水平1EHT管内R22、R32、R410a冷凝换热特性实验研究

2022-06-15仇富强

安阳工学院学报 2022年4期

仇富强

（铜陵学院电气工程学院，安徽铜陵 244061）

0 引言

随着社会的发展，能源危机和环境污染逐渐成为当今世界的主要问题。出于节能减排并降低生产成本的目的，换热强化技术逐渐成为研究重点。如目前制冷系统中常用的壳管式换热器内就多采用强化换热管提高其换热效果、减小换热面积，降低换热器生产成本[1]。诸多广泛应用于生产实践中的强化管主要包括矩形管、微肋管、Vipertex 1EHT管等。近年来，有关强化换热技术成为了国内外广大学者的一个热点。

在国外，Kondou等[2]实验研究了非共沸制冷剂R32/R1234ze（E）在微肋管内的流动沸腾换热。Colombo等[3]实验研究了R134a在微肋管内的冷凝/沸腾换热的压降、换热系数、制冷剂流型等。Li等[4]则选用三维强化管为测试管，对其管内的流动冷凝、蒸发特性进行了分析。

在国内，部分学者以微肋管为研究对象，对不同制冷剂在其内的换热特性进行研究。微肋管主要通过破坏换热边界层、增强管内工质湍流度等方式对换热进行强化。吴晓敏等[5]实验研究了R22在7 mm微肋管的蒸发冷凝换热特性。欧阳新萍等[6]在 300 kg/（m2·s）-700 kg/（m2·s）质量流速的工况下，实验研究了冷剂R134a在对水平内微翅管的管内凝结换热。而王欢等[7]和杨英英等[8]实验研究了R32在2 mm水平光滑管内的流动冷凝换热特性。针对最新替代制冷剂R1234ze，李敏霞等[9]研究了其在2 mm水平光滑管内的适用性。由于光滑管制冷剂侧换热系数与水侧相比要小，故换热器的强化主要集中在制冷剂一侧。但当制冷剂一侧换热强化到一定程度时，水侧将成为影响换热效果的主要因素，故在一定工况下，两侧强化管应运而生[10]。

1EHT强化管不同于微肋管，在其表面存在许多凹陷的坑，这既可增加换热面积，同时也可通过改变液膜湍流度来强化换热。本文以三种制冷剂R22、R32、R410a为测试工质，通过实验研究其在相同管径光管和1EHT强化管内的冷凝换热特性，旨在分析制冷剂物性、强化管结构参数对换热特性的影响。

1 .实验装置

图1所示为新搭建水平管管内冷暖换热实验台装置原理图，实验装置主要包括：工质测试循环、冷却水循环、冷水机组循环及数据测量采集系统。其中，工质测试循环主要由储液器、隔膜泵、质量流量计、蒸发器、冷凝器、视液镜、测试段等组成。实验过程中，隔膜泵将制冷剂过冷液体由储液器经质量流量计送至蒸发器，并采用电加热器对蒸发器内的制冷剂加热，使制冷剂在测试段进口达到设定状态。加热后的两相制冷剂在试验段内与冷却水换热进行冷凝实验，试验段换热量通过调节冷却水循环流量及进口水温来完成。然后，制冷剂过冷液体流入冷凝器与冷水机组提供的低温载冷剂进行换热进一步过冷。最终制冷剂流入储液器，循环重复进行。为便于观察试验段进、出口所处制冷剂状态，在试验段进、出口均安装有视液镜。

图1 实验测试装置

在实验过程中，所有温度由PT100铂电阻测量，精度为0.1℃；制冷剂的压力由德鲁克GE5082型号压力变送器测量，量程为0-30 bar，测量精度为0.1级；制冷剂循环流量由RHM03传感器与RHE14变送器组成的质量流量计测量；冷冻水流量由控制-显示一体型电磁流量计测量，测量精度为0.8级。

实验段为一订制的环形套管式换热器，内管为制冷剂、环性通道内为循环水，制冷剂和水逆向流动，其结构如图2所示。测试管选用内径为11.5 mm的光滑管及内径约为11.5 mm的1EHT强化管为测试管，其具体扫面截面图见图3。在1EHT强化管的表面布有孔径约为3.5 mm、深度约为1.06 mm-1.15 mm的凹陷坑及外径约为2.5 mm、高度约为0.18 mm的凸显点，使其可通过增强液膜湍流度来强化换热。实验运行工况为：冷凝温度43℃，制冷剂循环质量流量为60-180 kg/（m2s），热流密度10-30 kW/m2，制冷剂在实验段进口过热度2-3℃，出口过冷度为2-3℃。

