高效蒸发流型全域构建蒸发器热力性能实验研究

钟天明，白浩贤，丁力行，陈姝，李浩堃，谢宇，周广

（仲恺农业工程学院机电工程学院，广州，510225）

0 引言

管翅式蒸发器广泛应用于各种制冷系统和热泵系统中，是系统中进行能量传递的关键部件，因此其热力性能的优劣对系统的效率有重要影响［1,］。

学者们对管翅式蒸发器的综合性能进行了广泛的研究，张天娇等［2］构建了新型多孔结构内表面强化管，探究表面结构对竖管降膜流动特性的影响，当Re达到4200时，强化管的平均降膜波动强度较光管高出约8%。刘馨等［3］模拟研究了R1234yf在套管式蒸发器的传热特性，结果表明，蒸发器的传热系数随着干度的增加，先升高后降低，并在干度约为0.7 时达到峰值。

钟天明等［4］基于经典管内沸腾理论，根据换热流体在高干度区域（约0.7 ～0.9）可大幅度提高换热效率的现象，提出高效蒸发流型全域构建机制以及高效蒸发流型全域构建蒸发器。新型高效蒸发流型全域构建蒸发器的热力性能尚未获得深入研究。本文采用实验手段对建造的高效蒸发流型全域构建蒸发器进行传热特性以及压降特性研究，并利用综合性能指标获得新型蒸发器热力性能的综合评价。

1 实验

1.1 两种蒸发器

图1是新型高效蒸发流型全域构建蒸发器（efficient flow-pattern global-construction evaporator，EFGE）。高效蒸发流型全域构建蒸发器由翅片管排和一对集液联箱构成，翅片管与两端集液管连通。联箱在前后管程交接处的联箱中设置一隔板组，两侧联箱共设置10组隔板，蒸发器被分成11个管程，其中1-9管程的隔板组由开孔隔板和盲隔板构成，配合应用，而10-11管程的隔板则只有盲板（干度已很高，不再需要分流），其中沿联箱流动轴向，开孔隔板设置在盲隔板的前面，而且两隔板间设置换热管。其中开孔隔板，称作分流器，分流器小孔的孔径为3 mm～5.0mm。通过9组分流器在蒸发器全干度域进行高效蒸发流型全域构建，从而有效强化低干度流蒸发效率，使得整个蒸发过程均获得有效强化。本文建造的高效蒸发流型全域构建蒸发器，以某品牌3HP热泵热水器的普通平行流蒸发器换热管数和总面积为基础，并与该平行流蒸发器的热力性能进行对比。由于分流器开孔和导管结构尚无准确理论计算方法，本文根据实验从经验设计的3个样品中选出最优。两蒸发器的结构尺寸列于表1中。

表1 两种蒸发器几何尺寸

图1 （a）高效蒸发流型全域构建蒸发器（b）平行流蒸发器

1.2 实验系统

本文使用换热器测试系统对蒸发器进行热力性能测试实验，如图2所示。测试系统有两个循环回路构成，分别是制冷剂循环和空气处理模块。被测蒸发器的进口干度通过预冷器和外绕式预热器调节，其出口干度将由过热器调节成过热。被测蒸发器设置在恒温室的风道中，恒温室的空气温度由空气处理模块进行精确调节。测试系统中必要节点的温度和压力均有传感器进行测量，风道的空气流量经均流器充分混合后进行测量。22根热电偶沿蒸发器各管程中点设置，测量翅片管的传热壁温；另设22根热电偶于蒸发器各管程末端，测量翅片管的绝热壁温。

图2 换热器测试系统

11..33 误误差差分分析析

最后，最小熵增数的最大相对误差为±7.3%。

2 结果分析

图3是两种蒸发器的管内传热系数h和总传热系数K随截面质量流量变化的规律。当截面质量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1时，EFGE的管内传热系数在平均干度为0.25下增大82.3%，管内传热系数在平均干度为0.75下增大75.1%。当平均干度由0.25提升为0.75时，EFGE的管内传热系数增大86.1%～93.8%。当截面质量流量由250 kgm-2s-1增至750 kgm-2s-1时，PFE的管内传热系数在平均干度为0.25下增大84.5%，在平均干度为0.75下增大59.0%。当平均干度由0.25提升为0.75时，PFE的管内传热系数增大80.4%～109.3%。EFGE的管内传热系数较PFE高18.1% ～ 32.2%。当平均干度为0.25时，EFGE的总传热系数较PFE高5.6%～8.7%；当平均干度为0.75时，EFGE的总传热系数较PFE高4.1%～5.9%。

图3 两种蒸发器的传热系数变化

图4是是两种蒸发器的管内压降随截面质量流量变化的规律。当截面质量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1时，EFGE的管内压降在平均干度为0.25下增大1.23倍，在平均干度为0.75下增大0.95倍。当平均干度由0.25提升为0.75时，EFGE的管内压降增大1.15倍～1.44倍；当截面质量流量由250 kgm-2s-1增至750 kgm-2s-1时，PFE的管内压降在平均干度为0.25下增大81.5%，在平均干度为0.75下增大79.2%。当平均干度由0.25提升为0.75时，PFE的管内压降增大73.6%～92.5%。EFGE的管内压降在截面质量流量为250 kgm-2s-1时较PFE低9.5% ～ 17.6%，在截面质量流量为750 kgm-2s-1时较PFE高0.8% ～ 9.5%。

图4 两种蒸发器的管内压降变化规律

图5是EFGE和PFE的最小熵增数（NS）随质量流量变化的规律。当截面质量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1时，EFGE和PFE的最小熵增数在平均干度为0.25下增大约1.3-1.8倍，在平均干度为0.75下增大1.2～1.4倍。当平均干度由0.25提升为0.75时，EFGE与PFE的最小熵增数增大0.75倍～1.08倍。在平均干度0.25下，截面质量流量由250 kgm-2s-1至750kgm-2s-1时，EFGE的最小熵增数是PFE的89%～123%；在平均干度0.75下，截面质量流量由250kgm-2s-1至750kgm-2s-1时，EFGE的最小熵增数是PFE的93%～105%。此外，随实验质量流量增大，EFGE的最小熵增数由低于PFE逐渐超越PFE。主要原因是随截面质量流量增大，EFGE的压降趋于较PFE高，随之带来更大的熵增。

图5 两蒸发器换热管的最小熵增数

3 结论

本文实验研究了新型的高效蒸发流型全域构建蒸发器的管内热力性能，并与同类普通蒸发器进行对比，获得以下结论：

1）新型高效蒸发流型全域构建蒸发器能增强管内传热系数，而蒸发器总传热系数可获得约4%～9%的强化。

2）EFGE的管内总压降仅在低截面质量流量下较PFE低，在高截面质量流量下，EFGE的压降存在一定劣势。

3）根据最小熵增数，当截面质量流量低于约550kgm-2s-1时，EFGE较PFE拥有更优热力性能；当截面质量流量高于约550kgm-2s-1时，EFGE的热力性能将劣于PFE。