水平1EHT管內R22、R32、R410a冷凝換熱特性實驗研究

仇富強

（銅陵學院 電氣工程學院，安徽 銅陵 244061）

0 引言

隨著社會的發展，能源危機和環境污染逐漸成為當今世界的主要問題。出于節能減排并降低生產成本的目的，換熱強化技術逐漸成為研究重點。如目前制冷系統中常用的殼管式換熱器內就多采用強化換熱管提高其換熱效果、減小換熱面積，降低換熱器生產成本[1]。諸多廣泛應用于生產實踐中的強化管主要包括矩形管、微肋管、Vipertex 1EHT管等。近年來，有關強化換熱技術成為了國內外廣大學者的一個熱點。

在國外，Kondou等[2]實驗研究了非共沸制冷劑R32/R1234ze（E）在微肋管內的流動沸騰換熱。Colombo等[3]實驗研究了R134a在微肋管內的冷凝/沸騰換熱的壓降、換熱系數、制冷劑流型等。Li等[4]則選用三維強化管為測試管，對其管內的流動冷凝、蒸發特性進行了分析。

在國內，部分學者以微肋管為研究對象，對不同制冷劑在其內的換熱特性進行研究。微肋管主要通過破壞換熱邊界層、增強管內工質湍流度等方式對換熱進行強化。吳曉敏等[5]實驗研究了R22在7 mm微肋管的蒸發冷凝換熱特性。歐陽新萍等[6]在 300 kg/（m2·s）-700 kg/（m2·s）質量流速的工況下，實驗研究了冷劑R134a在對水平內微翅管的管內凝結換熱。而王歡等[7]和楊英英等[8]實驗研究了R32在2 mm水平光滑管內的流動冷凝換熱特性。針對最新替代制冷劑R1234ze，李敏霞等[9]研究了其在2 mm水平光滑管內的適用性。由于光滑管制冷劑側換熱系數與水側相比要小，故換熱器的強化主要集中在制冷劑一側。但當制冷劑一側換熱強化到一定程度時，水側將成為影響換熱效果的主要因素，故在一定工況下，兩側強化管應運而生[10]。

1EHT強化管不同于微肋管，在其表面存在許多凹陷的坑，這既可增加換熱面積，同時也可通過改變液膜湍流度來強化換熱。本文以三種制冷劑R22、R32、R410a為測試工質，通過實驗研究其在相同管徑光管和1EHT強化管內的冷凝換熱特性，旨在分析制冷劑物性、強化管結構參數對換熱特性的影響。

1 .實驗裝置

圖1所示為新搭建水平管管內冷暖換熱實驗臺裝置原理圖，實驗裝置主要包括：工質測試循環、冷卻水循環、冷水機組循環及數據測量采集系統。其中，工質測試循環主要由儲液器、隔膜泵、質量流量計、蒸發器、冷凝器、視液鏡、測試段等組成。實驗過程中，隔膜泵將制冷劑過冷液體由儲液器經質量流量計送至蒸發器，并采用電加熱器對蒸發器內的制冷劑加熱，使制冷劑在測試段進口達到設定狀態。加熱后的兩相制冷劑在試驗段內與冷卻水換熱進行冷凝實驗，試驗段換熱量通過調節冷卻水循環流量及進口水溫來完成。然后，制冷劑過冷液體流入冷凝器與冷水機組提供的低溫載冷劑進行換熱進一步過冷。最終制冷劑流入儲液器，循環重復進行。為便于觀察試驗段進、出口所處制冷劑狀態，在試驗段進、出口均安裝有視液鏡。

圖1 實驗測試裝置

在實驗過程中，所有溫度由PT100鉑電阻測量，精度為0.1℃；制冷劑的壓力由德魯克GE5082型號壓力變送器測量，量程為0-30 bar，測量精度為0.1級；制冷劑循環流量由RHM03傳感器與RHE14變送器組成的質量流量計測量；冷凍水流量由控制-顯示一體型電磁流量計測量，測量精度為0.8級。

實驗段為一訂制的環形套管式換熱器，內管為制冷劑、環性通道內為循環水，制冷劑和水逆向流動，其結構如圖2所示。測試管選用內徑為11.5 mm的光滑管及內徑約為11.5 mm的1EHT強化管為測試管，其具體掃面截面圖見圖3。在1EHT強化管的表面布有孔徑約為3.5 mm、深度約為1.06 mm-1.15 mm的凹陷坑及外徑約為2.5 mm、高度約為0.18 mm的凸顯點，使其可通過增強液膜湍流度來強化換熱。實驗運行工況為：冷凝溫度43℃，制冷劑循環質量流量為60-180 kg/（m2s），熱流密度10-30 kW/m2，制冷劑在實驗段進口過熱度2-3℃，出口過冷度為2-3℃。

圖3 1EHT強化管掃面界面圖

2 理論計算

利用系統內相應測量工具可測得以下參數：實驗段進、出口處制冷劑溫度T1/T2、壓力值P1/P2；試驗段進、出口處冷凍水溫度T3/T4；制冷劑質量循環流量Gr、冷凍水質量循環流量Gw。由于制冷劑在試驗段進、出口均為單相流狀態，故其在進、出口焓值可由所測溫度、壓力值進行計算。另外，為保證計算的準確性，以制冷劑放熱量φr與冷凍水吸熱量的平均值作為實驗段換熱量計算值，即：

由于1EHT強化管為雙側強化管，其環形通道內水側換熱系數要大于光管，故并不能僅采用Gnielinski公式計算，根據Guo等[12]的計算研究發現，在冷卻時測試范圍內，1EHT強化管環形通道內水側換熱系數約為采用Gnielinski公式計算值的2.7倍，在本文數據分析中對此要做相應修正。

