水平单管内换热实验研究

摘 要： 利用隔膜泵作为系统动力输出源，搭建了单管内传热和流动测试实验台，对制冷剂R22在水平单管内的换热性能进行了实验研究，考察了不同蒸发温度和不同冷凝温度对总传热系数、制冷剂表面换热系数和管内压降的影响.实验结果表明：总传热系数和制冷剂表面换热系数均随着蒸发温度和冷凝温度的上升而增大；管内压降随着蒸发温度的上升而减小，随着冷凝温度的上升而增大；对于同一根实验管，在相同的冷却水流量和制冷剂质量流量下，最佳蒸发工况为10℃；冷凝实验中，总传热系数和制冷剂表面换热系数在40℃时高于其他两种冷凝温度时的值，但35℃冷凝时，管内压降高于其他两种工况.

关键词： 系统设计； 水平换热管； 蒸发； 冷凝； R22

中图分类号： TK 124文献标志码： A

文章编号： 1008-8857（2016）03-0158-06

Abstract： A heat transfer and flow test platform with diaphragm pump as the power source was set up to study the heat transfer characteristics of R22 in single horizontal tube.The influences of evaporation temperature and condensation temperature on the overall convection heat transfer coefficient，the surface heat transfer coefficient，and the pressure drop in the tube were investigated.Experimental results showed that both and rose with the increasing of the evaporation temperature and condensation temperature.The pressure drop reduced with the growing of evaporation temperature while increased with the rising of condensation temperature.For the same test tube，the best evaporation condition of 10℃ was achieved at the same flow rate of cooling water and mass flow rate of refrigerant.In the condensation experiment，both and at 40℃ were higher than those at the other two temperatures.However，the pressure drop at 35℃ in the tube was higher than those under the other two conditions.

Keywords： system design； horizontal heat transfer tube； evaporation； condensation； R22

随着地球能源短缺和人类工业技术不断发展，对高效节能的工业设备的需求量日益增大.在制冷行业中对换热器（主要为蒸发器、冷凝器）的节能改造显得尤为重要.目前，研究开发更高效的换热设备不仅是减少能耗的方法之一，而且更关系到先进工业生产力的发展.

Cavallini等[1]在内径为8 mm光管中分别研究了制冷剂R22、R125、R32、R410A、R134a、R236ea、R407C的冷凝及压降特性.杨英英等[2]采用可视化的方法，对工质R32 在内径为2 mm的水平光滑圆管内的冷凝换热的流型进行了观测.宁静红等[3]研究了R290水平管内换热和压降的特性.王旭等[4]研究了四种不同管径内螺纹规格铜管蒸发实验的换热特性和压降.高原等[5-6]采用制冷剂R417A在长度为4 m、管径为9.52 mm的光管内进行了蒸发实验.Wellsandt等[7-8]采用R134a作为制冷剂在微肋管内进行了蒸发实验，根据实验数据总结出一个有关微肋管内蒸发的关联式.

本文搭建了一台既能进行冷凝实验又能进行蒸发实验的单管内测试装置.以制冷剂R22为工质，探讨制冷剂在无油状态下，光管内蒸发与冷凝的传热及流动特性.

1 实验装置及方法

实验装置为上海理工大学依据相关标准，自主搭建的单管内传热和流动测试实验台.该实验台采用隔膜泵作为系统动力输出源，这可以避免油对换热性能产生影响，同时也解决了压缩机系统不能随意更换制冷剂的问题.

1.1 实验装置

整个实验装置包括制冷剂循环系统、冷却水系统、蒸发水系统和冷凝水系统四个部分，实验装置原理图如图1所示，其中：RE为储液器；B1为制冷剂泵；B2、B3均为水泵；G1、G2均为质量流量计；HE1、HE2、HE3均为板式换热器；H1、H2均为电加热器；EXV1、EXV2均为电子膨胀阀；VW1为水路电动三通阀；VR1、VR2、VR3均为球阀；C为冷水机组；T为温度测点；P为压力测点；ΔP为差压变送器.

实验装置的主要设备如表1所示.

1.2 实验工况

水平管内工质的流动与蒸发（冷凝）结合在一起形成复杂的换热过程.制冷剂从铜管进口到出口的换热都不相同，再加上制冷剂液体本身的重力这一影响因素，导致整个水平管内换热不均匀.本文主要研究不同蒸发温度和冷凝温度对总传热系数K、制冷剂表面换热系数hr和管内压降ΔP的影响.

