新型多功能水平單管管外傳熱性能試驗裝置的設計

劉萌芳，陶樂仁，黃理浩

（1. 上海健康醫學院, 上海 201318；2. 上海理工大學 制冷及低溫工程研究所, 上海 200093）

由于世界能源日趨緊張，以節約能源和原材料為目的，采用新技術、新材料、新工藝開發高效換熱器已成為換熱界一個重要研究方向［1］。相變傳熱廣泛存在于火力發電廠、核電站、低溫與制冷、化工及輕工等工程領域，在節能領域中占有十分重要的地位［2］。

近幾十年來，針對強化管的相變傳熱研究已取得大量的成果。制冷空調行業采用新型強化傳熱管有利于節約材料和降低成本，同時有效提高熱能利用率，降低能耗［3］。在制冷空調行業，氟利昂工質對大氣臭氧層的破壞尤為嚴重，從而造成太陽紫外線大量輻射到地球上，使人體的免疫系統受到損害，并加劇了溫室效應。因此，制冷劑的替代成為刻不容緩的課題［4］。

基于以上的問題，國內外科研院所開始研究制冷劑在單管的換熱性能。張定才等［5-6］采用雙桶結構的測試系統，研究了R134a/R125混合工質、R417A等工質在水平光管及強化管外的凝結換熱性能。Sajjan等［7-8］采用相似的試驗測試系統研究了R-600a在不同冷凝壓力及不同管型的傳熱性能，并與傳統的模型進行比較。雙桶結構的測試原理為上桶為冷凝裝置，下桶為蒸發裝置，制冷劑冷凝后，液態制冷劑利用重力回到蒸發裝置，并在蒸發裝置中被加熱，蒸發后的制冷劑蒸汽上升到冷凝裝置中冷凝。此外，常見的還有帶壓縮機的測試系統，由壓縮機作為動力來源，實現系統的循環過程［9-10］。但是由壓縮機提供動力來源的試驗裝置不能同時滿足多種制冷劑的測試要求，而雙桶式結構的測試裝置在控制系統的穩定性方面存在缺陷，系統的熱平衡較難控制。

通過文獻分析可知，單管管外傳熱是目前研究的熱點，對新型制冷劑及銅管等材料的蒸發冷凝機理進行研究十分必要。因此，本文設計并搭建一套性能穩定且可兼容的單管管外蒸發、冷凝及降膜蒸發一體的試驗裝置，以便更好地開展傳熱機理研究。

1 試驗裝置設計及工況

試驗裝置如圖1所示。試驗參數范圍如表1所示。整個試驗裝置主要分為五大部分：制冷工質循環系統、試驗段前水循環系統、試驗段水循環系統、冷凍水系統和測控系統等。

制冷工質循環系統由儲液器、制冷劑泵（隔膜泵）、換熱器4、試驗段、換熱器2、質量流量計G1組成。其中，試驗段的結構經過特殊設計，可以適應管外蒸發、冷凝、降膜蒸發以及管外冷凝單管浸液試驗（即在冷凝管上噴制冷劑液體的同時進行冷凝試驗）。試驗段前水循環系統主要由換熱器4、水泵b2 和電加熱器H1組成。試驗段水循環系統主要由電磁流量計G2、換熱器1、電加熱器H3 和水泵b3 組成。為保證試驗段入口水溫恒定，減小換熱誤差，利用電加熱器H3實現出口水溫的控制。冷凍水系統主要由冷水機組、儲液器、球閥V3、換熱器2等組成。測控系統由西門子PLC和力控組態軟件組成。

該試驗裝置采用米頓羅的液壓隔膜計量泵，型號為MBH201-8M， 流量范圍為18～180 kg · h-1，精度為 ± 1%。測壓裝置為德魯克壓力傳感器，精度為 ± 0.2%。試驗系統布置了10個日本千野鉑電阻，精度為 ± 0.1 ℃，用于測量制冷劑側及水側的溫度。由于本試驗系統可以滿足不同制冷劑的試驗要求，因此試驗開始前以R22制冷劑在光管（試驗段）的管外冷凝傳熱性能對系統進行校核，將光管的性能與傳統經驗公式對比，確保兩者偏差達到設計要求。

