基于R410A制冷劑的強化管管外冷凝換熱特性試驗

□ 張愛鳳 □ 郭瑞恒 □ 李 蔚

1.青島科技大學機電學院 山東青島 266061

2.浙江大學能源工程學院 杭州 310027

1 研究背景

換熱器是廣泛應用于石油化工、汽車、航空、動力、醫藥、食品、冶金、輕工、工業機械等行業的一種通用設備［1］。作為能量傳遞的基礎設備，換熱器的內部換熱主要有增大換熱面積和增強換熱系數兩種途徑。當然，面積過大會增加成本，不符合設備緊湊型、輕便型的要求，因此從管程和殼程來考慮增強換熱系數，其中殼程換熱器的強化研究主要包括內插件和強化管。R410A制冷劑是目前為止國際公認最合適用來替代R22制冷劑的冷媒，并在歐美、日本等地得到普及，因此基于R410A對強化管管外冷凝換熱特性進行試驗研究。

要開發新型的高效強化管，需要對強化管進行大量有效的試驗研究［2］，獲得更加細致的試驗分析，為換熱器的設計提供可靠的依據。比如翅化面、異形表面和多孔介質結構等高效能傳熱面，不僅能增大換熱面積，而且能改善流體的流動特性。此外，目前還存在納米材料、脈沖強化及場協同原理傳熱等新型傳熱方式［3］。

筆者所研究的三種強化管1EHT-1、1EHT-2和4LB表面都存在兩種強化方式，強化管由不規則球形凹坑陣列或規則矩形凹坑陣列組成，三者內表面特征如圖1所示，其中凹坑的深淺是1EHT-1和1EHT-2強化管的主要區別。

這三種強化管區別于傳統只增大換熱面積的強化管，可稱為混合強化表面。除了面積的增大，流體流過凹坑陣列時還會引起附加渦流，造成邊界層分離或減薄邊界層［4］。

根據試驗結果對三種強化管的強化換熱機理進行研究，對于換熱器的設計開發具有參考價值。

2 試驗裝置

試驗裝置原理如圖2所示。整個試驗裝置主要包括三個部分：① 制冷劑回路，包括測試段；② 與測試段進行換熱的水回路；③與預熱段換熱的電加熱裝置，可使測試段進口干度達到目標值。

▲圖1 強化管內表面特征

制冷劑回路有以下部件：冷凝器、儲液罐、數字齒輪泵、質量流量計、窺視鏡及閥門。測試段是一個水平放置的逆流套管換熱器，長度為2 m。制冷劑進出口溫度由校準誤差在0.1 K以內的鉑電阻測量。測試段進口的飽和壓力由壓力傳感器測量。測試段壓降由差壓變送器來測量。在數字齒輪泵和預熱段之間有質量流量計，用來測量制冷劑的質量流量，測出的是平均質量流量，而不是每個點的質量流量，測量的壓降也是測試段的總壓降。制冷劑循環動力由數字齒輪泵提供。

試驗過程中，循環流程如下：在數字齒輪泵驅動下，制冷劑從儲液罐被泵至預熱段，并經水浴加熱至所需干度；隨后具有一定干度的制冷劑進入試驗段，即制冷劑入口；通過調節試驗段水浴的進口溫度和流量，控制制冷劑的出口焓，從而控制出口干度；制冷劑最后經過低溫恒溫槽，被冷凝、過冷，回到儲液罐中完成循環。

3 試驗條件

三種強化管的外徑為9.52 mm，內徑為8.32 mm，套管的外徑為14 mm，冷凝飽和溫度為318 K，熱流密度的變化范圍為10～30 W/m2，質量流速在150～460 kg/（m2s）之間，進出口干度分別為 0.8和 0.2。

4 試驗數據處理

整個試驗所得的數據均由數據采集儀采集。總熱交換量由流過測試段套管換熱器的水的熱平衡決定：

式中：Q為總換熱量；mw為水流速；cw為平均比熱容；Tw，out與 Tw，in分別為出口和進口水溫。

對數平均溫度TLMTD［5］由外套管的進出口溫度及內管的制冷劑飽和溫度決定：

▲圖2 試驗裝置原理

式中：Tref，out與 Tref，in分別為試驗段制冷劑的進出口溫度。

假設沒有管側污垢熱阻，套管換熱器的總換熱系數可由下式計算：

式中：U0為測試段換熱器的總換熱系數；A0和Ai分別為制冷劑側和水側的換熱面積；d0和di分別為強化管的外徑和內徑；h0為水的換熱系數；hi為管側制冷劑的換熱系數；K為水的導熱系數；L為測試管的長度。

則強化管側制冷劑的換熱系數為：

水的換熱系數由 Gnielinski公式確定［6］：

式中：μbulk和μwall分別為流體中心溫度和壁面溫度對應的流體黏度，Pa·s［7］，（μbulk/μwall）0.14修正了溫度對黏度的影響；kw為平均溫度下水的導熱系數；dh為外套管水力直徑；f為摩擦因數，f=（1.58lnRe-3.28）-2。

