobson 和Chato[7],其计算值大大超出小管径的实验数据,而经典的Akers 等的公式[8]显示了对管内冷凝实验的良好预测能力。

强化管相对于光管能够显著提升传热性能,但众多学者对其具体的强化机理仍未有明确共识。 强化传热是使换热器结构紧凑的重要方法之一,提高传热系数和减小压降对于紧凑型换热器的设计开发具有重要意义。 研究如何提升强化管的换热效果、减少压降,对于推动制冷剂的替换,换热器紧凑化,评价强化管换热效果,提高制冷设备能效,具有重要价值。 实践和理论表明,研究不同制冷工质在不同齿型参数、不同工况下的冷凝和蒸发换热及压降特性,并且用实验的方式来验证和改进已有理论的准确性,对换热器和制冷系统的设计和应用有重要帮助,对整个行业的发展有重要意义。

基于上述背景,搭建一个集蒸发/冷凝于一体的水平单管换热实验台,用于测试强化管的传热性能,对强化管的传热机理、性能进行分析和预测,并找到强化管的改进方向。

2 实验系统

水平管内的测试装置示意图如图1 所示。 它主要由测试段的制冷剂回路和用于冷却或加热测试段的水回路组成。 制冷剂回路由储液罐、制冷剂泵、压力调节阀、质量流量计、预热器、试验段、视液镜等组成。 质量流量计用于测量制冷剂的流量。 当开展冷凝实验时,来自储液罐的过冷制冷剂被预热器加热,并确保在预热器出口处过热度为2—3 ℃,之后制冷剂进入测试段,被另一侧的冷却水冷凝。 PT100 的铂电阻和压力传感器位于测试段的入口和出口处,以确定制冷剂的状态。 水回路由泵、体积流量计、加热器和冷却系统组成。 泡沫绝缘材料用于保证系统设备的保温性能。 图2 为管内测试段的示意图,图3 为微肋管径向切面及微观尺寸图。

图1 实验系统原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

图2 测试段的示意图Fig.2 Schematic drawing of test section

图3 微肋管径向切面及微观尺寸图do-管外径;e-肋高;di-管内径;b-肋间距;t-平均壁厚;γ-齿顶角;ns-齿数;β-螺旋角;AR-放大比;pf-螺距Fig.3 A cut-way review and a microphotography of microfin tube

R410A 的冷凝测试工况:饱和温度为30 ℃、35 ℃和40 ℃、制冷剂质量流速范围为300—900 kg/(m2·s)用于7 mm 管外径的冷凝测试以及水侧雷诺数为8000—24 000。 试验段入口制冷剂过热度为2—3 ℃,试验段出口制冷剂过冷度为2—3 ℃左右。 表1 为测试管的规格尺寸。

表1 测试管参数Table 1 Test tube parameters

3 数据处理

测试段各个测点的焓值可以根据相应的制冷剂温度和压力从REFPROP9.0 获得。

(1)测试段总传热系数

式中:Qr、Qw分别为制冷剂侧和水侧换热量,Ao为测试管外表面积,ΔTm为测试段的对数平均温差。

(2)水侧传热系数hw的计算,采用Gnielinski 经验关联式[9]:

式中:μf和μw分别为流体中心温度和壁面温度对应的流体粘度,用来修正温度的水的粘度物性的影响,λw为平均水温下水的导热系数,Pr为平均水温下的普朗特数。

(3)摩擦系数f按Petukhov 公式[10],适用雷诺数范围为3 000 ＜Re＜5 ×106:

(4)总热阻由制冷剂侧热阻、水侧热阻和管壁导热热阻以及污垢热阻组成,由于测试管为新管可以忽略污垢热阻:

式中:di和do分别为铜管内径和外径,λ为铜管导热系数,hr为制冷剂侧传热系数,Ai和Ao分别为铜管内外表面面积。

(5)通过分离水侧热阻,则制冷剂侧传热系数hr:

式中:Q为制冷剂侧和水侧换热量Qr、Qw的平均值。

4 实验结果与讨论

4.1 质量流速的影响

质量流速的大小对传热系数具有显著影响。 在高质量流速时,螺纹管的换热强化机制主要是由于内表面面积的增加;而在低质量流速时,表面张力和界面湍流引起的液膜分布改善则是强化传热的主要原因。 图4 为冷却水Re=14 000,冷凝温度为35 ℃时,外径为7 mm 的不同螺纹管和光管,在不同的R410A质量流速下的传热系数大小,其中纵坐标hr为螺纹管制冷剂侧内传热系数,横坐标Gr为管内制冷剂质量流速。

图4 7 mm 管冷凝传热系数(强化管VS 光管)Fig.4 Condensation heat transfer coefficient of 7 mm tube(enhanced tube vs smooth tube)