实验遵循“单相进，单相出”原则，即过热气体流入实验段，过冷液体流出实验段，保证制冷剂液体在实验段换热充分，使其完全冷凝.制冷剂入口过热度控制在1～5℃，出口过冷度控制在2～6℃，制冷剂质量流量控制在30～90 kg・h-1，待热平衡及各个状态点稳定后开始记录并保存数据.

1.2.1 蒸发实验工况

铜管管径D为15.88 mm，冷却水体积流量为800 L・h-1，制冷剂质量流量为30～90 kg・h-1，蒸发温度分别为0、5、10℃，工质为R22.R22在不同蒸发温度下的物性参数如表2所示.

1.2.2 冷凝实验工况

铜管管径D为9.52 mm，冷却水体积流量为1 000 L・h-1，制冷剂质量流量为20～60 kg・h-1，冷凝温度分别为35、40、45℃，工质为R22.R22在不同冷凝温度下的物性参数如表3所示.

2 实验结果与分析

2.1 不同蒸发温度下总传热系数随制冷剂质量流量的变化

图2为不同蒸发温度下总传热系数K随着制冷剂质量流量Gm的变化.不同蒸发温度下总传热系数随着制冷剂质量流量的增加而增大.这是因为制冷剂质量流量增加，换热量增加，使得总传热系数增大.

冷却水体积流量相同时，10℃蒸发时的总传热系数比5℃和0℃蒸发时的总传热系数高5%～20%.不同的蒸发温度、相同的冷却水体积流量，导致实验段的平均对数温差有变化，所以出现相同制冷剂质量流量下蒸发温度高时的总传热系数高于蒸发温度低时的值.

2.2 不同蒸发温度下制冷剂表面换热系数随制冷剂质量流量的变化

系数hr随制冷剂质量流量Gm的变化.三种不同蒸发温度下制冷剂表面换热系数随着制冷剂质量流量的增加呈逐渐增大的趋势.这是因为随着制冷剂质量流量的增加，管内工质的流速增大，扰动变得剧烈，使得制冷剂表面换热系数增大.

制冷剂质量流量相同时，蒸发温度为10℃时的制冷剂表面传热系数比蒸发温度为5℃和0℃时高2%～21%.因为制冷剂R22的黏度随着蒸发温度的升高而降低，减小了工质在管内流动时的沿程阻力，能耗降低，使得制冷剂表面换热系数随着蒸发温度的升高而增大.

2.3 不同蒸发温度下管内压降的变化

图4为不同蒸发温度下管内压降ΔP随着制冷剂质量流量Gm的变化.分析压降曲线可得出：管内压降ΔP随质量流量Gm的增大而增大，且呈现出上升的抛物线形态；随着制冷剂质量流量的增大，管内制冷剂流速变大，压降与速度的平方成正比.

制冷剂质量流量相同时，蒸发温度为0℃时的管内压降是蒸发温度为5℃时的112%～121%，是蒸发温度为10℃时的118%～143%.管内压降的变化与制冷剂的密度、黏度、管内流速及管内壁的粗糙度均相关，并且在同一根铜管内，管内压降与制冷剂的黏度成正比.制冷剂R22的黏度和密度随着蒸发温度的升高而降低，所以蒸发温度越高，管内制冷剂黏度越小，制冷剂在管内的沿程流动阻力越小，使得管内压降越小；反之，蒸发温度越低，管内压降越大.

2.4 不同冷凝温度下总传热系数随着制冷剂质量流量的变化

图5为不同冷凝温度下总传热系数K随制冷剂质量流量Gm的变化.三种冷凝温度下，曲线的总体趋势均随着制冷剂质量流量的增加而增加.这是因为随着制冷剂质量流量的增加，管内制冷剂流速变大，且总换热量变大，所以总体趋势是K变大.