图3 1EHT强化管扫面界面图

2 理论计算

利用系统内相应测量工具可测得以下参数：实验段进、出口处制冷剂温度T1/T2、压力值P1/P2；试验段进、出口处冷冻水温度T3/T4；制冷剂质量循环流量Gr、冷冻水质量循环流量Gw。由于制冷剂在试验段进、出口均为单相流状态，故其在进、出口焓值可由所测温度、压力值进行计算。另外，为保证计算的准确性，以制冷剂放热量φr与冷冻水吸热量的平均值作为实验段换热量计算值，即：

由于1EHT强化管为双侧强化管，其环形通道内水侧换热系数要大于光管，故并不能仅采用Gnielinski公式计算，根据Guo等[12]的计算研究发现，在冷却时测试范围内，1EHT强化管环形通道内水侧换热系数约为采用Gnielinski公式计算值的2.7倍，在本文数据分析中对此要做相应修正。

3 数据分析

本研究选用内径为11.5 mm的光管和1EHT强化管为研究对象，在冷凝温度43℃、制冷剂循环流量 60-180 kg/（m2·s）、热流密度 10-30 kW/m2的工况下通过实验对三种制冷剂R22、R32、R410a的流动冷凝换热特性进行研究，分析制冷剂物性、强化管结构参数的研究效果。

3.1 试验台校核

为确保数据可靠性，在试验台运行任何两项换热实验前，首先在试验台上运行R134a在内径为11.7 mm光管内的单相换热实验，将所得数据与采用Gnielinski公式所得计算值对比，具体结果见图4。结果表明：实验值与计算值相差在7%以内，试验台具有很好的可靠性。

图4 单相换热实验中实验Nu与计算Nu的对比

3.2 管型参数

就1EHT 强化管而言，换热强化效果增加除受换热面积影响外，还受由微小凹陷坑引起的液膜湍流度的增加、液体分流的作用及换热边界层的破坏、气液混合效果增强等作用的促进。图5为三种制冷剂R22、R32、R410a在光滑管与1EHT强化管内换热系数的对比。由图5可知，制冷剂R22在1EHT 强化管的换热系数约是光滑管内的1.75-1.95倍；R22、R32、R410a三种制冷剂在光滑铜管及1EHT强化管内的换热系数均随着质量流量的增加而增大，这种结果与绝大多数学者的研究结果一致，这是因为在恒定干度值下，管内制冷剂蒸汽和液体的质流速度是与质量流量的增加成正比的，但蒸汽速度的增加比重更大、引起气液界面速度差增大，产生较大剪切力，这不仅可增强液膜湍流度，还可使液膜变薄，换热效果进一步强化。

图5 R22、R32、R410a在两测试管内的换热性能对比分析

另外，制冷剂R32、R410a在1EHT 强化管和光管内的换热强化倍率分别为1.31-1.39、1.80-1.91。

由于换热强化倍率均高于换热面积增加倍率，故管内换热机制在强化换热中所起作用同样重要。实验还提出强化因子EF（Enhanced Factor）的概念，对换热机制的强化效果进行量化分析，通过以下公式获得：

即EF为换热强化倍率与面积增加倍率的比值。图6为三种制冷剂R22、R32、R410a在1EHT 强化管内的强化效果随质量流量变化。由图6可知，对于制冷剂R22、R410a，边界层的破坏、湍流度的增加、气液制冷剂的混合等强化换热机制在1EHT 强化管内强化换热作用极其重要，且所起作用随着质量流量的增加而减弱。这可能是由于随着制冷剂质量流量的增加，强化管内表面完全被液膜覆盖，湍流度的增加成为强化换热的主导因素造成的。对于R32，当质量流量小于100 kg/（m2·s）时，随质量流量的增加EF增大，而当质量流量大于100 kg/(m2·s)时，随质量流量的增加EF减小，且在较大质量流量下换热机制的强化作用将会消失，在实验运行工况调节中应多加注意。

图6 1EHT 强化管内R22、R32、R410a强化效果随质量流量的变化关系

3.3 制冷剂物性

不同制冷剂在气液密度值、导热系数、气化潜热等物性参数上差异性导致其换热效果不一样。图7为相同工况下制冷剂R22、R32、R410a在光滑管及1EHT强化管内换热系数的对比。由图7可知，在光滑管内，R32的换热系数约为R22和R410a换热系数的1.27-1.34倍，而R22和R410a换热系数差距并不大。这与Oh等[13]与Liu等[14]的研究成果极为相似。虽然R32与R410a具有相近的动力粘度及气液密度比，但R32具有更大的液体导热系数及较大的汽化潜热，而又由于液膜热阻在换热中起重要作用，这极大强化了R32的换热性能。R22的换热系数与R410a的接近。相比于R410a，虽然R22蒸汽密度、汽化潜热更高，能够产生更大的剪切力，大大降低液膜厚度，使换热得以强化，但其同样具有更大的液体动力粘度，使液膜湍流度降低，对换热造成一定的负面影响。