R134a在7 mm强化管内的冷凝传热特性

毛舒适，陶乐仁，李庆普，吴生礼，张丹亭

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

在能源危机和环保需求的双重压力下，研发高效换热器显得尤为迫切和重要，研究R134a的管内换热性能对提高设备能效有重要意义[1-2]。一些学者针对管内结构参数对换热性能的影响进行了研究。吴晓敏等[3]研究了微肋管结构尺寸及工况等对管内流动蒸发及冷凝性能的影响。COLOMBO等[4]研究了R134a在翅片管内冷凝与蒸发时的流型、热传递和压降。NAULBOONRUENG等[5]进行了R134a在9.52 mm光管和微肋管内的冷凝换热实验。SCHLAGER 等[6]研究了 R22 在螺旋角为 15°～25°、管径为12.7 mm的管内蒸发冷凝传热系数及压降特性。还有学者对不同制冷剂的换热性能进行了研究。THOMAS等[7]研究了R134a和丙烷在水平光滑单管和翅片管的管束内的冷凝换热性能。杨申音等[8]对在常规空调热泵系统中R32替代R410A的可行性进行了研究述评。武永强等[9]对比了 R410A和 R22在9.52 mm新型铜管Turbo-DWT和常规内螺纹管中蒸发和冷凝的换热性能。有研究者对管内换热关联式进行了比较修正[10-11]。上述文献均集中在对较小质流密度（小于500 kg/m2s）、较大管径（多为9.52 mm）换热特性的研究。

COLOMBO等[12]对R134a在9.52 mm微肋管内的冷凝和蒸发换热特性进行了研究，两种管的齿顶角均为40°，齿数分别为54和82，齿高不同，并通过可视化研究，了解微肋对流型的影响。QIN等[13]研究了R134a在铜和不锈钢三维微肋管内的冷凝换热特性，铜管和不锈钢管的强化因子分别为7.86和3.34。ARIWIBOWO等[14]对R134a在水平管内环状流下的冷凝换热进行了数值研究。

本文搭建了集蒸发/冷凝于一体的水平单管换热实验台，针对R134a在水平内螺纹管内无润滑油状态下，质流密度为400～1,100 kg/m2s的冷凝换热和压降特性进行了研究，分析了换热性能的影响因素及机理，以促进高性能换热器的研制。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

本文设计了单管管内蒸发冷凝换热实验台，可用于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。不同于胡海涛等[15]使用压缩机提供动力，本文采用隔膜泵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，也可消除润滑油对实验测试结果的影响。系统原理如图1所示，在进行冷凝实验时，前端板式换热器打开，后端板式换热器关闭，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，进入质量流量计测得质量流量，然后进入前端板式换热器，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剂冷凝成液态制冷剂，最后流回储液桶内，完成一个循环。

温度测量采用标准PT100铂电阻，测量精度为0.1 ℃，对其水浴标定时所得相对误差均小于0.1%。实验段压差测量选用罗斯蒙特的 3051型差压变送器，量程为0～4.2 MPa，精度为0.1级。制冷剂质量流量测量采用北京首科实华的DMF-1-2-A型科氏质量流量计，测量精度为0.1%。水流量测量采用电磁流量计，其精度为0.5级。液压隔膜泵采用上海申贝泵业的SJ3-M-200/2.8型泵，流量200 L/h。

图1 实验系统原理图

1.2 实验工况及测试样管

实验选取的两种换热管为新开发的高效内螺纹强化管，其具体齿形参数如表1所示。1#管为接近国标的普通管，2#管为瘦齿大螺旋角管，其齿顶角较小，齿型较瘦，螺旋角较大。内螺纹能够破坏边界层，依靠表面张力使液膜变薄，增加换热面积，增强制冷剂扰动，从而增强换热。

表1 内螺纹管的参数

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。采用工质R134a，调整水侧进口水温和流量，使实验段进出口过冷过热度维持在3 ℃～5 ℃，制冷剂质流密度维持在400～1,100 kg/m2s，冷凝温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃，实验段水侧雷诺数 Re保持在8,000～22,000，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。本文中制冷剂侧传热系数为螺纹管内制冷剂冷凝过程中的平均传热系数，非局部传热系数，压降亦为平均压降。

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，再利用热阻分离法求出制冷剂侧传热系数。

测试段总传热系数：

式中，Qr、Qw分别为制冷剂侧和水侧换热量。

测试段对数平均温差：

水侧努赛尔数使用Gnielinski经验关联式[16-17]：

式中，按Petukhov公式f= (1.58lnRe - 3.28)-2。

制冷剂侧传热系数：

1.4 误差分析

直接测量参数的相对误差ε用绝对误差xΔ与真值0x的比计算。间接测量参数的误差，测量值间相互独立，按下式计算：

经计算，制冷剂侧传热系数最大相对误差为7.82%，实验段压降由差压变送器引起，其误差小于3%。

2 实验结果及分析

2.1 冷凝温度对制冷剂侧传热系数的影响

图 2是 1#管、2#管在相同水侧雷诺数（Re=10,000）、3 种冷凝温度（35 ℃、40 ℃和 45 ℃）工况下，制冷剂侧传热系数随制冷剂质流密度的变化情况。由图可知：

1）管内冷凝传热系数都随制冷剂质流密度的增大而增大；流速增大时，液相制冷剂边界层变薄，热阻减小，同时湍流效应得到增强，流体间的交换加强，对流传热得到加强。

2）冷凝温度越低，传热系数越大，35 ℃时的冷凝传热系数比45 ℃高约18%～40%；冷凝温度越低，R134a的粘度越小，边界层厚度越薄，同时温度越低，液相R134a导热系数越大，边界层的导热量越大。R134a的冷凝温度越低，对应的气液两相饱和状态焓差，即相变潜热越大，相同的流量下释放更多的热量。

