水平單管內換熱實驗研究

王鑫+陶樂仁+王棟+張宗楠

摘 要： 利用隔膜泵作為系統動力輸出源，搭建了單管內傳熱和流動測試實驗臺，對制冷劑R22在水平單管內的換熱性能進行了實驗研究，考察了不同蒸發溫度和不同冷凝溫度對總傳熱系數、制冷劑表面換熱系數和管內壓降的影響.實驗結果表明：總傳熱系數和制冷劑表面換熱系數均隨著蒸發溫度和冷凝溫度的上升而增大；管內壓降隨著蒸發溫度的上升而減小，隨著冷凝溫度的上升而增大；對于同一根實驗管，在相同的冷卻水流量和制冷劑質量流量下，最佳蒸發工況為10℃；冷凝實驗中，總傳熱系數和制冷劑表面換熱系數在40℃時高于其他兩種冷凝溫度時的值，但35℃冷凝時，管內壓降高于其他兩種工況.

關鍵詞： 系統設計； 水平換熱管； 蒸發； 冷凝； R22

中圖分類號： TK 124文獻標志碼： A

文章編號： 1008-8857（2016）03-0158-06

Abstract： A heat transfer and flow test platform with diaphragm pump as the power source was set up to study the heat transfer characteristics of R22 in single horizontal tube.The influences of evaporation temperature and condensation temperature on the overall convection heat transfer coefficient，the surface heat transfer coefficient，and the pressure drop in the tube were investigated.Experimental results showed that both and rose with the increasing of the evaporation temperature and condensation temperature.The pressure drop reduced with the growing of evaporation temperature while increased with the rising of condensation temperature.For the same test tube，the best evaporation condition of 10℃ was achieved at the same flow rate of cooling water and mass flow rate of refrigerant.In the condensation experiment，both and at 40℃ were higher than those at the other two temperatures.However，the pressure drop at 35℃ in the tube was higher than those under the other two conditions.

Keywords： system design； horizontal heat transfer tube； evaporation； condensation； R22

隨著地球能源短缺和人類工業技術不斷發展，對高效節能的工業設備的需求量日益增大.在制冷行業中對換熱器（主要為蒸發器、冷凝器）的節能改造顯得尤為重要.目前，研究開發更高效的換熱設備不僅是減少能耗的方法之一，而且更關系到先進工業生產力的發展.

Cavallini等[1]在內徑為8 mm光管中分別研究了制冷劑R22、R125、R32、R410A、R134a、R236ea、R407C的冷凝及壓降特性.楊英英等[2]采用可視化的方法，對工質R32 在內徑為2 mm的水平光滑圓管內的冷凝換熱的流型進行了觀測.寧靜紅等[3]研究了R290水平管內換熱和壓降的特性.王旭等[4]研究了四種不同管徑內螺紋規格銅管蒸發實驗的換熱特性和壓降.高原等[5-6]采用制冷劑R417A在長度為4 m、管徑為9.52 mm的光管內進行了蒸發實驗.Wellsandt等[7-8]采用R134a作為制冷劑在微肋管內進行了蒸發實驗，根據實驗數據總結出一個有關微肋管內蒸發的關聯式.

本文搭建了一臺既能進行冷凝實驗又能進行蒸發實驗的單管內測試裝置.以制冷劑R22為工質，探討制冷劑在無油狀態下，光管內蒸發與冷凝的傳熱及流動特性.

1 實驗裝置及方法

實驗裝置為上海理工大學依據相關標準，自主搭建的單管內傳熱和流動測試實驗臺.該實驗臺采用隔膜泵作為系統動力輸出源，這可以避免潤滑油對換熱性能產生影響，同時也解決了壓縮機系統不能隨意更換制冷劑的問題.

1.1 實驗裝置

整個實驗裝置包括制冷劑循環系統、冷卻水系統、蒸發水系統和冷凝水系統四個部分，實驗裝置原理圖如圖1所示，其中：RE為儲液器；B1為制冷劑泵；B2、B3均為水泵；G1、G2均為質量流量計；HE1、HE2、HE3均為板式換熱器；H1、H2均為電加熱器；EXV1、EXV2均為電子膨脹閥；VW1為水路電動三通閥；VR1、VR2、VR3均為球閥；C為冷水機組；T為溫度測點；P為壓力測點；ΔP為差壓變送器.

實驗裝置的主要設備如表1所示.

1.2 實驗工況

水平管內工質的流動與蒸發（冷凝）結合在一起形成復雜的換熱過程.制冷劑從銅管進口到出口的換熱都不相同，再加上制冷劑液體本身的重力這一影響因素，導致整個水平管內換熱不均勻.本文主要研究不同蒸發溫度和冷凝溫度對總傳熱系數K、制冷劑表面換熱系數hr和管內壓降ΔP的影響.

