一種單管強化傳熱的新型測試裝置

　　搭建一種單管強化傳熱的新型測試裝置，能應用于干式蒸發(fā)、管內冷凝、管外蒸發(fā)和管外冷凝。分析了9.52mm，長(cháng)度為3.4m 的內螺紋銅管在蒸發(fā)溫度分別是5℃和10℃，冷凝溫度分別是35℃和40℃時(shí)，制冷劑R22、R410A 的傳熱系數，結合實(shí)驗原理，說(shuō)明本裝置可以完成對不同制冷劑的單管傳熱性能的測試，為高效換熱管的開(kāi)發(fā)提供依據。

1、引言

　　空調和制冷行業(yè)對各種管的有相變的強化傳熱技術(shù)研究已有幾十年了，同時(shí)也取得了成就和積累了經(jīng)驗。強化傳熱意味著(zhù)提高熱量傳遞效率、減少換熱器的體積，從而減少空調和制冷設備的能耗，增加設備的經(jīng)濟效益。對傳統的換熱器采用局部強化措施，就是各種高效傳熱管(如螺旋槽紋管、橫紋管、波紋管、縮放管、翅片管及各管內插入物等)取代原來(lái)的普通金屬光滑管，則既可以節約金屬管材和降低設備費用，又能顯著(zhù)地提高熱能利用效率，降低能耗。在各種換熱設備中，特別是管式換熱器，單管的管內或管外蒸發(fā)和冷凝直接影響到換熱效果，不同的制冷劑在同種強化管的換熱效果是不同的，同種制冷劑在不同的強化管中換熱效果也是不一樣的�；�于以上的問(wèn)題，國內外企業(yè)開(kāi)始研究設計如何測試單管的換熱性能，搭建了各種試驗裝置，常見(jiàn)的有帶有壓縮機的單管測試系統，由壓縮機提供動(dòng)力進(jìn)行循環(huán)； 也有雙桶結構的測試系統，上桶為冷凝容器，下桶是蒸發(fā)容器，制冷劑冷凝后由于重力的作用直接降落到蒸發(fā)桶中，蒸發(fā)后的制冷劑氣體上升到冷凝桶中冷凝。但是帶有壓縮機的單管試驗裝置不能滿(mǎn)足于多種制冷劑，雙桶結構的測試裝置只用于滿(mǎn)液式蒸發(fā)和管外冷凝，當測試單管為管內冷凝或蒸發(fā)時(shí)，系統無(wú)法測試。由此可見(jiàn)，設計和搭建單管管內和管外蒸發(fā)、冷凝集一體的裝置是非常必要的。

2、試驗裝置和方法

2.1、試驗裝置

　　為了研究各種高效強化管，自行設計了滿(mǎn)足單管管內和管外的蒸發(fā)、冷凝測試的試驗裝置。試驗裝置是一個(gè)集單管管內和管外蒸發(fā)、冷凝測試的變工質(zhì)、變流量、變管徑多功能試驗臺。在過(guò)去的換熱研究中，很少有把蒸發(fā)和冷凝放在同一臺試驗設備上的設計，本試驗裝置不但節約了搭建試驗臺的成本，而且還可以減小由于采用不同的系統產(chǎn)生的誤差。試驗系統采用隔膜泵為制冷劑的循環(huán)動(dòng)力，這樣不僅可以使系統適用多種不同的制冷劑，而且還可以避免由于采用壓縮機產(chǎn)生的潤滑油對試驗結果準確性的影響。

　　整個(gè)測試試驗裝置分為制冷工質(zhì)循環(huán)系統、試驗前熱水循環(huán)系統、試驗段水循環(huán)系統、冷凍水系統和測控系統等。試驗裝置的系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理示意

　　制冷劑循環(huán)系統由儲液器、制冷劑泵(隔膜泵) 、蒸發(fā)換熱器4、加熱器H2、電子膨脹閥EXV、冷凝換熱器2、質(zhì)量流量計G 組成。當試驗段蒸發(fā)試驗時(shí)，蒸發(fā)換熱器4 不工作，由儲液器出來(lái)的制冷劑液體，經(jīng)制冷劑泵增壓后，在加熱器H2 中調節過(guò)冷度，經(jīng)電子膨脹閥節流減壓，進(jìn)入試驗段進(jìn)行單管蒸發(fā)試驗，蒸發(fā)后的制冷劑氣體在冷凝換熱器2 中冷卻成液體回到儲液器中； 當試驗段冷凝試驗時(shí)，冷凝換熱器2 不工作，經(jīng)制冷劑泵增壓后，在蒸發(fā)換熱器4 中被加熱蒸發(fā)成制冷劑氣體，加熱器可以調節制冷劑氣體的過(guò)熱度，進(jìn)入試驗段進(jìn)行單管冷凝試驗，冷凝成制冷劑液體后回到儲液器中。