28°管在35 ℃冷凝时的制冷剂侧传热系数显著高于40 ℃和45 ℃冷凝温度时的数据，这一现象在18°管中并没有发现。一方面，相比于40 ℃和45 ℃，35 ℃时流体粘度较大，从螺纹管冷凝强化机理来看（破坏边界层、增加湍流、依靠表面张力减薄液膜厚度等），粘度较大时螺纹管强化效果更好，故35 ℃时的传热系数明显大于40 ℃；另一方面，28°管强化效果优于18°管，故在28°管中这一现象明显。

图2 制冷剂侧传热系数随质流密度的变化

2.2 齿型参数对制冷剂侧传热系数的影响

由图2可知，3个冷凝温度下，28°管均比18°管传热系数高。这主要是因为：

1）较小的齿顶角、较大的螺旋角使制冷剂在管内沿螺旋槽旋转前进时，增强了制冷剂的湍流效应。螺纹造成的边界层分离对边界层的破坏效果更显著。制冷剂沿螺旋槽前进，会使径向速度增加，产生二次流，增强制冷剂的对流效应[18]；

2）28°管的内表面扩展倍率更大；28°管的内表面面积扩展比为1.81，而18°管的则为1.75。齿顶角越小，螺旋角越大，湿周越大；28°管制冷剂侧具有更大的传热面积，换热更好[19]。

2.3 冷凝温度对制冷剂侧压降的影响

图3分别是螺旋角18°管、28°管在相同水侧雷诺数（Re=10,000），3种冷凝温度下（35 ℃、40 ℃和45 ℃），制冷剂侧实验段管压降（ΔP）随制冷剂质流密度的变化情况。由图可知：

1）在 400 kg/(m2·s)～1,100 kg/(m2·s)的质流密度范围内，这 3种强化管的测试段压降都是随着制冷剂质流密度的增大而增大，变化趋势接近线性变化。质流密度越大，主流区流速越大，速度梯度越大，内摩擦力越大，故压降越大。质流密度越大，湍流效应越强，涡旋等消耗的能量也越多；

2）冷凝温度越低，压降越大，35 ℃时的压降比45 ℃时的高约14%～25%。R134a液相的粘度随温度的降低而变大，故冷凝温度低时，制冷剂的内摩擦力变大，压降越大。同时，冷凝温度低时，液相制冷剂密度增大，在实验段管路所占体积减小，流速减小，气相密度减小，流速增大，气相和液相间的速度差会增大，摩擦损失增大，故压降增大[20]。

图3 压降随质流密度的变化

2.4 齿型参数对制冷剂侧压降的影响

由图 3可知，3个冷凝温度下，质流密度400～1,100 kg/(m2·s)范围内，螺旋角为 28°换热管均比螺旋角为 18°换热管压降大，高约 3%～12%。较大的螺旋角使制冷剂在管内沿螺旋槽旋转前进时，增强了制冷剂的湍流效应，同时产生二次流，增强了对流效应，从而使内摩擦消耗的能量增加，故压降增大。另外，齿顶角越小，齿型越瘦，管内壁越粗糙、压力损失越大。

2.5 不同换热管内的单位压降换热系数的对比分析

图4是在相同水侧雷诺数（Re=10,000），3种冷凝温度下（35 ℃、40 ℃和45 ℃），螺旋角为18°换热管和螺旋角为 28°换热管单位压降冷凝传热系数（hr/ΔP）随制冷剂质流密度（Gr）的变化情况。由图可见，3种冷凝温度下，28°管的单位压降冷凝传热系数均比 18°管的高，45 ℃时 28°管的单位压降冷凝传热系数比35 ℃时18°管的还要高，齿型参数对单位压降冷凝传热系数的影响比冷凝温度的影响大[21]。虽然 28°管的压降较大，但其传热系数的提升更大。综合来看，螺旋角为 28°换热管的综合性能更好。随着质流密度的增加，单位压降传热系数逐渐减小，这是因高质流密度时，制冷剂已经是湍流状态，螺纹通过增强湍流对换热的强化作用不显著。

图4 单位压降冷凝传热系数随质流密度的变化

3 结论

为研究螺纹管的换热性能，本文以R134a为制冷剂，通过对管径为7 mm、螺纹角为18°和28°的内螺纹强化管在不同工况下的冷凝换热实验研究，得出如下结论：

1）制冷剂侧传热系数受冷凝温度影响。冷凝温度越低，R134a侧传热系数越大，35 ℃时的冷凝传热系数比45 ℃高约18%～40%。28°管（瘦齿、大螺旋角管）比 18°管（普通管）传热系数高约8%～48%；

2）制冷剂压降受冷凝温度影响。冷凝温度越低，R134a侧压降越大，35 ℃时的压降比 45 ℃时高约14%～25%。管径为7 mm、螺旋角为28°换热管均比螺旋角为18°换热管压降高约3%～12%；

3）螺旋角为28°换热管的单位压降冷凝传热系数高于螺旋角为 18°的换热管；其中，表面传热系数的增幅远大于压降增幅。在较大的制冷剂质流密度 700～1,100 kg/(m2·s)范围内时，28°换热管的单位压降冷凝传热系数（hr/ΔP）提升更明显，综合性能更好；

4）齿型参数对单位压降冷凝传热系数的影响大于冷凝温度的影响，故应从齿型参数方面入手研究换热器单管换热性能的提升。