(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加重，能源的高效利用逐漸成為研究的重點(diǎn)。換熱器在石油、化工、電力、制冷等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，人們對(duì)換熱設(shè)備緊湊性、高效化、低成本的要求越來越高。微肋管自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，由最初的二維矩形、梯形肋發(fā)展到現(xiàn)在的三維強(qiáng)化管[1-2]，其內(nèi)部復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)使得本已十分復(fù)雜的流動(dòng)蒸發(fā)/冷凝換熱變得更加復(fù)雜[3]。針對(duì)現(xiàn)有制冷劑，如R22、R410A、R417A、R404A、R407C等，許多學(xué)者研究了在強(qiáng)化管外的換熱，并取得一定的成果[4-9]。

需特別指出的是R134a憑借其優(yōu)越的熱物理性質(zhì)已被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域[10]。很多學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究了R134a在各種強(qiáng)化管的強(qiáng)化機(jī)理，分析了在流動(dòng)沸騰/冷凝換熱工況下，不同管型尺寸、水力條件對(duì)傳熱系數(shù)、壓降等指標(biāo)的影響，并取得了很大成果。在K.Jatuporn等[11]微型多管道換熱器實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)換熱通道從14銳減到8時(shí)，換熱器平均傳熱系數(shù)增加50%～70%，并對(duì)比了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典關(guān)聯(lián)式，選取相應(yīng)工況下最佳預(yù)測(cè)公式。S.Kittipong等[12]調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)工況以保證微通道內(nèi)制冷劑流型為環(huán)狀流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨蒸氣干度、質(zhì)量密度、熱流密度的增加而增加，隨飽和溫度的增加而降低。在M.H.Al-Hajeri等[13]的研究中選取表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、壓降兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，證實(shí)制冷劑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和壓降均隨質(zhì)量流量的增加而增加，隨飽和溫度的增加而降低。S.Kittipong 等[14]對(duì)壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，在相應(yīng)工況下摩擦壓降占總壓降絕大比例，并驗(yàn)證：摩擦壓降隨質(zhì)量流量、蒸氣干度的增加而增加，且飽和溫度、管徑尺寸對(duì)摩擦壓降也具有很大影響。G. G. Jr等[15]把壓降細(xì)分為摩擦壓降、加速壓降、膨脹壓降、重力壓降等，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了摩擦壓降約占總壓降的95%，除探究摩擦壓降受外界工況的影響外，還對(duì)比了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)關(guān)聯(lián)式，選出相應(yīng)工況下最佳的預(yù)測(cè)公式。

有關(guān)微通道的研究大多針對(duì)某一特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并沒有提出一個(gè)綜合指標(biāo)來對(duì)換熱器整體進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文以R134a為工質(zhì)，在新型搭建的單管換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)3種規(guī)格微肋管進(jìn)行了流動(dòng)冷凝實(shí)驗(yàn)研究，在改變冷凝溫度、質(zhì)量流量的工況下，研究強(qiáng)化管兩側(cè)換熱性能隨工況的變化，對(duì)兩種流體間的傳熱熱阻進(jìn)行了詳細(xì)分析，此外還對(duì)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/壓降受飽和溫度、質(zhì)量流量、強(qiáng)化管結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素的影響進(jìn)行了研究，以單位壓降內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為指標(biāo)，對(duì)微肋管進(jìn)行了綜合性能評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在管內(nèi)冷凝換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行，系統(tǒng)原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括4個(gè)循環(huán)：制冷循環(huán)、實(shí)驗(yàn)段水循環(huán)、乙二醇水溶液循環(huán)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.1 The principle of experiment device

