內(nèi)螺紋管換熱器憑借其高效的換熱性能已在制冷空調(diào)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,例如,各種翅片管換熱器除更新鋁翅片結(jié)構(gòu)強(qiáng)化空氣側(cè)換熱外,還采用微肋換熱管來(lái)增強(qiáng)管內(nèi)工質(zhì)換熱效果,殼管式換熱器中使用的雙側(cè)強(qiáng)化管,表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能影響機(jī)制的研究對(duì)提高換熱性能、開(kāi)發(fā)新型換熱器至關(guān)重要。
除對(duì)強(qiáng)化管的換熱強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行研究外,對(duì)換熱管進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià),以根據(jù)實(shí)際需要選擇*佳適用管型,同樣可間接提升換熱器整體性能。對(duì)換熱器進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),往往涉及到很多方面:換熱器的熱工性能(傳熱和阻力)、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行安全性等,并且并不存在一個(gè)指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)所有換熱器評(píng)價(jià)意義,因此針對(duì)不同的目的需選擇不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
單一表征換熱性能和工質(zhì)阻力功耗的指標(biāo)很多,例如傳熱系數(shù)、換熱溫差、努塞爾數(shù)、壓降、摩擦因子、泵功等,但對(duì)于大多換熱器,換熱效果強(qiáng)化的同時(shí)一般伴有工質(zhì)功耗的增加,因此有些學(xué)者提出使用單位壓降下傳熱系數(shù)/Δ及單位阻力因子下努塞爾數(shù)/對(duì)換熱器綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。隨著研究的深入,有效強(qiáng)化換熱技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)單位壓降下?lián)Q熱的明顯提高,而是在相同消耗功率下得到較大改善,因此提出使用/ 作為相同消耗功率下?lián)Q熱評(píng)價(jià)指標(biāo)。
基于熱力學(xué)第二定律,Bejan提出選用熵產(chǎn)對(duì)換熱器換熱過(guò)程中熱量傳遞品質(zhì)、換熱過(guò)程的不可逆性進(jìn)行評(píng)價(jià),換熱器的熵產(chǎn)主要包括傳熱溫差和工質(zhì)流動(dòng)引起的熵產(chǎn)。賴(lài)學(xué)江等運(yùn)用總熵增增率對(duì)花板換熱器和折流板換熱器進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià),對(duì)溫差傳熱損失、流動(dòng)阻力損失均進(jìn)行充分考慮,并發(fā)現(xiàn)總熵增率隨殼程流體速度的變化有極值,為下步換熱器的優(yōu)化提供了方向。吳雙應(yīng)等基于效率和無(wú)因次熵產(chǎn)數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的不足,提出了一個(gè)新的換熱器熱力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)—無(wú)因次熵產(chǎn)率,該指標(biāo)不僅物理意義明確,還具有更廣的適用范圍。王斯民等認(rèn)為現(xiàn)有的火積理論僅考慮了換熱器換熱量或傳熱溫差的影響,并沒(méi)有把壓降和泵功的問(wèn)題考慮在內(nèi),因此提出了一種新的火積評(píng)價(jià)指標(biāo)EPEC,用于表征單位壓降和單位泵功下?lián)Q熱量。
本文基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行R134a的管內(nèi)流動(dòng)冷凝換熱實(shí)驗(yàn),首先選用傳熱系數(shù)/換熱溫差、壓降/摩擦因子對(duì)換熱過(guò)程中的換熱性能、工質(zhì)流動(dòng)功耗進(jìn)行單一性能評(píng)價(jià),而后基于熱力學(xué)**定律、熱力學(xué)第二定律分別使用單位壓降換熱系數(shù)、熵產(chǎn)對(duì)換熱器綜合性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),分析實(shí)驗(yàn)變量對(duì)各指標(biāo)的影響的同時(shí)為換熱器的選型提高數(shù)據(jù)支持及理論基礎(chǔ)。
