R134a在7 mm強化管內的冷凝傳熱特性

毛舒適，陶樂仁，李慶普，吳生禮，張丹亭

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

在能源危機和環保需求的雙重壓力下，研發高效換熱器顯得尤為迫切和重要，研究R134a的管內換熱性能對提高設備能效有重要意義[1-2]。一些學者針對管內結構參數對換熱性能的影響進行了研究。吳曉敏等[3]研究了微肋管結構尺寸及工況等對管內流動蒸發及冷凝性能的影響。COLOMBO等[4]研究了R134a在翅片管內冷凝與蒸發時的流型、熱傳遞和壓降。NAULBOONRUENG等[5]進行了R134a在9.52 mm光管和微肋管內的冷凝換熱實驗。SCHLAGER 等[6]研究了 R22 在螺旋角為 15°～25°、管徑為12.7 mm的管內蒸發冷凝傳熱系數及壓降特性。還有學者對不同制冷劑的換熱性能進行了研究。THOMAS等[7]研究了R134a和丙烷在水平光滑單管和翅片管的管束內的冷凝換熱性能。楊申音等[8]對在常規空調熱泵系統中R32替代R410A的可行性進行了研究述評。武永強等[9]對比了 R410A和 R22在9.52 mm新型銅管Turbo-DWT和常規內螺紋管中蒸發和冷凝的換熱性能。有研究者對管內換熱關聯式進行了比較修正[10-11]。上述文獻均集中在對較小質流密度（小于500 kg/m2s）、較大管徑（多為9.52 mm）換熱特性的研究。

COLOMBO等[12]對R134a在9.52 mm微肋管內的冷凝和蒸發換熱特性進行了研究，兩種管的齒頂角均為40°，齒數分別為54和82，齒高不同，并通過可視化研究，了解微肋對流型的影響。QIN等[13]研究了R134a在銅和不銹鋼三維微肋管內的冷凝換熱特性，銅管和不銹鋼管的強化因子分別為7.86和3.34。ARIWIBOWO等[14]對R134a在水平管內環狀流下的冷凝換熱進行了數值研究。

本文搭建了集蒸發/冷凝于一體的水平單管換熱實驗臺，針對R134a在水平內螺紋管內無潤滑油狀態下，質流密度為400～1,100 kg/m2s的冷凝換熱和壓降特性進行了研究，分析了換熱性能的影響因素及機理，以促進高性能換熱器的研制。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

本文設計了單管管內蒸發冷凝換熱實驗臺，可用于研究不同種類制冷劑、不同型號換熱管內蒸發冷凝換熱及壓降特性。不同于胡海濤等[15]使用壓縮機提供動力，本文采用隔膜泵作為制冷劑循環系統的動力裝置，既可測試不同類型制冷劑，也可消除潤滑油對實驗測試結果的影響。系統原理如圖1所示，在進行冷凝實驗時，前端板式換熱器打開，后端板式換熱器關閉，液壓隔膜泵將液態制冷劑從儲液桶中抽出送入循環管道，先經過脈動阻尼器消除制冷劑液體的脈動，進入質量流量計測得質量流量，然后進入前端板式換熱器，被加熱蒸發為氣態制冷劑，隨后氣態制冷劑在實驗段內被載冷劑冷凝成液態制冷劑，最后流回儲液桶內，完成一個循環。

溫度測量采用標準PT100鉑電阻，測量精度為0.1 ℃，對其水浴標定時所得相對誤差均小于0.1%。實驗段壓差測量選用羅斯蒙特的 3051型差壓變送器，量程為0～4.2 MPa，精度為0.1級。制冷劑質量流量測量采用北京首科實華的DMF-1-2-A型科氏質量流量計，測量精度為0.1%。水流量測量采用電磁流量計，其精度為0.5級。液壓隔膜泵采用上海申貝泵業的SJ3-M-200/2.8型泵，流量200 L/h。

圖1 實驗系統原理圖

1.2 實驗工況及測試樣管

實驗選取的兩種換熱管為新開發的高效內螺紋強化管，其具體齒形參數如表1所示。1#管為接近國標的普通管，2#管為瘦齒大螺旋角管，其齒頂角較小，齒型較瘦，螺旋角較大。內螺紋能夠破壞邊界層，依靠表面張力使液膜變薄，增加換熱面積，增強制冷劑擾動，從而增強換熱。