在制冷循環(huán)中，選用型號(hào)為SJ3-M-200/2.8的隔膜泵代替壓縮機(jī)提供整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力，其額定流量范圍為0～200 L/h，測(cè)量精度為±1%。過冷制冷劑在隔膜泵的驅(qū)動(dòng)下由儲(chǔ)液器流出，經(jīng)脈動(dòng)阻尼器、質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入預(yù)熱器，在預(yù)熱器內(nèi)被加熱到設(shè)定狀態(tài)，并通過視液鏡觀察制冷劑所處狀態(tài)，過熱制冷劑蒸氣在實(shí)驗(yàn)段完全冷卻完成冷凝實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)段流出的過冷制冷劑經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流后經(jīng)干燥過濾器進(jìn)入儲(chǔ)液器，重復(fù)下一循環(huán)。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)隔膜泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、改變活塞行程相結(jié)合的方法改變制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)流量，隔膜泵后設(shè)有旁通回路，可使制冷劑流回儲(chǔ)液器，同樣可起到對(duì)制冷劑流量的調(diào)節(jié)作用，測(cè)試段的飽和壓力則通過調(diào)節(jié)電磁膨脹閥的開度進(jìn)行控制。儲(chǔ)液器壓力為整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)壓力，經(jīng)室外風(fēng)冷機(jī)組處理的乙二醇水溶液對(duì)儲(chǔ)液器內(nèi)的制冷劑進(jìn)行溫度過冷調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大范圍的系統(tǒng)壓力實(shí)驗(yàn)。其中，經(jīng)室外風(fēng)冷機(jī)組處理的乙二醇水溶液可提供-25 ℃的低溫?zé)嵩?。?shí)驗(yàn)段水循環(huán)主要用于與制冷劑的熱量交換，滿足制冷劑在測(cè)試管內(nèi)的冷凝工況要求，主要由電磁流量計(jì)、水泵、板式換熱器組成，在板式換熱器內(nèi)，乙二醇水溶液與測(cè)試水換熱，帶走制冷劑冷凝放出的熱量。

實(shí)驗(yàn)段制冷劑側(cè)及水側(cè)溫度均采用測(cè)量精度為0.1 ℃的PT100鉑電阻進(jìn)行測(cè)量，使用前分別對(duì)其進(jìn)行水浴標(biāo)定，所得相對(duì)誤差均小于0.1%；為解決制冷劑管路中溫度、壓力測(cè)量的準(zhǔn)確度與密封性問題，特別設(shè)計(jì)了溫度測(cè)量模塊與壓力測(cè)量模塊，剖面如圖2所示。測(cè)量中，制冷劑流體迎著鉑電阻的測(cè)溫頭，制冷劑管路與模塊通過納子連接以保證良好的密封性。測(cè)試段進(jìn)出口壓力及儲(chǔ)液器壓力選用德魯克GE5072型號(hào)壓力變送器進(jìn)行測(cè)量，量程為0～4.2 MPa，測(cè)量精度為0.2級(jí)；選用由RHM03傳感器與RHE14變送器組成的質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量制冷劑循環(huán)流量，量程為0.05～6 kg/min，測(cè)量精度為0.1%；選用控制-顯示一體型電磁流量計(jì)測(cè)量測(cè)試水流量，精度為0.5級(jí);選用西門子PLC S7-300監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，用三維力控程序采集參數(shù)數(shù)據(jù)，觀察系統(tǒng)運(yùn)行主要參數(shù)及參數(shù)趨勢(shì)。

(a)測(cè)溫模塊剖面圖 (b)測(cè)壓模塊剖面圖 圖2 測(cè)量模塊Fig.2 Measuring module

實(shí)驗(yàn)段選用水平套管式換熱器，其密封裝配剖面如圖3所示，制冷劑在測(cè)試銅管內(nèi)流動(dòng)，測(cè)試水在管外環(huán)形通道內(nèi)流動(dòng)，呈逆向流。測(cè)試強(qiáng)化管選取外徑分別為6.35、7、8 mm的內(nèi)螺紋強(qiáng)化管，在實(shí)驗(yàn)段有效換熱長度為2 000 mm，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。不銹鋼套管裝有放氣閥，用以排除測(cè)試水中不凝結(jié)氣體，且管外包有隔熱層，減少實(shí)驗(yàn)段與外界環(huán)境的漏熱損失。

1六角螺母；2端蓋；3密封圈；4不銹鋼套管；5實(shí)驗(yàn)管；6水進(jìn)口。圖3 實(shí)驗(yàn)段密封裝配剖面圖Fig.3 The assembly section of test section

表1 測(cè)試管結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)選用R134a為測(cè)試工質(zhì)，其物性參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，實(shí)驗(yàn)段冷凝溫度分別設(shè)定為35、40、45 ℃，根據(jù)不同外徑內(nèi)螺旋管具體換熱情況，制冷劑質(zhì)量流量的調(diào)節(jié)范圍為30～120 kg/h?？紤]到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測(cè)試局限性，為方便制冷劑換熱量的計(jì)算，設(shè)定制冷劑在測(cè)試段進(jìn)出口均保持3 ℃左右的過熱/過冷度，通過對(duì)測(cè)試段兩側(cè)視液鏡的觀察確保制冷劑處于單相狀態(tài)。