管內(nèi)流動(dòng)冷凝換熱測(cè)試平臺(tái)原理圖見(jiàn)圖1,綜合而言:系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備均服務(wù)于為換熱管提供實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境,其中預(yù)熱器、過(guò)熱器、冷凝器、過(guò)冷器、低溫冷源共同維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)能量守恒。
系統(tǒng)內(nèi)各元件主要作用如下:
制冷劑泵:為系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)提供循環(huán)動(dòng)力;
預(yù)熱器:采用電加熱形式對(duì)工質(zhì)進(jìn)行加熱處理,使工質(zhì)在換熱管進(jìn)口處達(dá)到設(shè)定狀態(tài);
低溫冷源:帶走工質(zhì)冷凝散熱量,提供模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境;
過(guò)熱器:采用電加熱形式對(duì)工質(zhì)進(jìn)行過(guò)熱處理,校核換熱管出口處工質(zhì)狀態(tài);
EXV:對(duì)工質(zhì)進(jìn)行節(jié)流降壓處理,調(diào)節(jié)換熱管內(nèi)換熱飽和壓力;
冷凝器:對(duì)工質(zhì)進(jìn)行冷凝處理,間接帶走系統(tǒng)內(nèi)電加熱的加熱量;
儲(chǔ)液器:儲(chǔ)存多余工質(zhì),維持系統(tǒng)內(nèi)壓力;
過(guò)冷器:對(duì)工質(zhì)進(jìn)行過(guò)冷處理,使工質(zhì)在質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)出口均保持過(guò)冷狀態(tài),確保測(cè)量參數(shù)的精度;
質(zhì)量流量計(jì):測(cè)量工質(zhì)的循環(huán)流量;
壓力變送器:測(cè)量系統(tǒng)管路內(nèi)工質(zhì)壓力;
鉑電阻:測(cè)量系統(tǒng)管路內(nèi)工質(zhì)溫度。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試段本質(zhì)上為一套管式換熱器,制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)(箭頭A指向),冷凍水在環(huán)形通道內(nèi)流動(dòng)(箭頭B指向),詳見(jiàn)圖2。
換熱管選擇兩根7.00 mm外徑內(nèi)螺紋管為測(cè)試管,兩者除肋片螺旋角不同外,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同:肋高0.2 mm、齒距0.4 mm、槽寬0.2 mm、齒頂角27°、肋片數(shù)50。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試段換熱量:
=(-)--
(1)
式中:為工質(zhì)循環(huán)流量,實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為DMF-1系列質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量工質(zhì)循環(huán)流量,其測(cè)量范圍為0—100 kg/h,測(cè)量精度為,±0.5%。/分別為預(yù)熱段進(jìn)口處、過(guò)熱段出口處工質(zhì)焓值,kJ/kg。由于此時(shí)工質(zhì)分別處在液相/氣相態(tài),因此可通過(guò)溫度、壓力測(cè)量值對(duì)焓值進(jìn)行計(jì)算,實(shí)驗(yàn)選用CYYZ11型壓力變送器測(cè)量工質(zhì)壓力,其量程為0—42×10 Pa,測(cè)量精度為0.1級(jí),選用PT100鉑電阻對(duì)工質(zhì)溫度進(jìn)行測(cè)量,其量程為0—100 ℃,測(cè)量精度為±0.5 ℃。
為預(yù)熱段電加熱量,由所加電壓、電流計(jì)算得到,即:
=·
(2)
為過(guò)熱段電加熱量,同樣由所加電壓、電流計(jì)算得到,即:
=·
(3)
實(shí)驗(yàn)選用熱電偶對(duì)換熱管壁溫進(jìn)行測(cè)量,為保證壁溫測(cè)量精度,在同一測(cè)點(diǎn)位置分上下左右4個(gè)方位對(duì)壁溫進(jìn)行測(cè)量,并選用4個(gè)熱電偶的平均值作為壁溫基準(zhǔn)值,如圖3所示。換熱管共布有4個(gè)位置點(diǎn)、16個(gè)熱電偶,即傳熱系數(shù)計(jì)算值選用16個(gè)熱電偶的平均值作為壁溫計(jì)算值,因此得換熱溫差為:
