R134a在螺纹管内冷凝换热及压降特性
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毛舒适;陶乐仁;李庆普;吴生礼;张丹亭
【摘 要】To investigate the effects of condensation temperature and diameter of inner-grooved tubes on flow evaporation and condensation performance of R134a, three kinds of inner-grooved tubes with different diameter (6.35,7.00 and 8.00 mm) were tested at different condensing temperatures (35, 40 and 45 ℃).The effects of condensation temperature,diameter and mass flow rate on heat transfer characteristics and pressure drop were investigated.The experimental results show that: the lower the condensation temperature, the higher the heat transfer coefficient of the refrigerant side and the greater the pressure drop.The tube with diameter of 6.35 mm has the greatest heat transfer coefficient of the refrigerant side and the greatest pressure drop.However,it has the greatest condensation heat transfer coefficient per unit drop(μ=hr/△P) and the best comprehensive performance.%为了研究冷凝温度和管径对3种内螺纹管内制冷剂R134a流动换热系数和压降的影响,对3根不同管径的内螺纹管(6.35,7.00和8.00 mm)在不同冷凝温度下(3
5,40和45 ℃)进行了冷凝实验.探究了冷凝温度、螺纹管直径和质流密度对换热特性及压降的影响.实验结果表明:冷凝温度越低,制冷剂侧传热系数越高,压降也越大.6.35 mm管的制冷剂侧传热系数最大,压降也最大,但单位压降冷凝传热系数μ(μ=hr/△P)最高,综合性能最佳.
【期刊名称】《轻工机械》
【年(卷),期】2018(036)002
【总页数】7页(P25-30,35)
【关键词】换热器;螺纹管;换热系数;压降;冷凝温度
【作 者】毛舒适;陶乐仁;李庆普;吴生礼;张丹亭
【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093
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【正文语种】中 文
空调内机滴水【中图分类】TK124
因能源短缺和环境污染问题，目前世界各国都在寻求提高能源利用率的方法。换热器性能的优劣直接关系着能源利用率的高低，提高换热器性能的关键在于强化传热技术。一些学者对强化管结构参数进行了研究。Chamra等对交叉内肋管的换热性能进行了实验研究，指出强化管的冷凝传热效果随着螺旋槽的深度和螺旋角度的增加而增加[1]。吴晓敏等研究了齿高、齿顶角、螺旋角等结构参数对微肋管内换热及压降性能的影响[2]。武永强等以R410A、R134a及R22为工质在新管型Turbo-DWT管和普通内螺纹管Turbo-A内进行了冷凝实验，结果显示,在DWT管中，R22 的冷凝换热效果最好，R134a的压降最大[3]。蔡运亮对具有相同外径的内螺纹铜管、内螺纹铝管和铜光管进行冷凝换热的实验研究。内螺纹铜管的管内冷凝传热系数比内螺纹铝管高10%～15%，3种管子的冷凝压力损失差别不大[4]。Eckels等把R134a与369-SUS和169-SUS两种润滑油分别混合，进行了冷凝压降特性实验研究，结果表明：在相同油质量分数下，R134a与369-SUS混合的管内摩擦压降比其和169-SUS混合的管内摩擦压降大[5]。秦妍等采用实验对比分析了外径为7.00 mm的光管和内螺纹管作为冷凝器对制冷系统整机性能的影响。采用内螺纹管作为冷凝器后，系统能效比增加3.3%[6]。
