光管與內(nèi)螺紋銅管蒸發(fā)換熱系數(shù)與壓力損失實(shí)驗(yàn)研究

郭培禎

摘 要：文章針對同管徑的外徑7mm的光面銅管和內(nèi)螺紋銅管，在空調(diào)工況下進(jìn)行了流動換熱實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)選用的制冷工質(zhì)為新型環(huán)保制冷劑R410A。實(shí)驗(yàn)的工況條件為：制冷工質(zhì)蒸發(fā)飽和溫度為6℃±0.2℃，蒸發(fā)段入口處制冷工質(zhì)干度為25%，蒸發(fā)段出口處制冷工質(zhì)過熱度為8℃±0.2℃。質(zhì)量流速為200kg/m2.s～550kg/m2.s。文章基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較了不同外徑內(nèi)螺紋管的平均蒸發(fā)與冷凝換熱系數(shù)和壓降，為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：光管;內(nèi)螺紋銅管;換熱系數(shù);壓力損失

中圖分類號：TB65 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）05-005-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.003

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)發(fā)展和居民生活對能源的需求一直都在提高，人們不斷尋找替代能源的同時，也在努力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，不斷提高能源的利用效率。研發(fā)人員都在探索不同的換熱結(jié)構(gòu)以提高能源利用效率，這也被證明是提高能源利用效率的重要手段之一，屬于強(qiáng)化傳熱范疇。該研究中，針對Φ7mm的光管和內(nèi)螺紋銅管，應(yīng)用冷媒R410A進(jìn)行了平均蒸發(fā)和壓力損失的實(shí)驗(yàn)研究，以為新管型的研發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)臺組成

該實(shí)驗(yàn)臺是壓縮制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺，包括三個部分：制冷劑回路、水回路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在換熱方式上采用套管式，即制冷劑在實(shí)驗(yàn)管內(nèi)部流動，冷卻水在外側(cè)環(huán)形水套中流動，二者逆向流動換熱。

1.2 數(shù)據(jù)處理

文章采用威爾遜熱阻分離法[1]獲得整個實(shí)驗(yàn)管內(nèi)的平均對流換熱系數(shù)，不需要直接測量制冷劑的溫度，而是通過熱阻分離間接計(jì)算一定工況條件下，制冷劑的平均對流換熱系數(shù)。

文章所用水和制冷劑的物性均由Refprop軟件直接調(diào)用獲得。

1.2.1 傳熱系數(shù)的計(jì)算

式中：

K-測試管的傳熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

?t-對數(shù)平均溫差，單位為開爾文（K）;

Q-總換熱量單位為瓦（W）;當(dāng)熱平衡誤差在5%以內(nèi)時，Q=（Qw+Qr）/2;

Qw=cp*M*|tin-tout|，其中cp為水的定壓比熱。

當(dāng)水溫在0～230℃時，cp=4.179×103+7.9×10-5×（t-10）2.9。

Qr=m?h，其中，m為冷媒的流量，?h為冷媒的進(jìn)出口焓差，可從NIST物性表查詢。

1.2.2 水側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算

式中：

hw-水側(cè)的換熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

d-當(dāng)量直徑，單位為米（m）;

λt-某溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為瓦每米開爾文（W/（m2·K））;可從NIST物性表查詢;

Re-雷諾數(shù);無綱量數(shù)。

Pr-普朗特?cái)?shù);無綱量數(shù)。

n-冷凝時n=0.4，蒸發(fā)時n=0.3，試驗(yàn)時需保證Re≥10 000。

1.2.3 管內(nèi)壁面表面換熱系數(shù)的計(jì)算

式中：

h-測試管的管內(nèi)壁面表面換熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

Dwi-水套內(nèi)徑，單位為米（m）;

Dro-測試管的外徑，單位為米（m）;

λt=398，單位為瓦每米開爾文（W/（m2·K））。

1.2.4 Re數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中，要保證Re>10 000，紊流狀態(tài)，可通過調(diào)節(jié)水的流量來滿足。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)要求工況穩(wěn)定，并保證合適的雷諾數(shù)和熱平衡系數(shù)。