=(+++……++)/16
(4)
Δ=-
(5)
管內(nèi)傳熱系數(shù):
=/Δ
(6)
式中:為換熱管內(nèi)表面積,由換熱管肋基直徑直接計(jì)算得到,m。
實(shí)驗(yàn)選用壓差變送器對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試段壓降進(jìn)行測(cè)量,其量程為0—250 kPa,測(cè)量精度為±0.25 kPa。
為校核實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量精度,首先在換熱管內(nèi)運(yùn)行單相冷凝換熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工況為:制冷劑質(zhì)量流量65 kg/h,換熱管進(jìn)出口工質(zhì)溫度分別為30±0.5 ℃/15±0.5 ℃,并分別保持3±0.5 ℃/18±0.5 ℃的過(guò)冷度。
首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證壁溫測(cè)量精度,假設(shè)管內(nèi)液相工質(zhì)溫度沿軸向呈線性減小趨勢(shì),結(jié)果顯示:4個(gè)位置點(diǎn)的壁溫測(cè)量值的波動(dòng)幅度分別為1.2 ℃、1.4 ℃、1.5 ℃、0.85 ℃,單相實(shí)驗(yàn)中換熱溫差約在3.5±0.3 ℃以?xún)?nèi),較小的測(cè)量偏差可證實(shí)各熱電偶的高精度,如圖4所示。
此外,為進(jìn)一步校核壁溫測(cè)量值,以對(duì)應(yīng)位置處液相工質(zhì)溫度及壁溫值,利用公式(6)計(jì)算管內(nèi)換熱系數(shù),并使用Gnielinski關(guān)聯(lián)式對(duì)管內(nèi)換熱特性進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示:換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值之間平均誤差分別為-3.5%、4.2%、8.5%、-6.8%,參考其它學(xué)者研究,±10%以?xún)?nèi)的預(yù)測(cè)誤差足可證實(shí)壁面溫度的測(cè)量**性。
首先對(duì)換熱管換熱效果(以傳熱系數(shù)、換熱溫差為指標(biāo))和工質(zhì)流動(dòng)耗功(以壓降、摩擦因子為指標(biāo))受實(shí)驗(yàn)變量(主要包括雷諾數(shù)、飽和溫度、肋片結(jié)構(gòu)參數(shù))的影響進(jìn)行分析,而后使用單位壓降傳熱系數(shù)對(duì)換熱管綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià),使用系統(tǒng)熵增對(duì)換熱過(guò)程中能量損耗進(jìn)行分析。
相同實(shí)驗(yàn)工況及換熱要求的前提下,傳熱系數(shù)與換熱溫差呈負(fù)相關(guān),即換熱管換熱性能越好,換熱溫差越小。因此,在對(duì)實(shí)驗(yàn)變量對(duì)換熱性能的影響進(jìn)行分析時(shí),換熱溫差也可間接表征換熱管換熱效果。
雷諾數(shù)和飽和溫度作用方式相同,均是通過(guò)影響工質(zhì)物性來(lái)改變換熱性能。但是,冷卻水雷諾數(shù)越大,管內(nèi)工質(zhì)與管壁之間溫度梯度越小,即工質(zhì)液膜溫度越接近飽和溫度。因此,增加冷卻水和升高飽和溫度對(duì)換熱管換熱性能的影響效果是相同的。經(jīng)查:R134a液相導(dǎo)熱系數(shù)隨著飽和溫度的升高而降低,液相密度與溫度呈負(fù)相關(guān),氣相密度與溫度呈正相關(guān)。因此,管內(nèi)傳熱系數(shù)隨飽和溫度的降低、雷諾數(shù)的減小而升高,但溫差Δ與飽和溫度呈正相關(guān),與雷諾數(shù)e均呈負(fù)相關(guān),這是因?yàn)槔字Z數(shù)降低引起的總傳熱系數(shù)的削弱效果大于管內(nèi)傳熱系數(shù)增加引起的總傳熱系數(shù)的促進(jìn)效果,即總傳熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)的降低而減小,致使雷諾數(shù)越低,換熱溫差越大,如圖5a、5b所示。
管內(nèi)肋片主要通過(guò)增強(qiáng)管內(nèi)工質(zhì)湍流度強(qiáng)化換熱效果,且肋片螺旋角越大、肋高越高、肋數(shù)越多、齒頂角越小等因素均會(huì)直接增強(qiáng)肋片對(duì)流體的擾動(dòng),進(jìn)而強(qiáng)化換熱效果,由圖5c可得:相同換熱要求下,28°螺旋角換熱管的溫差比18°螺旋角換熱管溫差低約0.36—1.92 ℃,直接證實(shí)了28°螺旋角換熱管比18°螺旋角換熱管具有更好的傳熱系數(shù)。
