水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究_王嘉程.pdf

第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）（）文章编号：（）；：水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究王嘉程，孙志传，石绮云，项燕龙，李蔚，何燕（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 ；中航南京机电液压工程研究中心，江苏 南京 ；航空机电系统综合航空科技重点实验室，江苏 南京 ；宁波金田管业有限公司，浙江 宁波 ；浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 ）摘要：实验研究了制冷剂 在两种管径（和 ）的光管和涟漪纹管（管）管内冷凝换热特性，并根据部分工况下的流型对管内冷凝的换热机理进行了分析。实验中控制冷凝饱和温度为，制冷剂流速范围为 （），干度控制在 之间。通过光管实验结果与预测关联式预测的对比表明，使用的单相和冷凝关联式都可以在较小的误差范围内预测实验数据，流型图可以准确的预测光管的流态，证实了实验设施的可靠性。实验结果表明：随着实验中制冷剂质量流速和干度的增加，光管和涟漪纹管的换热系数都随之增加且涟漪纹管的换热系数是光管的 倍。较小的管径可以通过影响制冷剂的流动状态进而提升换热系数来提高传热效率。关键词：冷凝；换热系数；流型；管径中图分类号：文献标志码：引用格式：王嘉程，孙志传，石绮云，等水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究 青岛科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：王嘉程（），男，硕士研究生 通信联系人 ，（，；，；，；，；，）：（），（）（），第期王嘉程等：水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究 ，：；在当前换热器广泛应用的大环境下，开发紧凑、高效的换热器是众多行业（如能源、化工、航空航天、制冷）的设计目标。提高换热器的传热性能、使用更小的占地面积和设计更简易的制造方法是空调和制冷行业的主要驱动。目前通常采用主动和被动强化传热方法来提高换热器的性能，因为被动强化传热方法较为简单并且不需要消耗额外的能源，此方法应用更为普遍。扩展表面强化传热技术作为一种基础的被动强化传热技术，可以在强化传热过程中仅产生有限的压力损失，因此广受强化传热技术技术的开发者和研究者青睐。扩展表面强化传热技术的应用可分为二维强化表面和三维强化表面。二维强化表面包括波纹管、带横向或螺旋向微翅片的螺纹管、线圈插件等，这些强化表面可以在流体沿管长方向流动的同时来实现流体周向的二次流动。等在光滑管和具有不同齿数的微翅管内进行了流动沸腾对流冷凝实验（使用制冷剂 ）。他们比较了微翅管和光滑管的可视化流型，确定了微翅管在相比光滑管较低的质量流量下发生环形流和间歇流之间的过渡；此外，他们观察到环状流和波状流之间的过渡也在较低的质量流量下发生。在传热特性方面，两种微翅管相似，在蒸发过程中均有效地提高了传热；然而，具有较多齿数的管在冷凝过程中表现出较差的性能。最后，他们对这些换热管的换热系数与预测关联式进行了比较，显示了实验数据和相关预测值的一致性。实验研究了外径为 的微翅片管和光滑管的蒸发传热系数和压降。结果表明，压降和传热系数随着质量流量的增加而增加；此外，随着饱和温度的升高，传热系数和压降降低。同时，他将微翅管的传热强化和压力损失比同光滑管进行了比较，微翅管的传热强化比（）比压降损失比（）更大。同时，其他几项关于微翅管的研究也表明这种强化表面可以有效的实现换热过程的强化。除了微翅管等二维强化管之外，三维强化管的设计与开发逐渐受到人们的重视。这些强化表面上的明显突起不仅可以产生周向二次流并像二维强化管一样实现扰流效果，而且可以产生径向的二次流。等 设计了一组具有不同几何特征的新型强化传热管，称为系列管。根据他们的测量评估，管将总传热系数提高了 以上，并将污垢的影响降至最低。赵爱国等 实验研究了涟漪纹管的换热性能，并将此强化管同光管进行了对比分析。结果表明，制冷剂质量流速的增大可以导致涟漪纹管冷凝压降和换热系数的增大，并且涟漪纹管的换热系数是同工况下光管换热系数的 到 倍。