2 數據計算

2.1 傳熱系數

傳熱系數由獲得的傳熱量確定，即

式中：Ao為試驗所用的胚管外表面積，m2；Δtm為對數平均溫差，℃；Qr為試驗段制冷劑側換熱量，W；K為試驗段總傳熱系數，W·m-2·K-1。

試驗中要求試驗段制冷劑側換熱量和水側換熱量的熱平衡偏差小于5%。

2.2 管內對流傳熱系數

管內強化管表面傳熱系數通過Wilson熱阻分離法［3］獲得，如式（2）所示。Wilson法無需測量管壁溫度，因此在管外冷凝或沸騰中得到廣泛應用。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Experimental apparatus

表1 試驗參數范圍Tab.1 Experimental parameters

式中：hi為管內表面傳熱系數，W·m-2·K-1；ci為強化倍率；hip為光管內水側表面傳熱系數，W·m-2·K-1，由 Gnielinski公式［11］求得，此處傳熱系數的計算面積為胚管的相應面積。

2.3 管外表面傳熱系數

采用熱阻分離法可獲得管外表面傳熱系數，即

式中：ho為管外表面傳熱系數，W·m-2·K-1；Ai為強化管胚管內表面積，m2；由于使用的是新管，忽略強化管的污垢熱阻和管壁熱阻。

2.4 降膜蒸發液膜流量

式中：Γ 為單邊單位長度的液膜流量，kg·m-1·s-1；η為制冷劑動力黏度，Pa·s。

3 控制系統設計

3.1 PLC 控制系統

該試驗裝置PLC控制系統主要由西門子PLC、Pt100 鉑電阻、壓力傳感器、壓力變速器、電磁流量計、質量流量計、調功器、變頻器、電子膨脹閥、電動三通閥等組成，如表2所示。上位機通過MPI通信協議把各種開關量信號輸入到PLC 中，PLC 接收到上位機發送的信號后通過已編好的程序對試驗裝置的開關量及模擬量進行邏輯控制，以實現上位機對試驗臺的自動控制。

表2 各模塊選型及控制功能Tab.2 Module selection and their functions

3.2 基于力控組態軟件的數據采集系統

操作系統選用的是北京三維力控科技有限公司的產品ForceControl 6.1組態軟件，結合SIEMENS S7-300型PLC模塊來對試驗裝置進行控制。該軟件能夠實現對數據的采集、監控與自動控制，并且能夠進行相應的處理，大大提高了工作效率。該試驗裝置能夠對溫度、壓力等各項參數進行實時檢測，測量精度較高且操作簡單，操作界面直觀方便，自動化程度高。其操作界面如圖2所示。

圖2 試驗系統操作界面Fig.2 Operation interface of the experimental system

4 光管管外凝結換熱試驗檢核

由Nusselt理論公式可以計算R22在光管管外冷凝換熱中壁面過冷度（ts-tw）對應的管外換熱系數理論值。對于直徑15.88 mm的光滑管，在ts= 35 ℃冷凝溫度下，試驗段水流量1000 L·h-1（即光滑管內水流速1.5 m·s-1）情況下，管外換熱系數ho隨著銅管壁面過冷度的增大而降低，如圖3所示。這主要是因為隨著銅管壁面過冷度的增大，銅管換熱壁面附著的凝結液膜逐漸增多，從而加厚了液膜厚度。液膜厚度的增加反而阻礙了熱量的傳遞，最終導致管外換熱系數的降低。

圖3 光管管外凝結換熱系數與壁面過冷度的關系Fig.3 Relationship between the condensation heat transfer coefficient outside plain tube and wall sub-cooled degree

圖3是光管管外冷凝換熱系數ho的Nusselt理論值與試驗值對比。從圖中可以看出，試驗值與Nusselt理論值的誤差都在 ± 5%左右。這與以往的光管管外冷凝換熱系數研究相符合，則證明了該試驗裝置的單管管外冷凝試驗的可靠性和合理性。

5 結 論

為研究新型制冷劑及單管的蒸發冷凝機理，設計和搭建了一套性能穩定的綜合換熱試驗系統。該試驗裝置性能穩定，滿足設計要求，且具有以下特點：

（1）采用隔膜泵代替壓縮機，將其作為主要的動力來源實現冷媒在系統的循環。傳統的壓縮機式的試驗系統含有大量的潤滑油，不能準確地反映試驗管及制冷劑的換熱性能。

（2）可滿足綜合沸騰、冷凝及降膜蒸發等多種試驗要求。該試驗裝置是一個綜合的變工況多功能試驗臺，可根據需求開展管外沸騰、冷凝及降膜蒸發等試驗，即降低了試驗成本，避免了設備購買的重復性，又有利于系統誤差的標定和統一。