2017, Vol. 38
2. 上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093
2. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
由于世界能源的日趋紧张, 以节约能源和原材料为目的, 采用新技术、新材料和新工艺开发高效换热器已成为换热界一个重要研究方向[1].管壳式冷凝器作为制冷空调领域里必不可少的部件, 在企业投资、原料耗材和能源消耗中占据很大的比例, 现代冷水机组中冷凝器约占总质量的30%[2], 因而通过提高换热器的换热效率来达到节能、节材的意义是不言而喻的.
大部分的理论和试验研究成果已经分析了翅片尺寸、管材料以及冷凝液特性对翅片管凝结换热的作用.基于此, 对光管进行了明显的改善, 这是为了增加表面积以及通过表面张力诱发的压力梯度降低冷凝液膜的厚度.通过增加表面积以及翅片侧的冷凝排液增强了翅片管的传热性能[3].最早引入翅片管强化换热的理论起源于1940年.之后, 诸如重力排液、表面张力排液以及由于表面张力引起的冷凝液滞留模型也相继诞生.Beatty等[4]开始预测水平翅片管外冷凝传热速率, 其模型是基于Nusselt[5]对竖直壁面及水平管的膜状冷凝方程, 认为冷凝液并没有保存在翅片之间, 表面张力可以忽略, 而只考虑重力对冷凝排液的作用.Gregorig[6]最早分析了表面张力对竖直槽管冷凝传热系数的作用, 认为表面张力可以减小凹槽尖端冷凝液膜的厚度, 强化换热效果.此后, Karkhu等[7]首先将表面张力的概念应用于水平翅片管纯蒸汽的冷凝过程, 假设淹没区域是恒定的, 不依赖于翅片尺寸和流体特性.Rifert等[8]修改了Karkhu等的模型, 并说明管尺寸及流体特性对冷凝液滞留的作用.以上理论模型都忽略了一个非常重要的因素:壁面温度的不均匀性.他们认为沿管表面周向温度的分布是均匀的.Honda等[9]的研究包括变壁温的影响, 提出一种适用广泛并可以预测水平低翅片管冷凝液膜的平均传热系数的方法.Park等[10]发现对于HCFC123的冷凝, 当翅片密度增加到1 102 fpm(1 fpm=0.005 08 m/s)时, 其传热系数逐渐增加; 当翅片密度进一步增大时, 其传热系数迅速减小.Al-Badri等[11]发展了水平翅片管冷凝换热的单元预测模型, 该模型与试验结果非常符合, 其最大偏差为4.7%.
本文运用管外凝结、沸腾换热机理, 设计了一套集冷凝和沸腾于一体的综合实验台.该实验台用隔膜泵替代传统压缩机作为系统的驱动装置, 可以测试不同制冷工质、不同管型等试验, 同时完全避免了润滑油对工质换热性能的影响, 为建立普遍的关联式打下坚实的基础.
1 试验装置及设计 1.1 试验装置试验装置如图 1(a)及(b)所示.其主要部件有:储液罐、制冷剂泵、换热器3、电子膨胀阀(EXV1及EXV2)、试验段、换热器2、冷水机组、换热器1以及质量流量计G1.试验段带有视液镜, 用于可视化, 观察沸腾及凝结特性.试验段长2 000 mm(试验段为外壁翅片管, 其中由胚管段和肋化段组成), 并通过法兰及螺母装配在测试冷凝器内.试验段的尺寸等细节如图 2及表 1所示.
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图 1 试验系统图 Fig. 1 Schematic diagram of experiment system |
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图 2 强化管截面形状 Fig. 2 Cross section of the enhanced tube |
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表 1 强化管尺寸 Tab. 1 Size of the enhanced tube |
为保证试验系统的可靠性及准确性, 根据不同的测量要求采用合适的测试仪表, 具体见表 2.
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表 2 测量仪器的精度及供应商 Tab. 2 Parameters of the measuring instrument |
(1) 试验段水侧换热量Qw
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(1) |
式中:T5和T6分别为试验段出口、入口水温; ρcw为水的密度; Cp, cw为水的比热容; G2为试验段水流量.
(2) 试验段制冷剂侧换热量Qr
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(2) |
式中:G1为制冷剂的质量流量; i1为试验段制冷剂进口焓值; i2为试验段制冷剂出口焓值.
(3) 热平衡误差η1
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(3) |
(4) 总传热系数K
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(4) |
式中:Q为换热量Qw与Qr的平均值; A为以铜管坯管外表面为基准的换热面积; Δtm为对数平均温差.
(5) 换热管管内平均表面传热系数hi
针对管内光滑水平管, 管内对流传热系数可用Dittus-Boelter关联式计算, 可得光滑管内对流传热系数hi:
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(5) |
式中:λi为管内蒸馏水导热系数; di为换热管内径; Rei为管内蒸馏水的雷诺数; Pri为管内换热蒸馏水的普朗特数.
(6) 热阻分离法
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(6) |
式中:K为总传热系数; Ai, Ao分别为铜管名义内外表面积; hi, ho分别为管内、外表面传热系数.
2 试验结果及分析 2.1 光管管外凝结换热试验校核首先利用Nusselt模型对制冷剂R22应用于光滑管时的凝结换热进行校核.对于直径15.88 mm的光滑管, 在Ts=35 ℃冷凝温度下, 试验段水流量1 000 L/h(即光滑管内水流速1.5 m/s)情况下, 管外传热系数ho随铜管壁面过冷度的增大而降低, 见图 3.