表2 R134a物性參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由實(shí)驗(yàn)儀表可得：制冷劑質(zhì)量流量Gr、實(shí)驗(yàn)段制冷劑進(jìn)出口溫度trin/trout、測(cè)試水流量Gw、實(shí)驗(yàn)段測(cè)試水進(jìn)出口溫度twin/twout、實(shí)驗(yàn)段壓差Δp。根據(jù)制冷劑在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)、出口所測(cè)溫度、壓力值求得對(duì)應(yīng)焓值，得：

制冷劑在實(shí)驗(yàn)段的換熱量(W)為：

Φr=Gr(hrout-hrin)

(1)

測(cè)試水在實(shí)驗(yàn)段吸收熱量(W)為：

Φw=Gwcp(twout-twin)

(2)

實(shí)驗(yàn)段換熱量(W)為：

Φ=(Φr+Φw)/2

(3)

實(shí)驗(yàn)段漏熱率：

n=|Φr-Φw|/φ

(4)

式中：Gr為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s;hrin、hrout分別為制冷劑在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)、出口焓值,kJ/kg;Gw為測(cè)試水質(zhì)量流量，kg/s;tmin、twout分別為測(cè)試水在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口溫度，℃;cp為測(cè)試水的定壓比熱容,kJ/(kg5K)。對(duì)于所有測(cè)試的任一工況，只有根據(jù)式(4)所計(jì)算得的n<5%時(shí)，才足以說明實(shí)驗(yàn)段達(dá)到平衡效果，所測(cè)數(shù)據(jù)有效，然后以式(3)計(jì)算的Φ作為實(shí)驗(yàn)段換熱量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)試管中制冷劑與測(cè)試水之間換熱的總熱阻等于管內(nèi)側(cè)熱阻(制冷劑側(cè))、管壁熱阻、管外側(cè)熱阻(測(cè)試水側(cè))之和，考慮到測(cè)試管為新訂制銅管，故可忽略壁面結(jié)垢熱阻，即：

(5)

式中：Ai、A0分別為強(qiáng)化管內(nèi)、外表面積，m2;λ為測(cè)試管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m5K);hr為制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m25K);hw為測(cè)試水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m25K)；δ為測(cè)試管厚度，m;Δt為測(cè)試管內(nèi)外兩側(cè)溫差,℃。

總傳熱系數(shù)K,W/(m25K)：

K=Φ/(AoΔtm)

(6)

其中Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差(℃)，定義為：

(7)

式中：ts為測(cè)試管內(nèi)制冷劑飽和溫度，℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)段出口所測(cè)壓力和實(shí)驗(yàn)段壓差計(jì)算可得。

式(5)中的hw可由Dittus-Doelter[16]公式計(jì)算得到：

(8)

式中：k為測(cè)試水導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m5K)；Dhw為環(huán)形管道水力半徑，m。

把由式(6)、式(8)計(jì)算所得的K、hw帶入式(5)即可得到hr。

本實(shí)驗(yàn)的目的在于得到不同工況下實(shí)驗(yàn)段的K、hwhr，為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用式(9)[17]對(duì)其不確定度進(jìn)行計(jì)算。

(9)

式中：?R為獨(dú)立變量R的不確定度；y為影響因素；?y為變量y的不確定度。

例如K的不確定度可由式(10)計(jì)算得到：

(10)

可得：K、hw、hr的不確定度均小于5%。實(shí)驗(yàn)段壓降Δp由壓差變送器直接測(cè)得，不確定度小于0.14%。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

微肋管內(nèi)流動(dòng)冷凝換熱的影響因素很多，工況調(diào)節(jié)參數(shù)主要包括測(cè)試水流量及進(jìn)口溫度、制冷劑質(zhì)量流量、飽和溫度。本實(shí)驗(yàn)主要研究制冷劑質(zhì)量流量、冷凝飽和溫度這兩個(gè)參數(shù)對(duì)R134a在強(qiáng)化管內(nèi)的流動(dòng)冷凝換熱的影響，并分析了微肋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷凝換熱的影響。

3.1 系統(tǒng)可靠性檢測(cè)

