冷水機組用高效換熱管傳熱及阻力特性試驗研究

李仕黛 譚江峰 夏龍平

（重慶通用工業（集團）有限責任公司）

水系統中央空調等供暖制冷產品作為推動國民經濟高質量發展的重要終端消費品，具有綠色低碳、清潔節能等優勢，同時還能有效減少二氧化碳等溫室氣體的排放， 可減緩氣候變暖、防治大氣污染，有利于推動我國能源結構低碳化轉型，在此背景下，換熱器行業發展潛力巨大。

目前，換熱器在石油化工、電力冶金、機械等工業部門應用非常廣泛，其中石油化工領域對換熱器的需求占比30%，其次電力冶金、船舶工業、機械工業占比分別為17%、9%、8%。 制冷行業的離心式冷水機組中，換熱器總成本占整機成本的30%～40%［1］。 未來我國換熱器市場需求將呈現以下特點： 對產品質量水平提出了更高的要求，環保、節能型產品將是今后發展的重點；要求產品性價比提高。 因此，改進高效換熱器、提高換熱性能對于離心式冷水機組控制成本、節能降耗具有非常重要的意義［2，3］。

換熱管是換熱器產品的關鍵元件，其結構型式是影響綜合傳熱系數和換熱效率的關鍵因素，因此對換熱管進行強化傳熱研究具有重要的意義。 筆者通過對不同管型的傳熱管進行試驗研究， 采取針對每種管型進行單管傳熱試驗的方式，研究其傳熱特性、阻力特性，從而研究影響綜合傳熱性能的條件和相應規律及趨勢。

1 管型參數

通常，高效換熱管選用外表面有微翅，內表面有凸緣或螺紋的強化傳熱管［4，5］。強化傳熱管是在普通光管的基礎上利用專業設備進行加工，使光管內外表面形成螺紋線及翅片［6］。 通過改變換熱管的翅片型式、內外齒高度、翅片數量及翅頂角度等，不僅能增大換熱面積，而且能促使蒸發管外形成獨特的微孔結構，增加管外換熱的汽化核心，提高管外換熱系數［7］。 對于冷凝來說，其管外特殊翅片形狀能改變管外冷媒的流動方式，提高熱傳導效率，進而強化傳熱效果［8］。

本次試驗研究選取3根新研發的樣管， 規格均為φ19.05 mm×1.4 mm，樣管管型不同，分別定義為1號管、2號管、3號管，其管型參數見表1。

表1 3種換熱管管型參數

2 試驗裝置及原理

2.1 試驗裝置

試驗裝置（圖1）由殼程氣路系統、管程水路系統、電氣控制和數據采集處理系統、水泵、儀表閥門附件5部分組成。 蒸發器和冷凝器內的制冷劑循環流通，試驗樣管水平穿在測試筒體上。 蒸發器筒體上可同時安裝3根被測管，其中1根被測管為標準管。 每次樣管試驗前，先測試標準管綜合傳熱系數，并與以往的測試數據對比，用于驗證試驗測試裝置的穩定性和準確性。 冷凝器筒體上可同時安裝4根被測管，其中1根被測管為標準管，冷凝器筒體可同時測試3根冷凝管。 每次樣管測試試驗前，先測試標準管綜合傳熱系數，并與以往測試數據對比，用于驗證試驗測試裝置的穩定性和準確性。 蒸發器殼體頂部設有排氣管，與冷凝器殼體頂部的進氣管連通，冷凝的液體從冷凝器殼體底部經排液管進入到蒸發器殼體底部的進液管，如此往復循環。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗過程中采集的數據包括管程進出口水溫、管程水流量、殼程壓力及管程進出口水壓差等［9］。所有的數據信號均接入數據采集儀后，再傳送到計算機內顯示、自動計算和存儲并形成試驗測試報告。

2.2 試驗原理及方法

為了更好地研究換熱管的傳熱特性，通常需要分別得到管內換熱系數和管外換熱系數。 工程實際中通常通過試驗測試單根樣管的管內換熱系數和管外換熱系數，來確定在常用冷水機組的工況范圍下， 表面增強型強化傳熱管的換熱性能。 此類管型內側為螺紋形式，外側為經過機械加工的特殊齒型的外凹穴翅片［10］。 對于高效管內側換熱情況，比較成熟的關系式為［11］：

式中 DI——管內名義直徑，m；

hi——管內換熱系數，W/（m2·K）；

Pr——管內流體普朗特數；

Re——管內流體雷諾數；

λ——導熱系數，W/（m·K）；

μ——平均溫度下的流體動力粘度，kg/（m·s）；

μw——壁面溫度下的流體動力粘度，kg/（m·s）。

由于影響管外側傳熱的因素較多，對此類強化管型的強化機理還沒有一套嚴密完整的理論，試驗數據也相當缺乏，故管外換熱系數與熱流密度的準則關系通常可以按照下式來考察：

式中 F、D——不同換熱管的管型結構系數；

ho——管外換熱系數，W/（m2·K）；

q——熱流密度，W/m2。

試驗測試分析中分別進行兩種不同工況下的傳熱試驗，通過測試管內換熱系數和管外換熱系數， 從而對影響傳熱性能的因素進行研究分析。 其中，第1種工況（簡稱STCI測定）是通過調節冷媒水流量進而改變管內流速，通過調節冷媒水進水溫度來保持恒定的換熱量，從而維持恒定的熱流密度。 即管外換熱系數不變而改變管內換熱系數，測試不同流速下的管內換熱系數及綜合傳熱系數的變化情況。 記錄相應試驗數據， 求得STCI值。 第2種工況（簡稱換熱性能測定）是通過調節進出口水溫進而改變熱流密度，在測試過程中控制水流量不變，從而保持恒定的流速。 即管內換熱系數不變而改變管外換熱系數，測試不同熱流密度下管外換熱系數和綜合傳熱系數的變化情況［12］，記錄相應試驗數據。