3 數據分析

本研究選用內徑為11.5 mm的光管和1EHT強化管為研究對象，在冷凝溫度43℃、制冷劑循環流量 60-180 kg/（m2·s）、熱流密度 10-30 kW/m2的工況下通過實驗對三種制冷劑R22、R32、R410a的流動冷凝換熱特性進行研究，分析制冷劑物性、強化管結構參數的研究效果。

3.1 試驗臺校核

為確保數據可靠性，在試驗臺運行任何兩項換熱實驗前，首先在試驗臺上運行R134a在內徑為11.7 mm光管內的單相換熱實驗，將所得數據與采用Gnielinski公式所得計算值對比，具體結果見圖4。結果表明：實驗值與計算值相差在7%以內，試驗臺具有很好的可靠性。

圖4 單相換熱實驗中實驗Nu與計算Nu的對比

3.2 管型參數

就1EHT 強化管而言，換熱強化效果增加除受換熱面積影響外，還受由微小凹陷坑引起的液膜湍流度的增加、液體分流的作用及換熱邊界層的破壞、氣液混合效果增強等作用的促進。圖5為三種制冷劑R22、R32、R410a在光滑管與1EHT強化管內換熱系數的對比。由圖5可知，制冷劑R22在1EHT 強化管的換熱系數約是光滑管內的1.75-1.95倍；R22、R32、R410a三種制冷劑在光滑銅管及1EHT強化管內的換熱系數均隨著質量流量的增加而增大，這種結果與絕大多數學者的研究結果一致，這是因為在恒定干度值下，管內制冷劑蒸汽和液體的質流速度是與質量流量的增加成正比的，但蒸汽速度的增加比重更大、引起氣液界面速度差增大，產生較大剪切力，這不僅可增強液膜湍流度，還可使液膜變薄，換熱效果進一步強化。

圖5 R22、R32、R410a在兩測試管內的換熱性能對比分析

另外，制冷劑R32、R410a在1EHT 強化管和光管內的換熱強化倍率分別為1.31-1.39、1.80-1.91。

由于換熱強化倍率均高于換熱面積增加倍率，故管內換熱機制在強化換熱中所起作用同樣重要。實驗還提出強化因子EF（Enhanced Factor）的概念，對換熱機制的強化效果進行量化分析，通過以下公式獲得：

即EF為換熱強化倍率與面積增加倍率的比值。圖6為三種制冷劑R22、R32、R410a在1EHT 強化管內的強化效果隨質量流量變化。由圖6可知，對于制冷劑R22、R410a，邊界層的破壞、湍流度的增加、氣液制冷劑的混合等強化換熱機制在1EHT 強化管內強化換熱作用極其重要，且所起作用隨著質量流量的增加而減弱。這可能是由于隨著制冷劑質量流量的增加，強化管內表面完全被液膜覆蓋，湍流度的增加成為強化換熱的主導因素造成的。對于R32，當質量流量小于100 kg/（m2·s）時，隨質量流量的增加EF增大，而當質量流量大于100 kg/(m2·s)時，隨質量流量的增加EF減小，且在較大質量流量下換熱機制的強化作用將會消失，在實驗運行工況調節中應多加注意。

圖6 1EHT 強化管內R22、R32、R410a強化效果隨質量流量的變化關系

3.3 制冷劑物性

不同制冷劑在氣液密度值、導熱系數、氣化潛熱等物性參數上差異性導致其換熱效果不一樣。圖7為相同工況下制冷劑R22、R32、R410a在光滑管及1EHT強化管內換熱系數的對比。由圖7可知，在光滑管內，R32的換熱系數約為R22和R410a換熱系數的1.27-1.34倍，而R22和R410a換熱系數差距并不大。這與Oh等[13]與Liu等[14]的研究成果極為相似。雖然R32與R410a具有相近的動力粘度及氣液密度比，但R32具有更大的液體導熱系數及較大的汽化潛熱，而又由于液膜熱阻在換熱中起重要作用，這極大強化了R32的換熱性能。R22的換熱系數與R410a的接近。相比于R410a，雖然R22蒸汽密度、汽化潛熱更高，能夠產生更大的剪切力，大大降低液膜厚度，使換熱得以強化，但其同樣具有更大的液體動力粘度，使液膜湍流度降低，對換熱造成一定的負面影響。

圖7 制冷劑物性對換熱特性的影響

總之，制冷劑物性在1EHT 強化管內對換熱系數的影響與其在光滑管內的影響效果完全不同。在1EHT 強化管內，制冷劑物性所起作用隨質量流量的增加而下降，在較大質量流量下，其影響效果幾乎消失。

4 結論

本文研究了三種制冷劑R22、R32、R410a在內徑均為11.5 mm的光管和1EHT強化管內的流動冷凝換熱特性，結論如下：

實驗范圍內， R22、R32、R410a在1EHT強化管換熱與光滑管的強化倍率分別為1.75-1.95、1.31-1.39、1.80-1.91。

對于1EHT強化管，邊界層的破壞、湍流度的增加、氣液制冷劑的混合等換熱機制對管內的強化換熱起著極其重要的作用，所起作用隨質量流量的增加而減弱。

在光滑管內，R32的換熱系數約為R22、R410a的1.27-1.34倍；R22和R410a換熱系數接近；而在1EHT強化管內，制冷劑物性的差異性對換熱系數的影響隨質量流量的增加而變弱。