為確保實(shí)驗(yàn)臺(tái)各測(cè)量參數(shù)值的準(zhǔn)確性，選取實(shí)驗(yàn)段制冷劑進(jìn)出口溫度、壓力值，測(cè)試水進(jìn)出口溫度值，制冷劑質(zhì)量流量值，測(cè)試水流量值進(jìn)行了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。在此，僅以測(cè)試水流量值為例進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于測(cè)試水流量，選取1.1、1.0、0.9 m3/h三個(gè)值進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，測(cè)試水質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化如圖4所示，測(cè)量誤差為±0.005 m3/h，完全符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度要求。對(duì)于系統(tǒng)熱平衡檢測(cè)，選取8 mm強(qiáng)化管，45 ℃冷凝的工況條件進(jìn)行驗(yàn)證，取n為縱坐標(biāo)，具體計(jì)算見公式(4)。由圖5可得， 取值為0.98～1.03，說明實(shí)驗(yàn)段具有較好的保溫效果，符合實(shí)驗(yàn)條件要求。

圖4 測(cè)試水質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化Fig.4 Water-testing mass flow changes with time

圖5 實(shí)驗(yàn)段熱平衡檢測(cè)Fig.5 The thermal balance test

使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)微肋管進(jìn)行冷凝測(cè)試前，首先對(duì)φ12.7 mm光管進(jìn)行了單相冷凝實(shí)驗(yàn)，將所得數(shù)據(jù)與V.Gnielinski[18]公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相差在5%以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可靠性。

3.2 換熱特性的分析

圖6(a)、(b)、(c)分別為冷凝溫度保持在(35±0.3)℃、(40±0.3)℃、(45±0.3)℃時(shí)，三根微肋管總傳熱系數(shù)K隨制冷劑質(zhì)量流量的變化，由圖6可知K隨質(zhì)量流量的增加而增大，隨冷凝溫度的升高而降低，這是因?yàn)殡S冷凝溫度的降低，R134a汽化潛熱值增大，在換熱面積、換熱溫差不變的情況下，K隨熱通量的增加而變大。此外，在相同冷凝溫度、質(zhì)量流量下，3#微肋管的K大于2#微肋管，1#微肋管的K最低，這是因?yàn)樵谙嗤评鋭┝髁肯?，管徑越小制冷劑在管?nèi)的流速越大，對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的湍流度，具有更好的換熱效果。

測(cè)試水側(cè)/制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)隨飽和溫度、質(zhì)量流量的變化分別如圖7(a)、(b)、(c)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：hr隨質(zhì)量流量的增加而增大，而hw隨質(zhì)量流量的增加而稍有降低。

圖6 總傳熱系數(shù)K隨冷凝溫度、質(zhì)量流量的變化Fig.6 Total heat transfer coefficient changing with condensation temperature and Gr

圖7 測(cè)試水側(cè)/制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)隨冷凝溫度、質(zhì)量流量的變化Fig.7 Surface heat transfer coefficient of water-testing/refrigerant changes with condensation temperature and Gr

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加，實(shí)驗(yàn)段熱通量增大。為保持制冷劑在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口設(shè)定狀態(tài)，保持實(shí)驗(yàn)段內(nèi)測(cè)試水流量不變，通過控制進(jìn)水溫度來實(shí)現(xiàn)熱通量的控制。隨著質(zhì)量流量的增加，測(cè)試水進(jìn)口水溫降低，測(cè)試水黏度增大，最終導(dǎo)致水側(cè)換熱邊界層厚度增加，使hw隨質(zhì)量流量的增加而稍有降低。

實(shí)驗(yàn)所用微肋管內(nèi)部均是滾軋出的與軸線成28°的螺旋槽，在管內(nèi)壁形成凸出的螺旋線，齒高均在0.2 mm左右。當(dāng)制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，靠近內(nèi)壁的工質(zhì)將沿著螺旋面旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，還有部分工質(zhì)在內(nèi)壁沿軸線流動(dòng)，在經(jīng)過凸起的螺旋槽時(shí)形成周期性擾動(dòng)，從而起到強(qiáng)化換熱的目的。由圖7可得，在相同冷凝溫度、質(zhì)量流量下，2#微肋管的hr約為1#微肋管hr的1.5～3.5倍，3#微肋管的hr約為2#微肋管hr的1.5～2.5倍。這主要是因?yàn)椋?)相同質(zhì)量流量下，管徑越小對(duì)應(yīng)的制冷劑流速越大，流體的湍流度更大；2)各微肋管除外徑不同外，其內(nèi)部齒形參數(shù)完全相同，相同高度齒高在小外徑強(qiáng)化管內(nèi)對(duì)制冷劑的擾動(dòng)能力更強(qiáng)；3)微肋管外徑越小其內(nèi)表面擴(kuò)展倍率越大。此外還可發(fā)現(xiàn)：冷凝溫度越低，hr越大，且質(zhì)量流量越大不同溫度間hr之間的差值越大。這是因?yàn)椋?)對(duì)于R134a，隨著冷凝溫度的降低，氣液密度比值越大，氣液速度差值增大，氣液界面間剪切力的增大使換熱邊界層厚度減??；2)質(zhì)量流量的增加對(duì)氣液速度差值的增大起到促進(jìn)作用，能夠產(chǎn)生更大的氣液剪切力，增強(qiáng)換熱。

