一種單管強化傳熱的新型測試裝置

熱泵 密潔霞 上海理工大學

  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、管內冷凝、管外蒸發和管外冷凝。分析了9.52mm,長度為3.4m 的內螺紋銅管在蒸發溫度分別是5℃和10℃,冷凝溫度分別是35℃和40℃時,制冷劑R22、R410A 的傳熱系數,結合實驗原理,說明本裝置可以完成對不同制冷劑的單管傳熱性能的測試,為高效換熱管的開發提供依據。

1、引言

  空調和制冷行業對各種管的有相變的強化傳熱技術研究已有幾十年了,同時也取得了成就和積累了經驗。強化傳熱意味著提高熱量傳遞效率、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。基于以上的問題,國內外企業開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,常見的有帶有壓縮機的單管測試系統,由壓縮機提供動力進行循環; 也有雙桶結構的測試系統,上桶為冷凝容器,下桶是蒸發容器,制冷劑冷凝后由于重力的作用直接降落到蒸發桶中,蒸發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足于多種制冷劑,雙桶結構的測試裝置只用于滿液式蒸發和管外冷凝,當測試單管為管內冷凝或蒸發時,系統無法測試。由此可見,設計和搭建單管管內和管外蒸發、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,自行設計了滿足單管管內和管外的蒸發、冷凝測試的試驗裝置。試驗裝置是一個集單管管內和管外蒸發、冷凝測試的變工質、變流量、變管徑多功能試驗臺。在過去的換熱研究中,很少有把蒸發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生的誤差。試驗系統采用隔膜泵為制冷劑的循環動力,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生的潤滑油對試驗結果準確性的影響。

  整個測試試驗裝置分為制冷工質循環系統、試驗前熱水循環系統、試驗段水循環系統、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。

一種單管強化傳熱的新型測試裝置

圖1 系統原理示意

  制冷劑循環系統由儲液器、制冷劑泵(隔膜泵) 、蒸發換熱器4、加熱器H2、電子膨脹閥EXV、冷凝換熱器2、質量流量計G 組成。當試驗段蒸發試驗時,蒸發換熱器4 不工作,由儲液器出來的制冷劑液體,經制冷劑泵增壓后,在加熱器H2 中調節過冷度,經電子膨脹閥節流減壓,進入試驗段進行單管蒸發試驗,蒸發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,冷凝換熱器2 不工作,經制冷劑泵增壓后,在蒸發換熱器4 中被加熱蒸發成制冷劑氣體,加熱器可以調節制冷劑氣體的過熱度,進入試驗段進行單管冷凝試驗,冷凝成制冷劑液體后回到儲液器中。

  由蒸發換熱器4、水泵b2 和加熱器H1 組成的試驗前熱水循環系統。試驗段水循環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。為了對水的溫度進行恒溫處理,消除換熱誤差波動,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,當進行管內蒸發冷凝時,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,選擇外管的管徑時要保證套管內的水處于湍流的狀態; 當進行管外蒸發、冷凝即滿液式蒸發、冷凝試驗時,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制冷劑循環的單管管內和管外蒸發、冷凝集一體的試驗裝置,能夠進行不同制冷劑、變質量流量、變管徑的管內、管外蒸發和冷凝試驗。在試驗的初級階段,本文只分析了管內蒸發和冷凝試驗,更多的管外蒸發和冷凝試驗還待繼續研究。

5.1、試驗數據的分析和結論

  在蒸發工況下,管內傳熱系數與制冷劑質量流量呈下凸的拋物線關系,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量流量的增大而增大。在蒸發和冷凝工況下,通過管內傳熱系數比較發現,R22明顯高于R410A; 測試段流動阻力分析,在相同的質量流量下,R22的壓降大于R410A,且隨著質量流量的增大而逐步增大。管內傳熱系數曲線變化趨勢相同,說明了試驗管在溫度變化時換熱性能的穩定性;

5.2、試驗裝置的特點

  自主設計的試驗臺裝置主要有以下特點:

  (1) 隔膜泵驅動的試驗裝置。在制冷和空調行業中,蒸發和冷凝試驗裝置一般都是基于壓縮機驅動制冷劑循環,要進行不同的制冷劑試驗時,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制冷劑循環,無需更換隔膜泵即可以滿足多種不同制冷劑的試驗要求,同時可以避免油對試驗的影響。

  (2) 集單管蒸發、冷凝一體化。試驗裝置是一個集單管管內和管外蒸發、冷凝測試的變工質、變流量多功能試驗臺。設計把蒸發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生的誤差。