等 和 等 评估了四种三维强化管内的对流冷凝特性，并将其性能与光管进行了比较。此外，他们讨论了强化传热管的传热机理，包括：传热面积增加、湍流度增加、液膜变薄、流体混合、二次流的产生和边界层的破裂等。考虑两相流动传热中的流型发展非常重要，因为两相 流 传 热 特 性 与 流 型 特 性 密 切 相 关。等 创新性地沿轴线切割一部分管，并将其放置在玻璃管中以观察流动模式。等 通过使用不同直径的玻璃管制成两个不同的试验段（直径：，长度：），研究了空气和水的两相流型。观察发现两者的流型相似，不同之处在于较小的试验段出现分层弹状流，而较大的试验段出现分层流，这是由于液体表观速度不同造成的。当前的实验研究缺乏管径对于强化管换热特性所造成影响的数据，以现今空调中常用的 外径和 外径的铜管为例，两种不同的管径对于制冷剂的流动和换热的影响应该作为换热器设青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷计的一个重要参考。因此，本次研究使用了这两种管径的光管和三维强化管（管）进行了实验，并将换热特性与部分工况下的两相流型进行了机理性的综合分析，以研究管径对强化管换热的影响。实验设置实验系统图为实验装置的示意图。实验系统由两个循环组成，即制冷剂循环和水循环循环。制冷剂循环回路主要通过数字齿轮泵驱动，循环过程中用科里奥利流量计用来精确测量制冷剂流量。同时，循环通路中安装有储液罐和过滤器来保证循环过程的稳定性；水循环则由水浴控制恒温。两个循环在实验段汇合并实现热量交换。实验段入口和 出 口 布 置 了 压 力 和 温 度 测 量 点，使 用 四 线 热电阻和压力变送器测量温度和压力。预热段的作用是通过控制温度来控制制冷剂在实验段入口的状态，预热段通过水循环与制冷剂进行热交换，使制冷剂达到实验状态，水温由 系统自动控制；过冷段通过导热油和制冷剂之间的热传递使制冷剂液化和过冷。图实验装置的示意图 图实验段示意图 实验段为实验系统的主要部分，如图所示，试验段为焊接双管换热器，试验管长，被测强化管安装在内部，套管为光滑铜管内径为。制冷剂在换热管内流动，水在换热管与套管间的环形区域流动，两者形成逆流布置。实验段制冷剂出口设置了可视化装置，利用高速摄像机记录制冷剂出口第期王嘉程等：水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究处的制冷剂流型，实验系统及可视化装置的其他相关描述可参见文献 。强化传热管结构及参数实验中所用的换热管皆由铜制成且有效换热长度均为 ，分别为 外径和 外径 的 光 管 和 三 维 强 化 管（涟 漪 纹 管）。管内表面和外表面上具有深度为 和 的凹坑，凹坑（间距为）和直径（大坑为 ，小坑为 ）参数如图所示。同时图给出了 管的 示意图。图 强化管的几何特征（凹坑的间距和直径）（）图 管表面结构 示意图 实验工况使用 作为制冷剂进行冷凝实验，控制饱和温度为，制冷剂流速范围为 （），实验段干度控制在 之间。数据处理实验过程中仪表直接测量的压力、温度等数据可以通过数据采集仪采集并在上位机中记录，实验中调整好工况待各参数稳定后可以进行取点。数据采集仪每 采集一组工况参数，取点时一次选取连续的 个点并取平均值作为一个数据点。实验数据结果要在一周后至少进行一次重复性实验。实验中直接测量的参数要通过计算来得到间接参数，其中用以计算的物性参数来自于 。实验段的总换热量由管内制冷剂进出口的焓差得到：，（），（），。（）为计算实验段的热损失，管外侧的换热量由水的温差决定：，。（）制冷剂的入口干度（）和出口干度（）可分别通过预热段和实验段的换热来计算：，（），（），。（）其中预热段的换热计算过程为：，（），（），（），（）。（）换热系数的计算是由热阻分离法和对数平均温差法（）计算得到的：（），（），（），（），（），（），（）（）（）（）（）（），（）（）。（）其中为管外侧的换热系数由 公式 得到，为范宁摩擦因子由 关联式 得到。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷对于 管，管外为非光滑表面，因此无法通过 公式直接计算，需要通过威尔逊图解法获得实际的水侧换热系数。在实验过程中，将实验环形侧制冷剂的质量流速控制在实验时达到的最高值保持不变，然后根据一定质量流量间隔来调整管内水侧的质量流量，以此获得水侧热阻和总热阻的函数关系曲线。由各部分热阻表示出来的传热计算公式为：（）。