表1 內螺紋管的參數

實驗中制冷劑遵循單相進、單相出的原則，即實驗段進口為過熱氣體，出口為過冷液體，以保證制冷劑在實驗段充分換熱，減小實驗誤差。采用工質R134a，調整水側進口水溫和流量，使實驗段進出口過冷過熱度維持在3 ℃～5 ℃，制冷劑質流密度維持在400～1,100 kg/m2s，冷凝溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃，實驗段水側雷諾數 Re保持在8,000～22,000，在熱平衡誤差小于5%之后等待各個數據點穩定，然后記錄數據。本文中制冷劑側傳熱系數為螺紋管內制冷劑冷凝過程中的平均傳熱系數，非局部傳熱系數，壓降亦為平均壓降。

1.3 數據處理

測試段為套管式結構，制冷劑R134a在強化管內流動，水在強化管外流動。根據努賽爾數Nu來計算水側傳熱系數，再利用熱阻分離法求出制冷劑側傳熱系數。

測試段總傳熱系數：

式中，Qr、Qw分別為制冷劑側和水側換熱量。

測試段對數平均溫差：

水側努賽爾數使用Gnielinski經驗關聯式[16-17]：

式中，按Petukhov公式f= (1.58lnRe - 3.28)-2。

制冷劑側傳熱系數：

1.4 誤差分析

直接測量參數的相對誤差ε用絕對誤差xΔ與真值0x的比計算。間接測量參數的誤差，測量值間相互獨立，按下式計算：

經計算，制冷劑側傳熱系數最大相對誤差為7.82%，實驗段壓降由差壓變送器引起，其誤差小于3%。

2 實驗結果及分析

2.1 冷凝溫度對制冷劑側傳熱系數的影響

圖 2是 1#管、2#管在相同水側雷諾數（Re=10,000）、3 種冷凝溫度（35 ℃、40 ℃和 45 ℃）工況下，制冷劑側傳熱系數隨制冷劑質流密度的變化情況。由圖可知：

1）管內冷凝傳熱系數都隨制冷劑質流密度的增大而增大；流速增大時，液相制冷劑邊界層變薄，熱阻減小，同時湍流效應得到增強，流體間的交換加強，對流傳熱得到加強。

2）冷凝溫度越低，傳熱系數越大，35 ℃時的冷凝傳熱系數比45 ℃高約18%～40%；冷凝溫度越低，R134a的粘度越小，邊界層厚度越薄，同時溫度越低，液相R134a導熱系數越大，邊界層的導熱量越大。R134a的冷凝溫度越低，對應的氣液兩相飽和狀態焓差，即相變潛熱越大，相同的流量下釋放更多的熱量。

28°管在35 ℃冷凝時的制冷劑側傳熱系數顯著高于40 ℃和45 ℃冷凝溫度時的數據，這一現象在18°管中并沒有發現。一方面，相比于40 ℃和45 ℃，35 ℃時流體粘度較大，從螺紋管冷凝強化機理來看（破壞邊界層、增加湍流、依靠表面張力減薄液膜厚度等），粘度較大時螺紋管強化效果更好，故35 ℃時的傳熱系數明顯大于40 ℃；另一方面，28°管強化效果優于18°管，故在28°管中這一現象明顯。

圖2 制冷劑側傳熱系數隨質流密度的變化

2.2 齒型參數對制冷劑側傳熱系數的影響

由圖2可知，3個冷凝溫度下，28°管均比18°管傳熱系數高。這主要是因為：

1）較小的齒頂角、較大的螺旋角使制冷劑在管內沿螺旋槽旋轉前進時，增強了制冷劑的湍流效應。螺紋造成的邊界層分離對邊界層的破壞效果更顯著。制冷劑沿螺旋槽前進，會使徑向速度增加，產生二次流，增強制冷劑的對流效應[18]；

2）28°管的內表面擴展倍率更大；28°管的內表面面積擴展比為1.81，而18°管的則為1.75。齒頂角越小，螺旋角越大，濕周越大；28°管制冷劑側具有更大的傳熱面積，換熱更好[19]。