3.3 流阻特性的分析

圖8 壓降隨冷凝溫度、質(zhì)量流量的變化Fig.8 Pressure drop changing with condensation temperature and Gr

微肋管內(nèi)制冷劑壓降Δp隨冷凝溫度、質(zhì)量流量的變化如圖8所示，Δp隨質(zhì)量流量的增加而增大，隨冷凝溫度的增大而減小，且管徑越小、質(zhì)量流量越大，冷凝溫度對(duì)壓降的影響越大。

對(duì)比不同外徑微肋管壓降的變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在相同質(zhì)量流量下，管徑越小其對(duì)應(yīng)壓降越大，其中2#微肋管的Δp約為1#微肋管Δp的1.2～1.5倍，3#微肋管Δp約為2#微肋管Δp的1.2～1.4倍，且隨著質(zhì)量流量的增加兩者的比值均逐漸增大。這是因?yàn)椋?)Δp與流速的平方成正比，質(zhì)量流量的增加表征管內(nèi)流速的增大，且相同質(zhì)量流量下，管徑越小流速越大，流體在管內(nèi)流動(dòng)的功耗增加；2)隨著飽和溫度的降低，制冷劑R134a的黏度增大，對(duì)壓降的增加起促進(jìn)作用。

3.4 綜合性能評(píng)價(jià)

以強(qiáng)化管外表面為基準(zhǔn)，對(duì)換熱器總熱阻進(jìn)行明細(xì)化分析，由總傳熱系數(shù)K、測(cè)試水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hw以及制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hr，可得總傳熱熱阻R、制冷劑側(cè)傳熱熱阻Rr、測(cè)試水側(cè)傳熱熱阻Rw。對(duì)于同一類型強(qiáng)化管，其外徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，即管壁導(dǎo)熱熱阻保持不變，在熱阻分析計(jì)算中可忽略不計(jì)。

圖9 水側(cè)/制冷劑側(cè)熱阻隨冷凝溫度、質(zhì)量流量的變化Fig.9 Thermal resistance of water-side/refrigerant changes with condensation temperature and Gr

微肋管制冷劑側(cè)與水側(cè)熱阻占總熱阻的比值變化如圖9所示，由圖可得：1)在實(shí)驗(yàn)的研究范圍內(nèi)，制冷劑側(cè)熱阻小于水側(cè)熱阻，且管徑越小，兩者的差值越大；2)隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加，水側(cè)熱阻占總熱阻得比值逐漸增加，而制冷劑側(cè)所占比值逐漸減小，達(dá)到一定條件下，影響傳熱阻值的主導(dǎo)因素將發(fā)生轉(zhuǎn)變；3)冷凝溫度越低，水側(cè)熱阻與制冷劑側(cè)熱阻所占總熱阻之間的比值差值越大。這與劉啟斌等[19]采用R123在水平雙側(cè)強(qiáng)化管外池沸騰換熱的研究結(jié)果相吻合。

考慮到換熱器換熱性能的增加一般伴有系統(tǒng)能耗的增加，在選擇換熱器時(shí)，要對(duì)換熱器的換熱能力和流阻特性進(jìn)行綜合考慮，本文采用單位壓降內(nèi)的傳熱系數(shù)hr/Δp這一指標(biāo)來評(píng)價(jià)換熱器綜合性能。

圖10 單位壓降表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨冷凝溫度、質(zhì)量流量的變化Fig.10 Surface heat transfer coefficient per pressure drop changes with condensation temperature and Gr

