異型內螺紋管與常規內螺紋管換熱及壓降性能的實驗研究

張繼軒

摘 要：文章針對一種異型內螺紋管型和一種常規內螺紋管，在空調工況下開展流動換熱實驗研究，以獲得平均冷凝換熱系數和壓降性能。實驗選用的制冷工質為新型環保制冷劑R410A。實驗的工況條件為：制冷工質蒸發飽和溫度為6℃±0.2℃，蒸發段入口處制冷工質干度為25%，蒸發段出口處制冷工質過熱度為8℃±0.2℃。制冷工質冷凝飽和溫度為45℃±0.2℃，冷凝段入口處制冷工質過熱度為20℃±0.5℃，冷凝段出口處制冷工質過冷度為5℃±0.2℃。質量流速為250kg/m2·s～450kg/m2·s。基于實驗結果，文章比較了異型內螺紋管與常規內螺紋管的平均蒸發與冷凝換熱系數和壓降，并獲得一些結論。

關鍵詞：蒸發;冷凝;內螺紋管;強化傳熱

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）05-011-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.006

能源的儲量日益減少，工業發展和居民生活對能源的需求卻一直在提高，人們不斷尋找替代能源的同時，也在努力發展科學技術，不斷提高能源的利用效率。研發人員都在探索不同的換熱結構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，屬于強化傳熱的范疇。本研究中，針對同為外徑7.00mm的一種異型內螺紋管與一種常規內螺紋管，實拍圖片如圖1所示。應用冷媒R410A進行了平均蒸發和冷凝換熱系數和壓降性能的實驗研究，為新管型的研發提供參考。

1 實驗研究

1.1 實驗臺組成

本實驗臺是壓縮制冷循環實驗臺，包括三個部分：制冷劑回路、水回路及數據采集系統。

在換熱方式上采用套管式，即制冷劑在實驗管內部流動，冷卻水在外側環形水套中流動，二者逆向流動換熱，以下分三部分介紹實驗裝置。

1.2 制冷劑回路

實驗裝置采用壓縮制冷系統，即高溫高壓的制冷劑蒸汽從變頻壓縮機排氣口排出，之后通過油分離器分離，然后經過預熱器被加熱到一定的溫度，隨后進入冷凝實驗段，通過與外側水套中的冷凝水換熱而冷凝，之后過冷液進入儲液罐;從儲液罐出來的制冷劑通過干燥過濾器，隨后進入質量流量計，此處可以測得制冷劑流量。然后進入電子膨脹閥，氣液兩相的制冷劑隨后進入蒸發實驗段，通過與管外水套蒸發進行換熱，成為具有一定過熱度的蒸汽，之后過熱蒸汽進入壓縮機完成制冷劑循環。

1.3 水回路

實驗裝置的水回路包括冷凝水回路和蒸發水回路。兩個水回路均包括恒溫水浴、水泵、電磁流量計、調節閥、實驗段水套及連接管路等。實驗段水回路循環過程：水從水泵泵出后，進入實驗段水套與實驗管中的制冷劑換熱，回路上接有電磁流量計可測得水流量。恒溫水浴由水箱外接壓縮機與板式換熱器，與空氣進行換熱維持。

在文章開展的實驗研究中，需要采集介質的溫度、壓力、壓力損失及流量等四個方面的數據。實驗臺使用的溫度傳感器均為高精度PT100鉑電阻。溫度傳感器的安裝采用鎧裝方式，便于拆卸。分別使用德國科隆的質量流量計和日本橫河的電磁流量計來測量制冷劑工質和冷凝水的流量，所有使用的流量計誤差均在0.2%以內，壓力傳感器誤差均在0.25%以內。數據采集系統采用國外進口的安捷倫數據采集系統，可以記錄到小數點后三位。

制冷劑回路中的參數測量，主要是針對制冷劑各量的測量，用來計算制冷劑的平均換熱系數及壓降數據。實驗管進出口處布置溫度傳感器，測得制冷劑進入實驗管道及流出實驗管道的溫度。實驗管道入口處布置壓力傳感器，測得制冷劑進口壓力。進出口處布置壓差傳感器，測得制冷劑前后的壓差。制冷劑流出實驗管道后流過高精度的質量流量計測得流量。

1.4 數據處理

文章采用威爾遜熱阻分離法[1]獲得整個實驗管內的平均對流換熱系數，不需要直接測量制冷劑的溫度，而是通過熱阻分離來間接計算一定工況條件下，制冷劑的平均對流換熱系數。

文章所用水和制冷劑的物性，均由Refprop軟件直接調用獲得。

1.4.1 傳熱系數的計算

式中：

K-測試管的傳熱系數，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

?t-對數平均溫差，單位為開爾文（K）;

Q-總換熱量單位為瓦（W）;當熱平衡誤差在5%以內時，Q=（Qw+Qr）/2，Qw=cp*M*|tin-tout|，其中cp為水的定壓比熱。

當水溫在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為冷媒的進出口焓差，可從NIST物性表查詢。

1.4.2 水側換熱系數的計算

式中：

hw-水側的換熱系數，單位為瓦每平方米開爾文（W/（m2·K））;

d-當量直徑，單位為米（m）;