實驗遵循“單相進，單相出”原則，即過熱氣體流入實驗段，過冷液體流出實驗段，保證制冷劑液體在實驗段換熱充分，使其完全冷凝.制冷劑入口過熱度控制在1～5℃，出口過冷度控制在2～6℃，制冷劑質量流量控制在30～90 kg·h-1，待熱平衡及各個狀態點穩定后開始記錄并保存數據.

1.2.1 蒸發實驗工況

銅管管徑D為15.88 mm，冷卻水體積流量為800 L·h-1，制冷劑質量流量為30～90 kg·h-1，蒸發溫度分別為0、5、10℃，工質為R22.R22在不同蒸發溫度下的物性參數如表2所示.

1.2.2 冷凝實驗工況

銅管管徑D為9.52 mm，冷卻水體積流量為1 000 L·h-1，制冷劑質量流量為20～60 kg·h-1，冷凝溫度分別為35、40、45℃，工質為R22.R22在不同冷凝溫度下的物性參數如表3所示.

2 實驗結果與分析

2.1 不同蒸發溫度下總傳熱系數隨制冷劑質量流量的變化

圖2為不同蒸發溫度下總傳熱系數K隨著制冷劑質量流量Gm的變化.不同蒸發溫度下總傳熱系數隨著制冷劑質量流量的增加而增大.這是因為制冷劑質量流量增加，換熱量增加，使得總傳熱系數增大.

冷卻水體積流量相同時，10℃蒸發時的總傳熱系數比5℃和0℃蒸發時的總傳熱系數高5%～20%.不同的蒸發溫度、相同的冷卻水體積流量，導致實驗段的平均對數溫差有變化，所以出現相同制冷劑質量流量下蒸發溫度高時的總傳熱系數高于蒸發溫度低時的值.

2.2 不同蒸發溫度下制冷劑表面換熱系數隨制冷劑質量流量的變化

系數hr隨制冷劑質量流量Gm的變化.三種不同蒸發溫度下制冷劑表面換熱系數隨著制冷劑質量流量的增加呈逐漸增大的趨勢.這是因為隨著制冷劑質量流量的增加，管內工質的流速增大，擾動變得劇烈，使得制冷劑表面換熱系數增大.

制冷劑質量流量相同時，蒸發溫度為10℃時的制冷劑表面傳熱系數比蒸發溫度為5℃和0℃時高2%～21%.因為制冷劑R22的黏度隨著蒸發溫度的升高而降低，減小了工質在管內流動時的沿程阻力，能耗降低，使得制冷劑表面換熱系數隨著蒸發溫度的升高而增大.

2.3 不同蒸發溫度下管內壓降的變化

圖4為不同蒸發溫度下管內壓降ΔP隨著制冷劑質量流量Gm的變化.分析壓降曲線可得出：管內壓降ΔP隨質量流量Gm的增大而增大，且呈現出上升的拋物線形態；隨著制冷劑質量流量的增大，管內制冷劑流速變大，壓降與速度的平方成正比.

制冷劑質量流量相同時，蒸發溫度為0℃時的管內壓降是蒸發溫度為5℃時的112%～121%，是蒸發溫度為10℃時的118%～143%.管內壓降的變化與制冷劑的密度、黏度、管內流速及管內壁的粗糙度均相關，并且在同一根銅管內，管內壓降與制冷劑的黏度成正比.制冷劑R22的黏度和密度隨著蒸發溫度的升高而降低，所以蒸發溫度越高，管內制冷劑黏度越小，制冷劑在管內的沿程流動阻力越小，使得管內壓降越小；反之，蒸發溫度越低，管內壓降越大.

2.4 不同冷凝溫度下總傳熱系數隨著制冷劑質量流量的變化

圖5為不同冷凝溫度下總傳熱系數K隨制冷劑質量流量Gm的變化.三種冷凝溫度下，曲線的總體趨勢均隨著制冷劑質量流量的增加而增加.這是因為隨著制冷劑質量流量的增加，管內制冷劑流速變大，且總換熱量變大，所以總體趨勢是K變大.

分析不同冷凝溫度下的曲線可得出，在相同的制冷劑質量流量下，40℃冷凝時的總傳熱系數最大，比35℃冷凝時高2%～10%，比45℃冷凝時高15%～27%，冷凝時總傳熱系數并不是隨著冷凝溫度的升高一直增大.35～40℃冷凝時的總傳熱系數隨著冷凝溫度的增加而增大，40～45℃冷凝時的總傳熱系數隨著冷凝溫度的增加而減小.總傳熱系數與換熱量、銅管換熱面積和平均對數溫差均有關.對于同一根銅管，換熱面積是一定的；相同的制冷劑質量流量下，總換熱量受到進、出口焓差的影響；不同的冷凝溫度、相同的冷卻水流量，導致實驗段的平均對數溫差有變化，所以出現相同的制冷劑質量流量下不同冷凝溫度時總傳熱系數不同.