微肋管hr/Δp隨飽和溫度、質(zhì)量流量的變化如圖10所示，由圖可得：1)在實(shí)驗(yàn)的研究范圍內(nèi)，三種規(guī)格微肋管的hr/Δp隨質(zhì)量流量的增加呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，且管徑越小、飽和溫度越低，這一變化趨勢(shì)越明顯；2)在相同工況下，hr/Δp隨著飽和溫度的降低而增大，且管徑越小其增大的比例越大；3)在特定冷凝溫度、質(zhì)量流量下，管徑越小越大，hr/Δp越大，其中3#微肋管的hr/Δp約是2#微肋管的0.9～1.5倍，2#微肋管的hr/Δp約是1#微肋管的0.8～1.6倍。

綜上所述：飽和溫度、質(zhì)量流量對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、壓降均產(chǎn)生一定影響，但質(zhì)量流量占主導(dǎo)地位。結(jié)合圖10所示，hr/Δp隨質(zhì)量流量的增加呈減小趨勢(shì)說明質(zhì)量流量增加引起的壓降增加比例大于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加比例，hr/Δp呈增大趨勢(shì)則說明質(zhì)量流量增加引起的壓降增加比例小于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加比例。冷凝溫度通過改變制冷劑氣液密度值來影響，通過改變制冷劑黏度來影響壓降，而隨著質(zhì)量流量的增加，冷凝溫度對(duì)hr影響逐漸增大，說明隨著質(zhì)量流量的增加，制冷劑氣液密度值對(duì)換熱器綜合性能的促進(jìn)作用要優(yōu)于因制冷劑黏度引起的阻礙效果。

4 結(jié)論

本文研究了R134a在水平微肋管中的冷凝換熱特性，獲得實(shí)驗(yàn)段中總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K、測(cè)試水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hw、制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hr以及壓降Δp隨制冷劑質(zhì)量流量、冷凝溫度、微肋管的幾何尺寸等因素的變化關(guān)系，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)微肋管進(jìn)行了熱阻分析、綜合性能評(píng)價(jià)，為強(qiáng)化換熱器的研究方向提供了一定的理論依據(jù)。

1)K、hr、Δp均隨質(zhì)量流量的增加而增大，且對(duì)應(yīng)冷凝溫度越低、管徑越小其值越大，其中，2#微肋管hr、Δp分別約為1#微肋管hr、Δp的1.5～3.5倍、1.2～1.5倍，3#微肋管hr、Δp分別約為2#微肋管hr、Δp的1.5～2.5倍、1.2～1.4倍；水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hw隨質(zhì)量流量的增加而稍有降低，冷凝溫度對(duì)其值影響并不大。

2)熱阻分析中，隨制冷劑質(zhì)量流量的增加，水側(cè)熱阻占總熱阻的比值逐漸增加，而制冷劑側(cè)所占比值逐漸減小，但制冷劑側(cè)熱阻總小于水側(cè)熱阻，且冷凝溫度越低，管徑越小，兩者的差值越大。

3)綜合性能評(píng)價(jià)中，三種強(qiáng)化管的hr/Δp均隨質(zhì)量流量的增加呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，并隨著冷凝溫度的降低、管徑的減小，其值逐漸增大；其中在特定冷凝溫度、質(zhì)量流量下，3#微肋管的hr/Δp約為2#微肋管的0.9～1.5倍，2#微肋管的hr/Δp約為1#微肋管的0.8～1.6倍。

本文受上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(13DZ2260900)資助。(The project was provided by the Opening Project of Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering(No.13DZ2260900).)

[1] 吳曉敏,王曉亮.水平微肋管內(nèi)流動(dòng)蒸發(fā)換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào),2003,54(9):1215-1219.(WU Xiaomin, WANG Xiaoliang. Flow evaporation heat transfer and pressure drop in horizontal micro-fin tubes[J]. CIESC Journal,2003,54(9):1215-1219.)

[2] 張定才,劉啟斌,陶文銓.R22在水平雙側(cè)強(qiáng)化管外的凝結(jié)換熱[J].化工學(xué)報(bào),2005,56(10):1865-1868. (ZHANG Dingcai, LIU Qibin, TAO Wenquan. Condensation heat transfer of R22 outside horizontal doubly-enhanced tubes[J]. CIESC Journal,2005,56(10):1865-1868.)

[3] CAREY V P. Liquid-vapor phase-change phenomena[M]. New York: Hemisphere Publishing Corporation,1992.