（）在控制制冷剂流速恒定，调整外侧水流速时，将常数数值合并为和进而可以得到以下公式：。（）通过威尔逊实验可以计算出强化倍率实现对管外水侧换热系数的修正。最后，实验过程中的间接参数计算误差可以通过 误差传递原理得出：（）（），（，）。（）误差描述过程中 公式的不确定度以 计算，光管的威尔逊实验计算出光滑表面的强化倍率均在 之间，表明 的假定误差合理。实验过程中测量及计算参数的不确定度在表中给出，最终计算出的换热系数的最大误差为 。表实验参数的不确定度 实验参数误差值温度 压力 （以满量程值计）质量流速（）干度 换热系数（）结果与讨论实验验证实验台的可靠性可通过单相和冷凝关联式来验证。单相实验条件为 的饱和温度和 （）的质量流速，冷凝实验条件为 的饱和温度和 （）的质量流速。图和图分别展示了在 光滑管中单相和冷凝实验传热系数和预测传热系数之间的比较。单 相 实 验 数 据 点 与 和 、和 以及 和 给出的关联式计算值进行比较，冷凝实验数据点与 等，等 和 等 给出的关联式计算值进行比较。结果表明，使用的所有单相换热关联式对单相换热实验结果的预测值的误差范围为：，使用的所有冷凝换热关联式对冷凝换热实验结果的预测值的误差范围为：。由于冷凝换热场景的复杂性，关联式难以准确揭示冷凝换热的过程机理，本实验中对比的冷凝换热关联式误差属于同类研究的较低水平。同时，数据计算过程中可以得出实验中的热损失小于。基于这些结果，可以认定实验装置和程序是可靠的，实验结果有效。图光滑管中单相传热系数实验值和预测值的比较 图光滑管中冷凝传热系数实验值和预测值的比较 流型图应用水平管内的流动冷凝是一个复杂的传热过程，流动传热过程中涉及一系列的流动状态。图和图分别为 和 光管流型与 流型图 预测结果的比较，流型图中可能涉及到的流态第期王嘉程等：水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究有分层流（）、分层波状流（）、间歇流（）、（半）环形流（）和雾状流（），实验工况范围内的流型则包括分层波状流和（半）环形流。从图中中可以看出，流型图相当准确地预测了光滑管中发现的流型。在相对较低的质量流速下，大多数流态都属于分层波状流流态。图 光管流型与 流型图 预测结果的比较 图 光管流型与 流型图 预测结果的比较 在流动冷凝过程中，管内的液态制冷剂主要受重力、剪切力和表面张力的控制。在低干度条件下，剪切力和表面张力与重力相比可以忽略不计，这种力学形态导致液膜在底部堆积形成分层波状流。在相同的质量流速下，随着干度的增加，液体制冷剂的比例减少，液膜会逐渐变薄；而剪切力和表面张力随着质量流速和干度的会逐渐占主导地位，这使得液体制冷剂在管的内表面上扩散，流型从分层波流转变为环形流。因此从整体来看，环形流主要出现在高流速和高干度的工况下。冷凝换热实验结果图显示了在 、和 （）的质量流速下，外径铜管内的冷凝传热系数，横坐标为制冷剂的平均干度（进出口干度差为 ）。在质量流速为 和 （）、出口干度为 和 时观察到的流型 分层波状流（）、半环形流（）和环形流（）也显示在图中。从图可以明显看出，两根换热管的传热系数都随着制冷剂干度和质量流量的增加而增加。在实验工况范围内，质量流量的增加会增强剪切力，从而使液膜变薄，热阻减小；在更高的质量流量下携带更多热量的能力成为增强传热性能的另一个关键因素。随着蒸气质量的增加，液相成分的减少使累积的液膜厚度减少，气相成分增加。同时，气相成分的增加会导致由气液流速差异引起的更剧烈的流体扰动。图不同质量流量下 铜管内冷凝传热系数随干度的变化 流体的流动特性可以直接反映在流型中：虽然在相同的条件下，两根管的出口流型种类是一致的，但是 管中的液位分布更加不均匀，并且略高于光滑管中的液位分布。当出口干度固定在 时，质量流速为 （）的气液界面扰动明显比质量流速为 （）的气液界面扰动更剧烈。而在出口蒸汽干度为 质量流速为 （）时，气液界面消失，液态制冷剂在管内壁上扩散的分布更加均匀，流型转变为充分发展的环形流。对于强化管，强化传热主要是通过增加传热面积、增加湍流和减少液膜来实现的。虽然 管表面更强的表面张力驱动液滴更易到达管的上部区域，这使得一部分气体和管壁之间的传热转变为气相制冷剂同液相制冷剂之间的传热（气体和管壁之间的换热果强于气液之间的热量交换，这种现象不利于传热），但是强化表面提供了更大的传热面积和更好的排液能力。同时，具有高凸起的三维强化结构使得流体产生比光管中更强烈的扰动。因此，如图所示，管的换热系数恒大于光管且其随制冷剂干度增大的速率较光管更快。