从实验结果可以看出,各实验管质量流速越高,传热系数越高。 因为管道内制冷剂沿程冷凝过程中,干度逐渐减小,制冷剂从环状流转变为间歇流,质量流速越大,转变得越晚,环状流长度越长、间歇流越短,制冷剂在环状流时传热系数最大。 质量流速越高,制冷剂的湍流程度越高,所以质量流速越大换热越好。 此外,随着质量流速的增加,气液相的流速均会增加,饱和温度为35 ℃时,R410A 气液相密度分别为88.851 kg/m3和1 005.1 kg/m3,和液相相比,气相的密度小的多,故质量流速变大时,气相流速增幅远大于液相,这会增加两相流体间的扰动,增强换热。 因此,不同流型代表的传热机理也不同,如何延长环状流的影响区域对管内冷凝强化换热有着重要的作用。

4.2 肋结构的影响

螺纹管能够强化换热,传热系数约是光管的1.7—3.2 倍,强化传热约有40%—79% 是由内表面积增加引起,21%—60%是由湍流增强等因素引起,视工况和管型而不同。 强化管对冷凝换热的强化主要有两方面原因:(1)和光管相比,内螺纹的肋增加了换热表面积,内表面面积扩展比约为1.5—2.0。(2)内螺纹能够破坏边界层、增加湍流度、将液相制冷剂向管道中心集中、气相向管壁集中等。 相同质量流速下,与光管相比,由于离心力和表面张力的缘故,螺纹管可以延长低干度下的环状流的长度,流体在处于环状流时的换热性能最好。

螺纹管齿型参数对换热性能具有很大影响。 从图4 可以看出,6#管传热系数大于同管径的5#管。它们的主要区别在于5#管的螺旋角为18°,6#管为28°。 较大的螺旋角强化传热机理:一方面较大的螺旋角造成螺距较大,使得肋的长度增加、铜管内表面面积大,另一方面较大的螺旋角在产生二次流、增加湍流效应方面作用效果更好。 螺旋角在两相流质量流速较大时,液相制冷剂会受到离心力,液膜均匀分布在管壁四周,可以减薄液膜厚度、减小热阻,增加径向速度,较大的螺旋角效果这一现象更明显。 所以6#管的传热系数更高,较大的螺旋角能够增强传热。

在图4 的5 种7 mm 螺纹管中,2#管具有最高的传热系数(6.2—14.1 kW/(m2·K)),接下来依次为3#、6#、5#和4#,这一顺序恰好和螺纹管螺旋角的大小顺序基本一致(40°、30°、18°、18°、15°),同时可以观察到,齿高从小到大依次为2#(0.12 mm)、3#(0.15 mm)、4#(0.18 mm)、6#(0.22 mm) 和5#(0.22 mm),这说明虽然随着螺旋角和齿高增大,传热系数增大,但螺旋角的强化效果要大于齿高。 在5根螺纹管中,2#管的齿高最小,螺旋角最大(40°),齿数相差不大,其内表面面积最小,这说明齿高相比于其他参数对内表面面积的影响较大。

4.3 冷凝温度的影响

图5 是冷凝温度30 ℃、35 ℃和40 ℃时,外径为7 mm 的1#—6#管的制冷剂侧传热系数随制冷剂质量流速的变化情况,表2 为R410A 在饱和温度为30 ℃、35 ℃和40 ℃时的物性参数表。 由图5 可知,相同质量流速时,30 ℃比40 ℃的制冷剂传热系数高,即冷凝温度越低,换热越好。 结合R410A 物性参数,这主要是因为冷凝温度越低,制冷剂气液两相饱和状态焓差即汽化潜热越大,导热系数越大,同时,冷凝温度越低,制冷剂气相密度越小、液相密度越大,气相所占空间较大,冷凝时传热面积大。 一定的质量流量时,气液相的密度比越小,制冷剂的流动速度越高,增强了湍流效应,能够强化传热。 冷凝温度越低,R410A 的粘度越小,液膜形成的边界层越薄,故换热效果越好。 因此,制冷剂气液相物性的变化对管内冷凝流动状态及液膜厚度的变化有重要的作用。 降低冷凝温度可以提高液相导热性能及降低气相粘度,有利于强化传热。

图5 不同饱和温度下的冷凝传热系数(Re =14 000)Fig.5 Condensation heat transfer coefficient at different saturation temperatures(Re =14 000)

表2 不同饱和温度下的R410A 物性表Table 2 Physical properties of R410A at different saturation temperatures

5 结论

实验研究饱和温度为30 ℃、35 ℃和40 ℃,制冷剂质量流速为300—900 kg/(m2·s),水侧雷诺数为8 000—24 000。 R410A 制冷剂在一根光管和五根水平管内强化冷凝换热性能,结论如下:

(1)不同流型其传热机理也不同,流体处于环状流有利于强化传热。 质量流速越大,制冷剂的湍流程度越高,流型转变得越晚,环状流长度越长、间歇流越短,制冷剂在环状流时传热系数最大。

(2)较大的螺旋角能够增大铜管内表面积和增加湍流效应,有利于强化传热;齿高相对于其它肋参数对内表面积的影响较小,强化传热效果较弱。

(3)制冷剂气液相物性随着冷凝温度的变化而变化,降低冷凝温度可以提高液相导热性能及降低气相粘度,有利于强化传热。