水在螺旋盤管內的換熱及壓降特性研究*

張小艷，趙珊媛，洪珊瑚

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054)

0 引 言

隨著中國經濟的發展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的衛生熱水、空調已成為普遍需求。熱泵技術是一種行之有效的節能方法，廣泛應用于采暖和加熱生活熱水，節約大量高品位的電能、天然氣和燃油等，減少CO2的排放［1-3］。

螺旋盤管換熱器是在傳統管式換熱器的基礎上開發出來的一種新型高效的換熱器，因其優越的結構特性和高效的換熱效率廣泛應用于制冷空調、熱泵、余熱回收等系統之中［4-7］。如地源熱泵的地下埋管采用螺旋盤管的形式［8-11］，不僅占地面積小、換熱效果穩定，而且施工簡單、初投資小。另一方面，螺旋套管換熱器因具有結構緊湊、傳熱效率高、二次流和制作簡單等優點，在制冷空調，尤其是熱泵系統中已經廣泛的用作冷凝換熱器［12-13］，其換熱過程包括螺旋盤管內水的對流換熱和螺旋環形空間內制冷劑的凝結換熱。可見，無論是對于地源熱泵的螺旋盤管，還是螺旋套管換熱器，了解螺旋盤管內水的對流換熱與壓降特性都具有重要的實用價值。

陳志光等［14-15］采用實驗方法對螺旋管的對流傳熱系數進行測定，并利用Fluent 軟件對螺旋管的傳熱情況以及螺旋管周圍的溫度場進行數值模擬。結果表明，在設定的實驗條件下，水-水螺旋管傳熱系數，自然對流情況下為350 ～550 W/(m2·K)，強制對流(攪拌)下為400 ～730 W/(m2·K).朱宏曄等［16］采用Fluent 軟件對單相水和蒸汽在不同尺寸螺旋管內部的流動和傳熱過程進行模擬，并研究了壁面的局部傳熱特性。計算結果表明:遠離螺旋中心線一側局部傳熱較強而靠近螺旋中心線一側傳熱較弱，壁面Nu 周向分布非常不均勻，影響Nu 周向分布的主要結構參數是管徑與螺旋直徑之比;Re 增大時，局部Nu 也隨之增大且分布趨于不均勻，但當Re ＞3 ×104時，Nu 分布不再隨Re 變化;管壁與外界傳熱方式對局部Nu 分布影響可忽略不計。Jayakumar 等在文獻［17］中給出了局部Nu 沿著螺旋管長度和管壁周向的變化，并對豎向螺旋盤管通過改變管間距、管徑等盤管參數進行數值模擬計算，研究這些參數對換熱的影響，并發展了Nu 的預測關系式。

上述文獻雖然能為螺旋管內流體換熱與流動性能的研究提供一定的理論依據，然而可用于螺旋管以及螺旋套管換熱器設計與優化的基礎數據仍然非常有限。文中以水為工質，通過實驗手段對水在不同結構參數的螺旋盤管換熱器內的對流換熱及壓降特性進行研究，以期取得詳細的實驗數據，并通過對實驗數據的整理分析，得到換熱器的各項性能指標與工況參數的相關關系，為螺旋盤管以及螺旋套管換熱器的優化、設計提供參考，同時對制冷、空調、熱泵系統的節能運行也具有一定的指導意義。

圖1 實驗裝置結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental facility

1 實驗裝置

圖1 為實驗裝置的結構簡圖，由實驗準備段與實驗段組成。實驗準備段主要包括穩壓罐、水泵、浮子流量計;實驗段包括螺旋盤管換熱器，以及為螺旋盤管換熱器提供熱量的一套電加熱系統。實驗裝置運行時，在泵和穩壓罐的作用下，一定壓力的水通過浮子流量計計量后進入螺旋盤管換熱器，在換熱器內被管外纏繞的加熱帶加熱后排出。水的流量可通過流量計前的閥門1，2 進行調節，加熱功率可由調壓器8 通過改變電路中的電壓來調節。本實驗中水的雷諾數范圍為4 000 ～9 000，體積流量為200 ～350 L/h，加熱功率為80 ～350 W.