45℃冷凝時，冷卻水進口溫度比40～35℃冷凝時高，平均對數溫差大，所以45℃冷凝時的總傳熱系數最小.40℃冷凝時，冷卻水進、出口平均對數溫差小，所以總傳熱系數最大.

2.5 不同冷凝溫度下制冷劑表面換熱系數隨著制冷劑質量流量的變化

圖6為R22在管內的表面換熱系數隨著制冷劑質量流量的變化.從圖中可以看出，三種冷凝溫度下，hr均隨著制冷劑質量流量的增加而增大.制冷劑質量流量為50 kg·h-1，40℃和45℃冷凝時hr增加值均偏小；35℃冷凝時hr的增加值偏大，曲線總體趨勢上升.

45℃冷凝時，管外冷卻水進口溫度偏高，導致進、出口平均對數溫差增大，使得管內換熱系數變小.因此，在相同的制冷劑質量流量下，隨著冷凝溫度的升高管內換熱系數先增加后降低.

2.6 不同冷凝溫度下管內壓降的變化

圖7為R22在不同冷凝溫度下管內壓降的變化.分析壓降曲線可以得出，管內壓降ΔP隨質量流量Gm的增大而增大.這是因為隨著制冷劑質量流量的增大，管內制冷劑流速變大，壓降與速度的平方成正比，所以曲線會出現上升的趨勢.

相同制冷劑質量流量下，冷凝溫度35℃時的管內壓降是冷凝溫度40℃和45℃時壓降的1.1～2.1倍.在同一根銅管內，并且在相同的制冷劑質量流量下，管內壓降與制冷劑的黏度成正比.制冷劑R22的黏度和密度隨著冷凝溫度的升高而降低，所以冷凝溫度越高，管內制冷劑黏度越小，制冷劑在管內的沿程流動阻力越小，使得管內壓降越小；反之，冷凝溫度越低，管內壓降越大.

3 結 論

本文比較了三種不同蒸發溫度和冷凝溫度下總傳熱系數、制冷劑表面換熱系數和管內壓降隨制冷劑質量流量的變化.得出以下結論：總傳熱系數和制冷劑表面換熱系數隨著蒸發溫度和冷凝溫度的上升而增大；管內壓降隨著蒸發溫度的上升而減小，隨著冷凝溫度的上升而增大.

對于同一根實驗管，在相同的冷卻水體積流量和制冷劑質量流量下，10℃蒸發時的總傳熱系數和制冷劑表面換熱系數高于另兩個蒸發溫度時，管內壓降低于另兩種工況，所以10℃蒸發的工況最佳.

對于同一根實驗管，在相同的冷卻水體積流量和制冷劑質量流量下，40℃冷凝時的總傳熱系數和制冷劑表面換熱系數均高于另兩個冷凝溫度時，35℃冷凝時管內壓降高于另兩種工況.

參考文獻：

[1] CAVALLINI A，CENSI G，COL D D，et al.Experimental investigation on condensation heat transfer and pressure drop of new HFC refrigerants （R134a，R125，R32，R410A，R236ea） in a horizontal smooth tube[J].International Journal of Refrigeration，2001，24（1）：73-87.

[2] 楊英英，李敏霞，馬一太.水平光滑細管內R32冷凝換熱的流型特性[J].化工學報，2014，65（2）：445-452.

[3] 寧靜紅，劉敬坤.R290水平管內凝結換熱和壓降的研究現狀[J].流體機械，2013，41（7）：66-71.

[4] 王旭，郭思璞，孫顯東，等.小管徑內螺紋管的蒸發實驗研究及傳熱和壓降關聯式的評價[J].工程熱物理學報，2013，34（1）：125-128.

[5] 高原，田懷璋，袁秀玲，等.非共沸制冷劑R417A在水平光滑管內的沸騰傳熱[J].低溫與超導，2002，30（2）：20-26.

[6] 高原，田懷璋，袁秀玲，等.非共沸制冷劑R417A在水平光滑管內蒸發的數值模擬[J].制冷與空調，2002，2（6）：41-46.

[7] WELLSANDT S，VAMLING L.Evaporation of R407C and R410A in a horizontal herringbone microfin tube：heat transfer and pressure drop[J].International Journal of Refrigeration，2005，28（6）：901-911.

[8] WELLSANDT S，VAMLING L.Evaporation of R134a in a horizontal herringbone microfin tube：heat transfer and pressure drop[J].International Journal of Refrigeration，2005，28（6）：889-900.