管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)壓降主要由工質(zhì)與管壁之間摩擦壓降和工質(zhì)含氣率變化引起的加速壓降兩部分組成。實(shí)驗(yàn)中換熱管進(jìn)出口工況保持恒定,加速壓降主要由換熱量的增加(等同于工質(zhì)質(zhì)量流量的增加)引起的。
參考Hirose M的研究,對(duì)于水平換熱管,加速壓降約占工質(zhì)流動(dòng)總壓降的15%左右,因此在分析實(shí)驗(yàn)變量對(duì)管內(nèi)總壓降的影響規(guī)律時(shí),摩擦因子可直接用于表征管內(nèi)壓降,即實(shí)驗(yàn)變量對(duì)摩擦因子與壓降的影響效果相似。
對(duì)于強(qiáng)化管,由于肋片的擾動(dòng)使管內(nèi)兩相流的流動(dòng)越發(fā)復(fù)雜,并沒(méi)有精度相對(duì)較高的摩擦因子的計(jì)算公式,因此本文使用Chio關(guān)聯(lián)式和換熱管總壓降對(duì)摩擦因子進(jìn)行計(jì)算,即:
(7)
Δ=0.85Δ
(8)
相同換熱要求下,工質(zhì)流動(dòng)壓降隨雷諾數(shù)的減小、飽和溫度的降低而升高,隨換熱量的增加而增大,雷諾數(shù)、飽和溫度對(duì)摩擦因子的影響效果與壓降相同,但摩擦因子隨著換熱量的增加而降低,如圖6a、6b所示。
由于換熱量的要求,冷凍水換熱性能變差(雷諾數(shù)降低),勢(shì)必需增加換熱溫差來(lái)滿足換熱要求,因此雷諾數(shù)減小與冷凝溫度降低對(duì)管內(nèi)工質(zhì)的作用效果是一樣的,兩者同樣通過(guò)改變管內(nèi)工質(zhì)物性(工質(zhì)氣液相粘度、密度)來(lái)影響工質(zhì)流動(dòng)壓降。
管內(nèi)兩相流壓降主要包括:液相流與管內(nèi)壁之間摩擦壓降、氣相流與管內(nèi)壁之間摩擦壓降、氣液相界面之間摩擦壓降、兩相流空隙率變化引起的加速壓降。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行范圍內(nèi)(管內(nèi)兩相流為環(huán)狀流),液相流與管內(nèi)壁之間摩擦壓降在總壓降中占據(jù)主體位置,因此液相工質(zhì)粘度對(duì)管內(nèi)壓降的影響至關(guān)重要,經(jīng)查:R134a液相粘度隨飽和溫度的升高而降低,因此管內(nèi)壓降隨飽和溫度的降低、雷諾數(shù)的減小而增大。換熱量的增加表征管內(nèi)兩相流質(zhì)量通量的增大,而壓降與質(zhì)量流量呈拋物線增長(zhǎng),因此管內(nèi)壓降同樣與換熱量呈正相關(guān)。
不同于管內(nèi)壓降,摩擦因子與換熱量呈負(fù)相關(guān),是因?yàn)椋耗Σ烈蜃又荒苡糜诒碚髂Σ翂航档拇笮。S著換熱量的增加(質(zhì)量流量的升高),加速壓降在總壓降中的比重逐漸升高。對(duì)加速壓降進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果顯示:隨著換熱量的增加,加速壓降在總壓降中的增加比重大于換熱量的增加比重,因此摩擦因子隨著換熱量的增加而降低。
肋片主要通過(guò)增加換熱管表面粗糙度來(lái)制造工質(zhì)流動(dòng)的額外阻力,肋片螺旋角越大,則表征單位長(zhǎng)度內(nèi)肋片數(shù)量越多,對(duì)流體流動(dòng)造成的額外阻力越大。因此,28°螺旋角換熱管的壓降比18°螺旋角換熱管的壓降高約1.34—5.89 kPa,28°螺旋角換熱管的摩擦因子比18°螺旋角換熱管的摩擦因子高約0.000 262—0.000 714,如圖6c所示。
溫差/傳熱系數(shù)和摩擦因子/壓降僅能對(duì)換熱器換熱特性和工質(zhì)流動(dòng)損耗分別進(jìn)行評(píng)價(jià),而不能結(jié)合換熱特性和功損兩方面對(duì)換熱器性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。因此,本文使用單位壓降傳熱系數(shù)和熵對(duì)換熱器性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
實(shí)驗(yàn)變量對(duì)的影響本質(zhì)是其對(duì)傳熱系數(shù)和壓降影響的相對(duì)大小,當(dāng)實(shí)驗(yàn)變量對(duì)傳熱系數(shù)和壓降均為促進(jìn)效果,且實(shí)驗(yàn)變量對(duì)傳熱系數(shù)的促進(jìn)效果大于其對(duì)壓降的促進(jìn)效果時(shí),說(shuō)明實(shí)驗(yàn)變量與呈正相關(guān),當(dāng)實(shí)驗(yàn)變量對(duì)傳熱系數(shù)的促進(jìn)效果小于其對(duì)壓降的促進(jìn)效果時(shí),說(shuō)明實(shí)驗(yàn)變量與呈負(fù)相關(guān)。