在实验工况范围内，的 的换热系数青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷是光管的 倍。图 不同质量流速下 铜管内冷凝传热系数随干度的变化 图 给出了 光管和 管的冷凝换热系数随干度的变化，由于管径增大所需泵功的增大，质量流速设定为、和 （）。外径换热管的换热表现随流量和干度的变化同 换热管相似，换热系数同样是随质量流速和干度的增大而增大。通过对比可以发现，相同工况下（质量流速为 （）小管径的换热管具有更高的换热系数。同时，管径的变化也会对流型造成影响；光管的流态相比 光管具有更低气液交接面，交界面的波动也更剧烈。这种流型的变化会直接影响冷凝过程中的换热形式，进而决定冷凝换热效率。此外，管径对换热的影响还体现在换热系数随干度变化的趋势中，换热管（光管和涟漪纹管）管内冷凝换热系数随干度变化的幅度大于 换热管。这是由于小管径换热管内的表面张力作用更明显，干度变化所造成的气液成分分布差异更大，进而呈现了更显著的换热差异。总的来看，的 的换热系数是光管的 倍，表面结构对换热的影响不如 换热管明显（）。管径对冷凝换热的影响图 显示了管径对冷凝传热系数的影响。可以看出，在相同的工况条件下，外径为 的换热管的传热系数高于外径为 的换热管。这可以解释为，随着管径的减小，剪切力和表面张力逐渐取代重力，成为其中的主导力，这有利于减薄和排除底部的液膜。同时，直径较小的管表面具有较高的面积密度（表面积与体积之比），这导致换热中单位体积的热通量较高。当管径增大时，冷凝传热更多地受重力支配。在低质量流速时，流动状态主要是分层波状流，重力相比表面张力和剪切力对换热的影响更大，液体薄膜更多地沉积在管的底部，起到热阻的作用，降低了传热系数。图 和 的铜管随质量流量变化的冷凝传热系数 结论实验研究了 和 外径的光管及涟漪纹管的流动冷凝换热特性，重点讨论了流量、干度以及管径对于冷凝流态和换热系数的影响，主要结论如下：）通过光管实验结果与实验数据点关联式计算值进行了比较。结果表明，使用的关联式都可以在较小的误差范围内预测实验数据，证实了实验设施的可靠性。）光管内的流型与 流型图进行了对比，流型图相当准确地预测了光滑管中发现的流型。实验工况范围内，分层波状流为主要的流态，环形流主要出现在高流速和高干度的工况下。）光管和涟漪纹管的换热系数都随着制冷剂干度和流速的增加而增加。涟漪纹管会实现额外的流体扰动，这种扰动可以从流型中气液交界面的波动体现。同时涟漪纹管增大了换热面积，最终其换热系数是光管的 倍。）对于光管和涟漪纹管，较小的管径都具有更大的换热系数。同时，管径的变化也会对流型造成影响，小管径可以促使流型从环形波状流到半环形流过渡。符号说明传热面积，强化倍率定压比热容，（）第期王嘉程等：水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究内管管径，水力直径，摩擦因子焓值，对流换热系数，（）汽化潜热，导热系数，（）实验管有效管长，对数平均温差，质量流量，努塞尔数 普朗特数热流量，雷诺数间接参数干度动力黏度，下标 整体平均数 实验值 预测值 液态 基于实验管外表面的参数 基于实验管内表面的参数 进口 制冷剂侧水侧 管壁面参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：，（）：赵爱国，张爱凤，郭瑞恒，等涟漪纹管换热性能试验研究制冷与空调，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，：青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷 ，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，（，），（）：（责任编辑姜丰辉）（上接第 页）徐礼康，林贵华 新型 冷能发电优化方案天然气化工（化学与化工），（）：，（），（）：，（）：李博洋，胡德栋，钱德松，等 动力船燃料冷能综合利用研究 大连海事大学学报，（）：，（）：，：周英宝，赵永锋基于 的 冷能利用系统设计山东化工，（）：，（）：刘小慷，汪月圆基于 的某油田 冷能利用工艺优化模拟石油工业技术监督，（）：，（）：张彪，许东来基于 和 下吸式生物质气化炉仿真系统 能源与环境，（）：，（）：，（）：樊玉光，豆少刚，高琳基于遗传算法的 气化混合工质配比研究低温与超导，（）：，（）：（责任编辑孙丽莉）