式（5）的適用范圍為 0.5≤Pr≤2 000，且 3 000≤Re≤5×106。

筆者試驗用到的三種強化管為內外表面增強管，所以式（5）需要乘以換熱因子c。試驗測量結果表明，1EHT-1、1EHT-2、4LB三種強化管的換熱因子依次為1.92、1.86、1.23。

5 試驗結果與分析

5.1 水平環形套管熱損失

圖3所示為水側換熱量和制冷劑側換熱量的對比。為了驗證試驗裝置數據的可靠性，需要分別計算水側和制冷劑側的換熱量，然后進行對比。試驗中的制冷劑走管內，水走管外，為了防止熱量散失，在整根套管外都包裹有聚氯乙烯管。數據表明兩者的熱損失在±3%以內，符合試驗精度要求。

▲圖3 換熱量對比

5.2 強化管冷凝換熱系數

如圖4所示，隨著質量流速的加快，三種強化管與光滑管的冷凝換熱系數增大的趨勢逐漸明顯。當質量流速＞320 kg/（m2s）時，所有強化管和光滑管的變化趨勢非常明顯。1EHT-1強化管的換熱系數最大，1EHT-2和4LB強化管的變化范圍相近，光滑管的換熱性能最差。文獻［8］研究得到1EHT強化管在冷凝和蒸發工況下均有顯著的強化換熱性能，文獻［9］研究光滑管和1EHT強化管在不同制冷劑和不同質量流速下的蒸發和冷凝換熱特性，確認強化管的傳熱特性都優于同等條件下的光滑管。

▲圖4 強化管冷凝換熱系數與質量流速關系曲線

針對冷凝換熱系數的研究，文獻［10］基于R134a制冷劑，對三種不同規格的內螺紋管進行管內冷凝和流動阻力特性的研究。試驗結果表明，制冷劑側換熱系數與壓降均隨著質量流速的加快而增大，且低流速下的增幅明顯小于高流速下的增幅，轉折點質量流速為600 kg/（m2s）。同樣針對內螺紋管，在保持冷卻水量不變的情況下，文獻［11］研究了R410A制冷劑在不同飽和溫度和不同管徑下的換熱情況，得出40℃時5 mm強化管的換熱系數最大，9.52 mm強化管的壓降最小，換熱系數與質量流速的變化趨勢與筆者的研究結果一致。

產生試驗結果的主要原因是三種強化管表面不同形狀、不同深度的凹坑在增大面積的同時，也增強了邊界層分離，冷凝試驗的進口干度為0.8，出口干度為0.2，氣液混合狀態比只有液態存在時的換熱效果明顯。

5.3 強化管冷凝壓降損失

圖5所示為強化管管內的壓降隨質量流速的變化情況，1EHT-1強化管的壓降最大，4LB強化管次之，1EHT-2強化管的壓降與光滑管很接近。R410A為混合制冷劑，在兩相流態的穩定性低于單相狀態，流體流過強化管時形成的液膜厚度增大，流動過程的擾動作用增強，使流體的阻力增大，R410A形成雙層液膜，在冷凝過程產生類似不凝性氣體的作用。總體而言，三種強化管的表面都進行了強化，壓降損失都比光滑管大。

▲圖5 強化管冷凝壓降與質量流速關系曲線

5.4 強化管強化倍率

定義在相同的質量流速下，強化管側制冷劑換熱系數與光滑管側制冷劑換熱系數的比值為強化倍率β。 如圖 6 所示，在質量流速 150～460 kg/（m2s）范圍內，三種強化管的強化倍率范圍是1.01～1.23，管的粗糙表面產生了干擾和混合，在邊界層附近產生次級流。增大換熱面積，通過氣體的擾動增強湍流，以及流體的分離等強化效果，導致對流過程中產生更大的換熱系數，換熱效果更好。

▲圖6 強化管強化倍率與質量流速關系曲線

6 結論

針對R410A制冷劑在三種不同強化管內的冷凝現象，通過試驗主要研究制冷劑質量流速改變時，管內換熱系數和壓降的變化。

為了驗證試驗裝置的熱損失而對比制冷劑側和水側的換熱量，計算表明兩者的熱損失在±3%以內，符合試驗的精度要求。

強化管內R410A制冷劑冷凝換熱系數與質量流速有關，并且隨質量流速的加快而增大，其中1EHT-1強化管的換熱系數最大，1EHT-2和4LB強化管的變化范圍相近，但是都表現出比光滑管更優異的換熱性能。

隨著質量流速的加快，所有強化管的壓降都變大。壓降的變化與制冷劑的種類及強化管的表面結構有關。1EHT-1強化管的壓降變化最明顯，1EHT-2和4LB強化管與光滑管的壓降損失接近。

將強化管與光滑管的換熱系數進行對比，得出三種強化管的強化倍率范圍是1.01～1.23。