=/Δ
(9)
如圖7所示,單位壓降傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)的減小、冷凝溫度的降低、肋片螺旋角的增加而增大,即說(shuō)明雷諾數(shù)的減小、冷凝溫度的降低、肋片螺旋角的增加對(duì)傳熱系數(shù)的促進(jìn)效果大于其對(duì)壓降的促進(jìn)效果,這也間接反映了實(shí)驗(yàn)變量對(duì)溫差/換熱系數(shù)、摩擦因子/壓降等指標(biāo)的影響程度大小。
熵是與熱力學(xué)第二定律緊密相關(guān)的狀態(tài)參數(shù),主要用于判斷實(shí)際過(guò)程的方向、過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)、過(guò)程是否可逆。根據(jù)熱力學(xué)第二定律:溫度不同的兩個(gè)物體通過(guò)換熱壁面進(jìn)行傳熱,熱量可自動(dòng)地從高溫物體傳向低溫物體,而熱量由低溫物體傳回高溫物體、系統(tǒng)回復(fù)到原狀的過(guò)程,則不能自發(fā)進(jìn)行,需依靠外界幫助。因此,系統(tǒng)熵增同樣可表征換熱過(guò)程中能量品質(zhì)的下降。
為便于分析換熱器換熱過(guò)程中能量品質(zhì)的衰減,特建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型用于表征換熱過(guò)程中溫差傳熱損失,如圖8所示。假定換熱過(guò)程中僅有高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g的換熱,系統(tǒng)與外界環(huán)境之間絕熱,不考慮工質(zhì)流動(dòng)熵增,僅對(duì)傳熱溫差引起的換熱熵增進(jìn)行計(jì)算,即:
Δ=/-/
(10)
式中:為系統(tǒng)內(nèi)高溫低溫溫區(qū)之間換熱量,kW;/分別為系統(tǒng)內(nèi)高溫?zé)嵩礈囟取⒌蜏責(zé)嵩礈囟龋妗?/p>
由于工質(zhì)在換熱管進(jìn)出口處狀態(tài)保持不變,因此在相同換熱量工況下可視為換熱管內(nèi)工質(zhì)換熱性能保持不變。不同雷諾數(shù)工況下,系統(tǒng)內(nèi)熵變的不同主要是由冷卻水側(cè)換熱性能的不同引起的,冷卻水雷諾數(shù)越大,冷卻水側(cè)換性能越好,兩種工質(zhì)之間換熱溫差就越小,即系統(tǒng)內(nèi)能量品質(zhì)降低越小,因此系統(tǒng)內(nèi)熵增隨著雷諾數(shù)的降低而增大,如圖9a所示。
相同雷諾數(shù)工況下冷卻水換熱特性相同,因此,冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)熵的影響其本質(zhì)是通過(guò)影響管內(nèi)工質(zhì)換熱特性實(shí)現(xiàn)的。由4.1部分可得:管內(nèi)傳熱系數(shù)隨著冷凝溫度的降低而升高,換熱溫差隨著冷凝溫度的降低而減小。換熱溫差越小,系統(tǒng)熵增越小,即系統(tǒng)熵增隨著冷凝溫度的降低而減小,如圖9b所示。
與冷凝溫度的影響機(jī)制相近,管內(nèi)肋片結(jié)構(gòu)同樣是通過(guò)影響管內(nèi)工質(zhì)換熱特性影響系統(tǒng)熵增的。由4.1部分可得:管內(nèi)傳熱系數(shù)隨著肋片螺旋角的增加而升高,換熱溫差隨著肋片螺旋角的增加而減小。因此,系統(tǒng)熵增隨著肋片螺旋角的增大而減小,如圖9c所示。
本質(zhì)而言,絕熱系統(tǒng)內(nèi)物體傳熱引起的熵增與高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g換熱溫差密切相關(guān),兩者換熱溫差越大,物體傳熱的不可逆損失越大,系統(tǒng)熵增越大,因此:實(shí)驗(yàn)變量中可導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱性能下降,換熱溫差增加的因素,均會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)更大的換熱不可逆損失。
根據(jù)管內(nèi)流動(dòng)冷凝換熱實(shí)驗(yàn),主要結(jié)論如下:
(1)傳熱系數(shù)和壓降均隨雷諾數(shù)的降低、冷凝溫度的降低、肋片螺旋角的增加而增大;
(2)換熱溫差和摩擦因子均隨雷諾數(shù)的降低、冷凝溫度的升高、肋片螺旋角的減小而增大;
(3)對(duì)換熱器進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn):?jiǎn)挝粔航祩鳠嵯禂?shù)隨雷諾數(shù)的減小、冷凝溫度的降低、肋片螺旋角的增加而增大,而系統(tǒng)熵增隨雷諾數(shù)的升高、冷凝溫度的降低、肋片螺旋角的增加而減小。