2.3 冷凝溫度對制冷劑側壓降的影響

圖3分別是螺旋角18°管、28°管在相同水側雷諾數（Re=10,000），3種冷凝溫度下（35 ℃、40 ℃和45 ℃），制冷劑側實驗段管壓降（ΔP）隨制冷劑質流密度的變化情況。由圖可知：

1）在 400 kg/(m2·s)～1,100 kg/(m2·s)的質流密度范圍內，這 3種強化管的測試段壓降都是隨著制冷劑質流密度的增大而增大，變化趨勢接近線性變化。質流密度越大，主流區流速越大，速度梯度越大，內摩擦力越大，故壓降越大。質流密度越大，湍流效應越強，渦旋等消耗的能量也越多；

2）冷凝溫度越低，壓降越大，35 ℃時的壓降比45 ℃時的高約14%～25%。R134a液相的粘度隨溫度的降低而變大，故冷凝溫度低時，制冷劑的內摩擦力變大，壓降越大。同時，冷凝溫度低時，液相制冷劑密度增大，在實驗段管路所占體積減小，流速減小，氣相密度減小，流速增大，氣相和液相間的速度差會增大，摩擦損失增大，故壓降增大[20]。

圖3 壓降隨質流密度的變化

2.4 齒型參數對制冷劑側壓降的影響

由圖 3可知，3個冷凝溫度下，質流密度400～1,100 kg/(m2·s)范圍內，螺旋角為 28°換熱管均比螺旋角為 18°換熱管壓降大，高約 3%～12%。較大的螺旋角使制冷劑在管內沿螺旋槽旋轉前進時，增強了制冷劑的湍流效應，同時產生二次流，增強了對流效應，從而使內摩擦消耗的能量增加，故壓降增大。另外，齒頂角越小，齒型越瘦，管內壁越粗糙、壓力損失越大。

2.5 不同換熱管內的單位壓降換熱系數的對比分析

圖4是在相同水側雷諾數（Re=10,000），3種冷凝溫度下（35 ℃、40 ℃和45 ℃），螺旋角為18°換熱管和螺旋角為 28°換熱管單位壓降冷凝傳熱系數（hr/ΔP）隨制冷劑質流密度（Gr）的變化情況。由圖可見，3種冷凝溫度下，28°管的單位壓降冷凝傳熱系數均比 18°管的高，45 ℃時 28°管的單位壓降冷凝傳熱系數比35 ℃時18°管的還要高，齒型參數對單位壓降冷凝傳熱系數的影響比冷凝溫度的影響大[21]。雖然 28°管的壓降較大，但其傳熱系數的提升更大。綜合來看，螺旋角為 28°換熱管的綜合性能更好。隨著質流密度的增加，單位壓降傳熱系數逐漸減小，這是因高質流密度時，制冷劑已經是湍流狀態，螺紋通過增強湍流對換熱的強化作用不顯著。

圖4 單位壓降冷凝傳熱系數隨質流密度的變化

3 結論

為研究螺紋管的換熱性能，本文以R134a為制冷劑，通過對管徑為7 mm、螺紋角為18°和28°的內螺紋強化管在不同工況下的冷凝換熱實驗研究，得出如下結論：

1）制冷劑側傳熱系數受冷凝溫度影響。冷凝溫度越低，R134a側傳熱系數越大，35 ℃時的冷凝傳熱系數比45 ℃高約18%～40%。28°管（瘦齒、大螺旋角管）比 18°管（普通管）傳熱系數高約8%～48%；

2）制冷劑壓降受冷凝溫度影響。冷凝溫度越低，R134a側壓降越大，35 ℃時的壓降比 45 ℃時高約14%～25%。管徑為7 mm、螺旋角為28°換熱管均比螺旋角為18°換熱管壓降高約3%～12%；

3）螺旋角為28°換熱管的單位壓降冷凝傳熱系數高于螺旋角為 18°的換熱管；其中，表面傳熱系數的增幅遠大于壓降增幅。在較大的制冷劑質流密度 700～1,100 kg/(m2·s)范圍內時，28°換熱管的單位壓降冷凝傳熱系數（hr/ΔP）提升更明顯，綜合性能更好；

4）齒型參數對單位壓降冷凝傳熱系數的影響大于冷凝溫度的影響，故應從齒型參數方面入手研究換熱器單管換熱性能的提升。