實驗中的管壁溫度由焊接在螺旋盤管換熱器進、出口的T 型熱電偶來測量，水溫由同一位置處水流中插入的熱電偶來測量，水的進口壓力由壓力表測量，螺旋盤管內水的壓降由U 型壓差計測量。對于每一實驗工況，在系統達到穩態后，測量并記錄溫度、壓力、壓降、流量、加熱功率等實驗參數。

圖2 螺旋盤管的幾何參數圖Fig.2 Characteristic geometrical parameters of spiral coil

實驗段分別采用4 種不同形狀及規格的螺旋盤管，它們均由外徑為16 mm 的銅管加工而成，其形狀及結構參數如圖2 和表1 所示。4 種螺旋盤管的參數是依據廣州翔瑞制冷設備有限公司XRE系列螺旋套管換熱器的內管結構參數而確定的。

表1 4 種螺旋盤管的幾何參數Tab.1 Details of spiral coils used in test section mm

2 實驗數據處理

實驗段的加熱功率可由電路中的功率表測量得到，因實驗段用絕熱材料包裹，熱損失可忽略不計，實驗段的換熱量近似等于加熱功率。被加熱管壁與管內水之間對流換熱的基本公式是牛頓冷卻公式，如式(1)所示。

式中 φ 為換熱量，W;A 為換熱面積，m2;h 為對流換熱系數，W/(m2·℃);Δtm為平均傳熱溫差，℃;Cp為流體的比熱，J/(kg·℃);ρ 為流體密度，kg/m3;u 為流體的流動速度，m/s;de為流動通道的當量直徑。

對于管內湍流強制對流換熱，可用冪函數形式的實驗關聯式來表示，當流體被加熱時，其形式如公式(2)所示［12］。

式中 系數C 和指數a 可通過實驗數據擬合來得到。基于本研究所得到的實驗數據，擬合結果由公式(3)和(4)給出對于橢圓形螺旋盤管

對于圓形螺旋盤管

流體在管內的流動阻力，可用下式來表示

式中，L 為換熱管的長度，m;f 為阻力系數。

3 實驗結果與分析

3.1 雷諾數Re 對平均換熱系數與壓降的影響

圖3 所示為水在不同結構參數的螺旋盤管內流動時，平均換熱系數h 隨雷諾數Re 的變化關系。圖示表明:隨著Re 的增加，平均換熱系數h 隨之增大。4 種螺旋盤管的形狀或尺寸雖各不相同，但隨Re 的變化趨勢很相似。這是因為Re 的增加即水流速的增加，不僅使流體表面的剪切力和流動的紊流程度增加，而且因螺旋盤管結構造成的離心力和二次流也增加，邊界擾動增強，換熱效果增強。在相同Re 時，SC 型螺旋盤管的換熱系數比BC 型大14.9%至20.4%，這是因為螺旋盤管的彎曲半徑越小，二次環流的影響就越大，邊界擾動越強，換熱隨之增強。而在相同Re 時，有著相同彎曲半徑的2 種橢圓型螺旋盤管中，BE 型螺旋盤管的換熱系數則比SE 型大15.5%至23.1%.

圖4 所示為水在不同結構參數的螺旋盤管內流動時，壓降隨雷諾數Re 的變化關系。圖示表明:水在4 種螺旋盤管內的壓降均隨Re 的增加而增大，這主要是因工質流速的增加而引起的。此外，壓降還受螺旋盤管結構、管道長度、管徑、工質物性等因素的影響。在本實驗中，管徑相同，工質物性在實驗工況范圍內變化不大，所以壓降的主要因素是螺旋盤管結構、管道長度和流速。在同一流速即Re 相同時，4 種盤管中，BE 型螺旋盤管的管長最大，但其橢圓形結構對流體的擾動作用卻弱于圓形，兩者相比管長的影響占優勢，故其壓降最大，平均比SC 型螺旋盤管的壓降大16%左右。而SC 型螺旋盤管的管長雖為最小，但其最小的彎曲半徑所造成的強烈擾動卻使壓力損失增大，這一影響與管長相比占優勢，故其壓降明顯比其它2種螺旋盤管大，平均比SE 型螺旋盤管的壓降大12.7%左右，比BC 型大26.9%左右。