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

Re-雷諾數;無綱量數。

Pr-普朗特數;無綱量數。

n-冷凝時n=0.4，蒸發時n=0.3，試驗時需保證Re≥10 000。

1.4.3 管內壁面表面換熱系數的計算

式中：

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

Dwi-水套內徑，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））。

1.4.4 Re數

實驗過程中，要保證Re>10 000，紊流狀態，可通過調節水的流量來滿足。為了保證實驗結果，實驗要求工況穩定，并保證合適的雷諾數和熱平衡系數。

Dw為冷凝水套當量內徑，可由水套內徑Dwi，內螺紋管外徑Dro計算得到。Vw為水的體積流量，由質量流量計測得。Acw為冷凝水側通流面積，Vw為水的動力粘度，由R410A物性參數得到。式中tw為定性溫度。twi，two為水出入口水的溫度。

1.4.5 熱平衡系數的計算

理論上講，熱平衡系數應為0，即冷凝水側和制冷劑制冷劑側的換熱量相等，但是由于熱損失及其他可能引起誤差的因素存在，熱平衡系數不為0。

為了保證實驗數據的準確性，需要對熱平衡系數進行計算。根據換熱器的設計標準，可供使用的實驗數據，必須保證熱平衡誤差在±5%以內。只有滿足熱平衡誤差在±5%內的數據，才會被采集并用于計算。

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

2 實驗結果及分析

2.1 管內平均換熱系數分析

圖2分別是兩組內螺紋管的平均蒸發換熱系數與制冷劑工質質量流速之間的關系，內螺紋管冷凝換熱系數與制冷劑工質質量流速之間的關系。從圖中可以看出，對于兩種內螺紋管，隨著制冷劑工質質量流速的增大，工質側平均蒸發換熱系數和平均冷凝換熱系數都增大。從圖中可以得知，在制冷劑質量流速250kg/m2·s～450kg/m2·s范圍內，質量流速相同時，異型齒的平均蒸發和冷凝換熱系數均高于常規齒，蒸發管內換熱系數的提升基本在8%左右，冷凝管內換熱系數的提升基本在4%左右。考慮到實驗誤差，此冷凝異型管可以認為與此冷凝常規管的管內換熱系數持平。分析比較兩種管子的微肋齒形可以看出，前者齒高比后者變化更多，對于蒸發過程，增多的氣化核心數，從而蒸發換熱過程得以強化，換熱能力增強，具體表現就是管內換熱系數提高。對于冷凝過程，多變的齒型曲面強化了對工質的擾動作用，增大了湍流度，提高了換熱性能，使得平均冷凝換熱系數也有提升，只是提升幅度小于蒸發提升幅度。

2.2 管內流動阻力分析

兩種管子的壓降實驗結果如圖3所示。由圖可見，隨著工質質量流速的增加，蒸發段和冷凝段的阻力損失均有所增加。這是由于水平管內蒸發和冷凝阻力損失包括摩擦阻力損失和動量變化引起的阻力損失兩部分，相對于前者，后者數值非常小，因此可以認為管內蒸發和冷凝的阻力損失即為摩擦阻力損失。隨著工質質量流速的增加，氣相和液相流速隨之增加，摩擦阻力損失增加，因此試驗段阻力損失增加。圖中可以看出，一定工況條件下，相同的工質質量流速下，這2種管子的蒸發和冷凝壓力損失與對應的常規齒的壓損相差并不大，可以認為此種異型微肋齒對壓力損失的影響很小，可以近似看作壓力損失持平。

2.3 單位壓降平均冷凝對流換熱系數

在水平管內冷凝換熱過程中，管內壓力損失同樣會引起沿程飽和溫度發生變化。水平管內蒸發和冷凝換熱的綜合性能，不僅受平均蒸發和冷凝對流換熱系數的影響，壓降也是一個重要因素。因此，內螺紋管齒型參數的設計需要考慮。

2.4 實驗結果的不確定度評定

在本實驗臺的參數測量中，主要包括以下四個方面：溫度、壓力、壓降及流量。其中，溫度測量包括制冷劑進出口溫度和水進出口溫度，壓力測量包括制冷劑進口壓力及進出口壓差，流量測量包括制冷劑流量測量和水流量測量。水側和冷媒側的換熱量偏差≤5%時，才被認為合格有效數據。

文章實驗參數中的溫度、壓力和水側以及冷媒側的流量參數是實測得到，總換熱量和總換熱系數通過以上參數計算得出。管外換熱系數和管壁熱阻通過國際公認的經驗公式計算得出，因此文章僅對一組冷凝實驗的總換熱量和綜合換熱系數進行B類不確定度評定。以水側換熱量為例。

2.4.1 水流量的不確定度

實驗過程中水流量的測量采用日本橫河牌電磁流量計測量，精度為讀數的0.2%。

本組冷凝實驗，水流量讀數為7.79L/min，不確定度為：

2.4.2 溫度測量的不確定度評定

本實驗系統中，溫度的測量采用高精度PT100鉑熱電阻，不確定度為0.1℃。u（溫度）=0.1℃。

2.4.3 水側換熱量的不確定度評定

3 結語

通過對不同管型的蒸發和冷凝換熱系數的實驗數據分析，可以得出以下結論：對于兩種管型，工質為R410A時，冷凝換熱系數隨質量流速的增大而增加。由于異型管對于工質的擾動作用更強、氣化核心數更多、湍流度更大，使得換熱效果得以有效提升，特別是蒸發換熱系數提升得更多。隨著工質質量流速的增大，兩種內螺紋管的壓降均增加，但兩者相差不大。通過對比分析，文中異型齒的綜合換熱能力較好。

參考文獻

[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.