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课题组对具有不同几何参数，外径为6.35，7.00和8.00 mm的3根内螺纹强化管在不同冷凝温度和质流密度下的冷凝换热和压降性能进行了对比实验研究，并分析了齿型参数对传热性能的影响，以得到其冷凝换热性能指标，促进高效强化管和换热器的研发。
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1 实验装置及方法
1.1 实验装置
设计了单管管内蒸发冷凝换热实验台，可研究不同种类制冷剂、不同型号换热管内蒸发冷凝换热及压降特性。采用隔膜泵代替压缩机作为制冷剂循环系统的动力装置，既可测试不同类型制冷剂，亦可消除润滑油对实验结果的影响。系统原理如图1所示，主要部件如下：铂电阻T1～T9，压力变送器P1～P2，差压变送器测量压差Δp，视液镜S1～S2，电磁流量计GW1～GW3，水泵BW1～BW3，板式换热器HE1～HE3，电加热H1～H2，质量流量计GR1，隔膜泵BR1，电子膨胀阀EXV，测试段套管TS。在进行冷凝实验时，前段换热器HE1打开，后端换热器HE3关闭，液压隔膜泵将液态制冷剂从储液桶中抽出送入循环管道，先经过脉动阻尼器消除制冷剂液体的脉动，进入质量流量计GR1测得质量流量，然后进入前端板式换热器HE1，被加热蒸发为气态制冷剂，随后气态制冷剂在实验段内被载冷
手指画画剂冷凝成液态制冷剂，最后流回储液桶内，完成一个循环。
图1 实验系统原理图Figure 1 Schematic dragram of experimental system
1.2 实验工况及测试样管
实验选取的3种换热管为新开发的高效内螺纹强化管，齿型如图2所示，其具体参数如表1所示。实验中制冷剂遵循单相进、单相出的原则，即实验段进口为过热气体，出口为过冷液体，以保证制冷剂在实验段充分换热，减小实验误差。本文中制冷剂为R134a，实验段进出口过冷度、过热度维持在3～5 ℃，制冷剂质流密度维持在200～1 100 kg/(m2·s)，冷凝温度分别为35，40和45 ℃，实验段水侧流量保持在700～900 L/h，在热平衡误差小于5%之后等待各个数据点稳定，然后记录数据。
图2 内螺纹管示意图Figure 2 Schematic diagram of internal thread tubes
表1 内螺纹管的参数Table 1 Parameters of internal thread tubes编号外径/mm底壁厚/mm齿高/mm齿顶角/(°)螺旋角/(°)齿数内表面扩展比16.350.230.183828541.7127.000.210.203328501.8138.000.220.213028581.89
1.3 数据处理
测试段为套管式结构，制冷剂R134a在强化管内流动，水在强化管外流动。根据努赛尔数Nu来计算水侧传热系数hw，再利用分离热阻法求出制冷剂侧传热系数。
测试段总传热系数K：
(1)
式中：Qr,Qw分别为制冷剂侧和水侧换热量；A0为测试管外侧面积，ΔTm为测试段水的对数平均温差。
测试段对数平均温差ΔTm：
(2)
式中：ΔTmax为测试段入口水温与铜管壁温的差值；ΔTmin为出水口与铜管壁温的差值。
对于水侧努赛尔数，使用Gnielinski经验关联式[7-8]，得到
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(3)
式中：根据Petukhov公式得到摩擦因数f=(1.58lnRe-3.28)-2；μf和μw分别为流体中心温度和壁面温度对应的流体黏度。
制冷剂侧传热系数hr：
(4)
式中Ai为管内表面积。
2 实验结果及分析
李白写酒的诗句2.1 冷凝温度对管内制冷剂侧传热系数的影响
图3～5展示了在冷却水流量800 L/h下，冷凝温度对3种内螺纹管的管内制冷剂侧传热系数的影响，其中hr为螺纹管制冷剂侧内表面传热系数，Gr为管内制冷剂质流密度。①在400～1 100 kg/(m2·s)的质流密度范围内，这3种强化管的管内制冷剂侧传热系数都是随着制冷剂质流密度的增大而增大，且呈现出上升的抛物线形态。②在相同的制冷剂质流密度和循
环水流量下，3根不同管径的强化管的传热系数都是随冷凝温度的升高而降低，35 ℃时的冷凝传热系数比40 ℃时约大1.5倍，比45 ℃时约大2.6倍，并且制冷剂侧传热系数增加速率较大。出现上述2种情况的原因是：①随着制冷剂质流密度的增加，质量流量mr变大，管内制冷剂湍流效应增大，则管内制冷剂侧传热系数增大；同时，随着制冷剂质流密度的增加，管内螺纹对流动边界层的破坏作用增强，主流区扰动更加剧烈，同时冷凝液膜也被拉薄，最终对流换热更加充分，故呈现出上升的抛物线形态。②冷凝温度越低，制冷剂的相变潜热ri越大，则在相同的制冷剂质流密度时，冷凝放热量mr·ri越大，而强化管的管内换热面积不变，则管内制冷剂侧传热系数也越大；并且冷凝温度越低，增加单位制冷剂质流密度换来的冷凝放热量增量也越大，故制冷剂侧传热系数增加速率也越大[9]。