圖3 雷諾數Re 對平均換熱系數的影響Fig.3 Effect of Re on average heat transfer coefficient

圖4 雷諾數Re 對壓降的影響Fig.4 Effect of Re on pressure drop

3.2 加熱功率對平均換熱系數的影響

圖5 所示為不同水流量Q 時，加熱功率對平均換熱系數的影響。圖示表明:平均換熱系數均隨加熱功率的增加而增大，且當加熱功率相同時，SC 型螺旋盤管的換熱系數始終最大，但對于一定的水量，當加熱功率過大時，SC 型螺旋盤管內出現了偏離單相換熱的情況，故圖中顯示SC 型螺旋盤管的加熱功率較小。在本實驗的水流量和加熱功率范圍內，BE 型螺旋盤管內水的換熱系數始終大于SE 型，但其大于程度卻隨水流量與加熱功率的不同而異。對于BC 型螺旋盤管，卻出現了隨著水流量的增加，其換熱系數逐步攀升的情況，當Q =200 L/h，其換熱系數值介于SE 型與BE 型螺旋盤管之間，但當Q=350 L/h 時，BC 型螺旋盤管內水的換熱系數卻幾乎超過了SE，BE 型。所以，在實際應用中可根據使用工況的不同選擇合適的螺旋盤管換熱器。

圖5 加熱功率對平均換熱系數的影響Fig.5 Effect of heating power on average heat transfer coefficient

4 實驗結果與計算結果的比較

圖6 所示為水在4 種螺旋盤管內的換熱實驗結果與相同工況下水在直管內換熱計算結果的比較。圖示表明:水在螺旋盤管內的實驗換熱系數均大于同工況下水在直管內的計算換熱系數，進一步證明了螺旋盤管對換熱的強化作用，且這種強化作用在本實驗的Re 范圍內，呈現出隨Re 增大而逐漸減弱的趨勢。在4 種螺旋盤管中，SC 型螺旋盤管中水的Nu 數與其對應直管換熱器計算Nu數之間的差值最大，進一步證明了SC 型螺旋盤管良好的換熱強化效果，而SE 型螺旋盤管的換熱強化效果比其它型式的要差一些，這一比較結果能夠與實驗結果相吻合。

圖6 不同螺旋盤管中實驗結果與計算結果的比較Fig.6 Comparison of the calculations with experimental results in different spiral coils

5 結 論

文中對水在4 種不同結構螺旋盤管內的換熱與壓降特性進行了實驗研究，得出如下結論

1)水的平均換熱系數均隨Re 的增加而增大，相同Re 時，最大平均換熱系數出現在圓形螺旋盤管的SC 型中，換熱系數比BC 型超出14. 9%至20.4%，這是因其最小的彎曲半徑所致。而在有著相同彎曲半徑的2 種橢圓型螺旋盤管中，水在BE型中的換熱系數則比SE 型超出15.5%至23.1%.

2)水在螺旋盤管內的壓降均隨Re 的增加而增大，相同Re 時，BE 型螺旋盤管管長最大，但其橢圓形結構對流體的擾動作用卻弱于圓形，兩者相比管長影響占優勢，故其壓降最大。而SC 型螺旋盤管管長雖最小，但其最小的彎曲半徑所造成的強烈擾動卻使壓力損失增大，這一影響與管長相比占優勢，故其壓降明顯大于其它兩種螺旋盤管，平均比SE 型大12.7%左右，比BC 型大26.9%左右。

3)平均換熱系數均隨加熱功率的增加而增大，相同加熱功率時，SC 型螺旋盤管的換熱系數始終最大。在本實驗的水流量和加熱功率范圍內，BE 型螺旋盤管內水的換熱系數始終大于SE 型，但其大于程度卻隨水流量與加熱功率的不同而異。對于BC 型螺旋盤管，卻出現了隨著水流量的增加，其換熱系數逐步攀升的情況。

4)水在螺旋盤管內的實驗換熱系數均大于同工況下水在直管內的計算換熱系數，證明了螺旋盤管對換熱的強化作用，該強化作用隨Re 增大而逐漸減弱。在4 種螺旋盤管中，SC 型的實驗Nu 與計算Nu 差值最大，證明了SC 型螺旋盤管具有最佳的換熱強化效果，而SE 型螺旋盤管的換熱強化效果比其它型式的要差一些，這一結果與實驗結果相吻合。

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