Dw為冷凝水套當(dāng)量內(nèi)徑，可由水套內(nèi)徑Dwi，內(nèi)螺紋管外徑Dro計(jì)算得到。Vw為水的體積流量，由質(zhì)量流量計(jì)測得。Acw為冷凝水側(cè)通流面積，Vw為水的動力粘度，由R410A物性參數(shù)得到。式中，tw為定性溫度。twi，two為水出入口水的溫度。

1.2.5 熱平衡系數(shù)計(jì)算

理論上講，熱平衡系數(shù)應(yīng)為0，即冷凝水側(cè)和制冷劑制冷劑側(cè)的換熱量相等，但是由于熱損失及其他可能引起誤差的因素存在，熱平衡系數(shù)不為0。

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對熱平衡系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)換熱器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可供使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須保證熱平衡誤差在±5%以內(nèi)。只有滿足熱平衡誤差在±5%內(nèi)的數(shù)據(jù)，才會被采集并用于計(jì)算。

如下列公式所示，Qr為制冷劑側(cè)換熱量，通過制冷劑出、入口比焓hro，hri可以計(jì)算得到。比焓可以由進(jìn)、出口的溫度、壓力數(shù)據(jù)，通過Refprop軟件直接調(diào)用。Qw為水側(cè)的換熱量，可以通過電磁流量計(jì)測得水的質(zhì)量流量Gr，再測得進(jìn)、出口水溫twi，two，即可計(jì)算并獲得熱平衡系數(shù)HB。

2 管內(nèi)平均換熱系數(shù)分析

圖1分別為光管和內(nèi)螺紋銅管的平均蒸發(fā)換熱系數(shù)與制冷劑工質(zhì)質(zhì)量流速之間的關(guān)系，以及管內(nèi)壓力損失與制冷劑工質(zhì)質(zhì)量流速之間的關(guān)系。從圖中可以看出，光管和內(nèi)螺紋管，隨著制冷劑工質(zhì)質(zhì)量流速的增大，工質(zhì)側(cè)平均蒸發(fā)換熱系數(shù)均增大。隨著工質(zhì)質(zhì)量流速的增加，蒸發(fā)段阻力損失均有所增加。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度評定

在該實(shí)驗(yàn)臺的參數(shù)測量中，主要包括以下四個方面：溫度、壓力、壓降及流量。其中，溫度測量包括冷凝劑制冷劑進(jìn)出口溫度和冷凝水進(jìn)出口溫度，壓力測量包括制冷劑工及進(jìn)口壓力及進(jìn)出口壓差，流量測量包括制冷劑流量測量和冷凝水流量測量。水側(cè)和冷媒側(cè)的換熱量偏差≤5%時，才被認(rèn)為是合格有效數(shù)據(jù)。

文章實(shí)驗(yàn)參數(shù)中的溫度、壓力和水側(cè)及冷媒側(cè)的流量參數(shù)是實(shí)測得到，總換熱量和總換熱系數(shù)是通過以上參數(shù)計(jì)算得出。管外換熱系數(shù)和管壁熱阻是通過國際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，因此文章僅對一組冷凝實(shí)驗(yàn)的總換熱量和綜合換熱系數(shù)，進(jìn)行B類不確定度評定。以水側(cè)換熱量為例，計(jì)算結(jié)果可知，總傳熱系數(shù)的相對不確定度為2.8%。

4 結(jié)語

通過對光管和內(nèi)螺紋銅管的蒸發(fā)換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

對于工質(zhì)R410A，光管和內(nèi)螺紋管的蒸發(fā)換熱系數(shù)隨質(zhì)量流速的增大而增加。

對于工質(zhì)R410A，光管和內(nèi)螺紋管的蒸發(fā)壓力損失隨質(zhì)量流速的增大而增加。

同樣的質(zhì)量流速下，內(nèi)螺紋管的蒸發(fā)換熱系數(shù)約為光管的2～3倍。

同樣的質(zhì)量流速下，壓力損失在230kg/m2·s時交叉。大流速時，內(nèi)螺紋管的壓力損失明顯大于光管，約3倍左右。

參考文獻(xiàn)

[1] Wellsandt S，Vamling L.Evaporation of R407C and R410A in a horizontal herringbone microfin tube：heat transfer and pressure drop[J].International journal of refrigeration，2005，28（6）：901-911.