分析不同冷凝温度下的曲线可得出，在相同的制冷剂质量流量下，40℃冷凝时的总传热系数最大，比35℃冷凝时高2%～10%，比45℃冷凝时高15%～27%，冷凝时总传热系数并不是随着冷凝温度的升高一直增大.35～40℃冷凝时的总传热系数随着冷凝温度的增加而增大，40～45℃冷凝时的总传热系数随着冷凝温度的增加而减小.总传热系数与换热量、铜管换热面积和平均对数温差均有关.对于同一根铜管，换热面积是一定的；相同的制冷剂质量流量下，总换热量受到进、出口焓差的影响；不同的冷凝温度、相同的冷却水流量，导致实验段的平均对数温差有变化，所以出现相同的制冷剂质量流量下不同冷凝温度时总传热系数不同.

45℃冷凝时，冷却水进口温度比40～35℃冷凝时高，平均对数温差大，所以45℃冷凝时的总传热系数最小.40℃冷凝时，冷却水进、出口平均对数温差小，所以总传热系数最大.

2.5 不同冷凝温度下制冷剂表面换热系数随着制冷剂质量流量的变化

图6为R22在管内的表面换热系数随着制冷剂质量流量的变化.从图中可以看出，三种冷凝温度下，hr均随着制冷剂质量流量的增加而增大.制冷剂质量流量为50 kg・h-1，40℃和45℃冷凝时hr增加值均偏小；35℃冷凝时hr的增加值偏大，曲线总体趋势上升.

45℃冷凝时，管外冷却水进口温度偏高，导致进、出口平均对数温差增大，使得管内换热系数变小.因此，在相同的制冷剂质量流量下，随着冷凝温度的升高管内换热系数先增加后降低.

2.6 不同冷凝温度下管内压降的变化

图7为R22在不同冷凝温度下管内压降的变化.分析压降曲线可以得出，管内压降ΔP随质量流量Gm的增大而增大.这是因为随着制冷剂质量流量的增大，管内制冷剂流速变大，压降与速度的平方成正比，所以曲线会出现上升的趋势.

相同制冷剂质量流量下，冷凝温度35℃时的管内压降是冷凝温度40℃和45℃时压降的1.1～2.1倍.在同一根铜管内，并且在相同的制冷剂质量流量下，管内压降与制冷剂的黏度成正比.制冷剂R22的黏度和密度随着冷凝温度的升高而降低，所以冷凝温度越高，管内制冷剂黏度越小，制冷剂在管内的沿程流动阻力越小，使得管内压降越小；反之，冷凝温度越低，管内压降越大.

3 结 论

本文比较了三种不同蒸发温度和冷凝温度下总传热系数、制冷剂表面换热系数和管内压降随制冷剂质量流量的变化.得出以下结论：总传热系数和制冷剂表面换热系数随着蒸发温度和冷凝温度的上升而增大；管内压降随着蒸发温度的上升而减小，随着冷凝温度的上升而增大.

对于同一根实验管，在相同的冷却水体积流量和制冷剂质量流量下，10℃蒸发时的总传热系数和制冷剂表面换热系数高于另两个蒸发温度时，管内压降低于另两种工况，所以10℃蒸发的工况最佳.

对于同一根实验管，在相同的冷却水体积流量和制冷剂质量流量下，40℃冷凝时的总传热系数和制冷剂表面换热系数均高于另两个冷凝温度时，35℃冷凝时管内压降高于另两种工况.

参考文献：

[1] CAVALLINI A，CENSI G，COL D D，et al.Experimental investigation on condensation heat transfer and pressure drop of new HFC refrigerants （R134a，R125，R32，R410A，R236ea） in a horizontal smooth tube[J].International Journal of Refrigeration，2001，24（1）：73-87.

[2] 杨英英，李敏霞，马一太.水平光滑细管内R32冷凝换热的流型特性[J].化工学报，2014，65（2）：445-452.

[3] 宁静红，刘敬坤.R290水平管内凝结换热和压降的研究现状[J].流体机械，2013，41（7）：66-71.

[4] 王旭，郭思璞，孙显东，等.小管径内螺纹管的蒸发实验研究及传热和压降关联式的评价[J].工程热物理学报，2013，34（1）：125-128.

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[6] 高原，田怀璋，袁秀玲，等.非共沸制冷剂R417A在水平光滑管内蒸发的数值模拟[J].制冷与空调，2002，2（6）：41-46.

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[8] WELLSANDT S，VAMLING L.Evaporation of R134a in a horizontal herringbone microfin tube：heat transfer and pressure drop[J].International Journal of Refrigeration，2005，28（6）：889-900.