　　由蒸發(fā)換熱器4、水泵b2 和加熱器H1 組成的試驗前熱水循環(huán)系統。試驗段水循環(huán)系統是由電磁流量計G2、水水換熱器1、加熱器H3和水泵b3 組成。為了對水的溫度進(jìn)行恒溫處理，消除換熱誤差波動(dòng)，加熱器H3做成恒溫水箱，保證了試驗段水入口處的溫度恒定。冷凍水系統是由冷水機組、水泵b4、儲液器、三通閥V3、冷凝換熱器2等組成。為了保證制冷劑在低溫的工況下測試，冷源由一組水冷冷水機組提供- 10℃ ～ 25℃可調節的恒溫冷凍水。

2.2、試驗段的換熱方式

　　試驗管段兩端分別裝有截止閥，方便更換不同的強化管，當進(jìn)行管內蒸發(fā)冷凝時(shí)，試驗段是套管式，強化管內是制冷劑，管外是水，為了使強化管的換熱充分，選擇外管的管徑時(shí)要保證套管內的水處于湍流的狀態(tài)； 當進(jìn)行管外蒸發(fā)、冷凝即滿(mǎn)液式蒸發(fā)、冷凝試驗時(shí)，試驗段是管殼式，為了保證強化管能完全浸在制冷劑中，外殼的選型要合理。

5、結論與討論

　　本文搭建的基于泵驅動(dòng)制冷劑循環(huán)的單管管內和管外蒸發(fā)、冷凝集一體的試驗裝置，能夠進(jìn)行不同制冷劑、變質(zhì)量流量、變管徑的管內、管外蒸發(fā)和冷凝試驗。在試驗的初級階段，本文只分析了管內蒸發(fā)和冷凝試驗，更多的管外蒸發(fā)和冷凝試驗還待繼續研究。

5.1、試驗數據的分析和結論

　　在蒸發(fā)工況下，管內傳熱系數與制冷劑質(zhì)量流量呈下凸的拋物線(xiàn)關(guān)系，變化率逐漸增大； 冷凝工況下，測試管的管內傳熱系數隨制冷劑的質(zhì)量流量的增大而增大。在蒸發(fā)和冷凝工況下，通過(guò)管內傳熱系數比較發(fā)現，R22明顯高于R410A； 測試段流動(dòng)阻力分析，在相同的質(zhì)量流量下，R22的壓降大于R410A，且隨著(zhù)質(zhì)量流量的增大而逐步增大。管內傳熱系數曲線(xiàn)變化趨勢相同，說(shuō)明了試驗管在溫度變化時(shí)換熱性能的穩定性；

5.2、試驗裝置的特點(diǎn)

　　自主設計的試驗臺裝置主要有以下特點(diǎn)：

　　(1) 隔膜泵驅動(dòng)的試驗裝置。在制冷和空調行業(yè)中，蒸發(fā)和冷凝試驗裝置一般都是基于壓縮機驅動(dòng)制冷劑循環(huán)，要進(jìn)行不同的制冷劑試驗時(shí)，則需要更換不同的壓縮機，并且制冷回路中含有大量的潤滑油，使得傳熱管的換熱系數有一定的不確定因數。試驗裝置采用基于隔膜泵驅動(dòng)制冷劑循環(huán)，無(wú)需更換隔膜泵即可以滿(mǎn)足多種不同制冷劑的試驗要求，同時(shí)可以避免油對試驗的影響。

　　(2) 集單管蒸發(fā)、冷凝一體化。試驗裝置是一個(gè)集單管管內和管外蒸發(fā)、冷凝測試的變工質(zhì)、變流量多功能試驗臺。設計把蒸發(fā)和冷凝放在同一臺試驗裝置上，這樣不但節約了搭建試驗臺的成本，而且還可以減小由于采用不同的系統產(chǎn)生的誤差。