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图 3 光管管外凝结传热系数与壁面过冷度的关系 Fig. 3 Relationship between the condensation heat transfer coefficient and wall subcooling on the smooth tube |
这主要是因为随着铜管壁面过冷度的增大, 铜管换热壁面附着的凝结液膜逐渐增多, 从而加厚了液膜厚度.液膜厚度的增加增大了热阻, 阻碍了热量的传递, 最终导致了管外传热系数的降低.
同时, 通过Nusselt理论公式计算出管外传热系数ho, 理论计算值与试验值对比发现, 两者误差均在±5%以内, 所以试验装置与方法是可信的.
2.2 强化换热管管外凝结换热试验结果与分析图 4为R410A, 35 ℃冷凝, 水流量1.8 m3/h的强化管外凝结液脱落过程.凝结开始时, 在强化管外壁面逐渐形成很多细小的液珠, 此时凝结液未能完全湿润换热管外壁面.随着凝结液的逐渐增多, 换热壁面的细小液珠逐渐增多, 直到完全覆盖换热壁面形成液膜, 同时液膜厚度逐渐增大, 最后在重力作用下液膜开始从换热壁面脱落, 逐滴落下, 当换热量较大时会呈现珠帘状脱落.
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图 4 凝结换热试验现象 Fig. 4 Condensation heat transfer |
图 5为35 ℃冷凝条件下, 强化管入口冷凝水温与总传热系数的关系.由图 5可知, 在冷凝水流量一定的情况下, 换热强化管的总体传热系数随着试验管入口冷凝水温的上升而逐渐升高.其原因是, 在冷凝温度一定时, 随着管内水温的升高, 换热管的壁面过冷度逐渐减小, 冷凝传热速率放缓, 换热管壁面凝结液液膜厚度变薄, 换热热阻变小, 管外凝结传热系数逐渐变大; 而管内对流传热系数在湍流状态下与流速的0.8次方成正比, 所以管外凝结传热系数的增大导致总体传热系数K的增大, 这与图 3的试验结果一致.
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图 5 强化管入口冷凝水温与总传热系数的关系 Fig. 5 Relationship between temperature of condensing water at the inlet of enhanced tube and total heat transfer coefficient |
图 6为35 ℃冷凝工况下强化换热管整体传热系数随换热管内水流量的变化关系.从图 6中可以看出, 无论是制冷剂R134a还是制冷剂R410A, 在一定的冷凝水温度下, 强化换热管的总体传热系数都随着冷凝水流量的增大而逐渐升高.这主要是因为在冷凝水温度一定时, 随着强化换热管内水流量的增加, 管内冷凝水流速逐渐增大, 扰动也逐渐增强, 这样就增强了换热管内侧冷凝水与换热管内壁的换热效果, 最终导致了换热管整体换热效果的增强, 总体传热系数随冷凝水流量的增大而逐渐升高.
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图 6 试验段水流量与总传热系数的关系 Fig. 6 Relationship between water flow rate and total heat transfer coefficient |
同时从图 6中可知, 相同试验条件下, 当试验工质为制冷剂R410A时, 强化换热管的整体传热系数要高于以R134a为制冷剂时的试验(相同工况下, R410A时传热系数比R134a高出约1.28%~3.39%).这主要是由制冷剂的性质决定的, 制冷剂R410A的导热率及流动特性都明显强于制冷剂R134a.所以相同工况下, 换热工质为制冷剂R410A时换热管的换热性能要强于制冷剂R134a时的换热性能.所以当用R410A来替代制冷剂R22时相比R134a可以采用更小换热面积的换热器, 有更好的经济效益.
图 7为制冷剂R410A和R134a时换热管总体传热系数随冷凝温度的变化关系.由图 7可见, 凝结换热试验冷凝温度越高, 凝结换热传热系数K越小.在试验段入口水温不变的情况下, 冷凝温度越大, 换热温差越大, 换热量越大; 但换热温差变大的同时, 冷凝加剧, 换热面液膜厚度增加, 从而又增大了换热热阻.而对于制冷剂R410A和R134a, 液膜厚度增大引起的热阻增大程度要大于换热量的增加, 所以导致凝结传热系数K随冷凝温度的升高而变小.
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图 7 入口水温30 ℃时, 换热管凝结传热系数与冷凝温度关系 Fig. 7 Relationship between the condensation heat transfer coefficient and the condensation temperature, when the inlet water temperature is 30 ℃ |
(1) 不同水流量下试验管进口冷凝水温与总传热系数K的关系为, 换热强化管的总体传热系数K随着试验管入口冷凝水温的上升而逐渐升高.
(2) 不同换热工质时试验管内冷凝水流量与换热管总传热系数的关系为, 在一定的冷凝水温度下, 强化换热管的总体传热系数随着冷凝水流量的增大而逐渐升高.相同工况下, R410A时传热系数比R134a高出约1.28%~3.39%.
(3) 冷凝水30 ℃、工质R410A和R134a时换热管凝结传热系数与饱和温度关系为, 凝结换热试验饱和温度越高, 凝结换热传热系数K越小.
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