3 試驗數據分析

3.1 管內換熱系數試驗結果及分析

為了更好地比較強化管的管內換熱特性，在特定工況下進行STCI 測定試驗。 熱流密度為20 000 W/m2， 流速分別為1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.50 m/s。筆者對3種管型在該工況下的試驗數據進行分析對比，得到管內換熱系數曲線如圖2所示。 通過圖2分析得出，對于同一種管型，在特定試驗條件下，管內換熱系數隨流速的增大而呈上升趨勢。

圖2 流速-管內換熱系數關系曲線

3.2 管外換熱系數試驗結果及分析

通過圖3分析得出，對于同一種管型而言，管外換熱系數隨熱流密度的增大而呈上升趨勢。 其主要原因為熱流密度增大后， 對數平均溫差增加，增大了蒸發換熱所需的大量汽化核心，從而顯著提高了管外換熱系數。 由于該試驗是在恒定流速（2.50 m/s）下進行的，管內換熱系數不變，故管外換熱系數隨熱流密度的增大而呈上升趨勢。

圖3 熱流密度-管外換熱系數關系曲線

對于蒸發管而言，管內側的換熱情況已經有很多成熟的研究成果，研究結果表明，管內換熱系數對于換熱性能的影響不是絕對的，而管外換熱系數對換熱性能的影響占主導地位［13］。 因此，提高蒸發器的換熱性能可以從管外側翅片結構優化著手，提高外側的汽化核心數量。 影響管外換熱系數的因素較多，包括換熱管外側的幾何結構、 管外介質的流動狀態及管外熱流密度等，因此，提高換熱器的綜合傳熱性能研究可以從提高管外換熱系數這個方向著手，綜合考慮管內和管外的換熱情況，找到一個最佳的匹配平衡點即可實現換熱性能的提高。

3.3 管內阻力特性試驗結果及分析

換熱器內管程阻力損失，是衡量經濟運行效果的一個重要指標。 如果壓降大，則系統水泵消耗的功率較大，因此需要配備揚程較大的水泵來補償壓力降低所消耗的能量［14］。 圖4為3種不同樣管的管內阻力損失與流速的試驗結果， 由圖4可以看出， 管內阻力損失隨著流速的增加而增大。在相同流量下， 流速隨著流通面積的增大而減小， 在相同的冷媒水流量和換熱面積條件下，直徑為25 mm的換熱管通常比直徑為19.05 mm的換熱管壓降小。

圖4 流速-水阻關系曲線

假設熱流密度20 000 W/m2、 流速2.50 m/s為對比分析點。 比較3種管型在對比點時的換熱性能，試驗結果見表2。

表2 綜合傳熱性能測試結果對比

從表2的試驗數據中可以看出：1號管、2號管、3 號管的管內換熱系數hi分別為17 448、17 198、21 952 W/（m2·K）， 綜合傳熱系數K分別為9 752、10 146、8 549 W/（m2·K），綜合傳熱系數與水阻比值K/ΔP分別為411.5、424.7、304.2，其中2號管的管內換熱系數最低，但綜合傳熱系數卻最優，管內阻力最小。 結果表明，管內換熱系數對綜合傳熱性能的影響不占主導地位，有時因為管內換熱系數的增強，削弱了管外換熱系數，增加了管內阻力損失，反而對傳熱效果和阻力損失有不利影響。 例如本次試驗結果中，3號管管內換熱系數最高，但綜合傳熱系數卻最低。 總之，在做高效管尤其是蒸發管的齒形開發時，優先考慮增強管外換熱系數，找到管內換熱系數和管外換熱系數的一個平衡點，才能研發出傳熱性能最優的高效管。 筆者通過對3種管型的試驗數據進行分析，發現2號管的綜合傳熱系數最高，阻力最低，K/ΔP達到424.7，優于1號管和3號管，綜合傳熱系數達到10 146 W/（m2·K），與3號管相比，綜合傳熱系數提升了約19%。通過綜合傳熱性能的優化，在相同條件下機組設計的換熱管總面積會得到有效降低，預計在機組整體成本方面可降低約8%。

4 結論

4.1 對于相同條件下的同一種管型，在特定試驗條件下，綜合傳熱系數隨著流速的增大而呈上升趨勢。

4.2 在相同工況條件下，對于蒸發管而言，管內換熱系數對換熱性能的影響不是絕對的，而管外換熱系數對換熱性能的影響占主導地位。

4.3 對于相同條件下的同一種管型，綜合傳熱系數將隨著熱流密度的增大而呈上升趨勢。

4.4 高效換熱管管內阻力損失將隨著流速的增加而增大。

4.5 通過綜合傳熱性能的優化，在相同條件下機組設計的換熱管總面積會得到有效降低，預計在機組整體成本方面可降低約8%。