[4] 賈傳林, 歐陽新萍, 陳建紅, 等.R22和R417A在水平強(qiáng)化管外的凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2009,30(4):31-35. (JIA Chuanlin, OUYANG Xinping, CHEN Jianhong, et al. Experimental investigation on condensation heat transfer of R22 and R417A outside horizontal enhanced tubes[J].Journal of Refrigeration, 2009,30(4):31-35.)

[5] 張定才, 田松娜, 冀文濤, 等. R417A在水平雙側(cè)強(qiáng)化管外沸騰換熱研究[J].制冷學(xué)報(bào),2014,35(3):114-118. (ZHANG Dingcai, TIAN Songna, JI Wentao, et al. Study of boiling heat transfer of R417A on horizontal doubly-enhanced tubes[J].Journal of Refrigeration, 2014,35(3):114-118.)

[6] 歐陽新萍, 袁道安, 張同榮. R404A在水平強(qiáng)化管外的冷凝實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法[J].制冷學(xué)報(bào),2014,35(1):92-97.(OUYANG Xinping, YUAN Dao′an, ZHANG Tongrong. Condensing test of R404A outside horizontal enhanced tubes and method of data processing[J].Journal of Refrigeration, 2014,35(1):92-97.)

[7] 歐陽新萍, 劉超, 林夢(mèng). R404A和R407C在水平強(qiáng)化管外的凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2015,36(4):72-77.(OUYANG Xinping, LIU Chao, LIN Meng. Experimental investigation on condensation heat transfer of R404A and R407C outside horizontal enhanced tubes[J].Journal of Refrigeration, 2015,36(4):72-77.)

[8] 吳志光, 馬虎根, 蔡祖恢. R32/R134a水平內(nèi)螺紋管內(nèi)流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2003,24(1):13-17. (WU Zhiguang, MA Hugen, CAI Zuhui. Experimental study of convective heat transfer of R32/R134a inside horizontal microfin tubes[J].Journal of Refrigeration, 2003,24(1):13-17.)

[9] 周光輝, 張定才. R134a在水平強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2006,27(6):25-28. (ZHOU Guanghui, ZHANG Dingcai. Experimental study on condensation heat transfer of horizontal enhanced tubes for R134a[J].Journal of Refrigeration, 2006,27(6):25-28.)

[10] 張定才,王凱,陶文銓.R134a在水平雙側(cè)強(qiáng)化管外沸騰換熱[J].化工學(xué)報(bào),2007,58(11):2710-2714. (ZHANG Dingcai, WANG Kai, TAO Wenquan. Boiling heat transfer of R134a outside horizontal doubly-enhanced tubes[J]. CIESC Journal,2007,58(11):2710-2714.)

[11] JATUPORN K, KITTIPONG S, SOMCHAI W. Flow boiling heat transfer of R134a in the multiport minichannel heat exchangers[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2011,35(2):364-374.

[12] KITTIPONG S, JATUPORN K, AHMET S D. Condensation heat transfer characteristics of R-134a flowing inside the multiport minichannels[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2013,64: 976-985.

[13] AL-HAJERI M H, KOLUIB A M, MOSAAD M, et al. Heat transfer performance during condensation of R-134a inside helicoidal tubes[J].Energy Conversion and Management,2007, 48(8):2309-2315.

[14] KITTIPONG S, SOMCHAI W. Pressure drop during condensation of R134a flowing inside a multiport minichannel[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014,75:31-39.

[15] JR G G, OLIVEIRA J L G, PASSOS J C. Pressure drop during condensation of R-134a inside parallel microchannels[J].International Journal of Refrigeration,2015,56:114-125.

[16] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社,2006:246-247. (YANG Shimin, TAO Wenquan. Heat Transfer[M].4th ed.Beijing: Higher Education Press, 2006:246-247.)

[17] LI Minxia, DANG Chaobin, EIJI HIHARA, et al. Flow boiling heat transfer of HFO1234yf and R32 refrigerant mixtures in a smooth horizontal tube: Part1.Experimental investigation[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012,55(13/14):3437-3446.

[18] GNIELINSKI V. New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow[J].International Journal of Chemical Engineering,1976,16:359-368.

[19] 劉啟斌，何雅玲，張定才.R123 在水平雙側(cè)強(qiáng)化管外池沸騰換熱[J].化工學(xué)報(bào),2006,57(2):251-257. (LIU Qibin, HE Yaling, ZHANG Dingcai. Boiling heat transfer of R123 outside single horizontal oubly-enhanced tubes[J]. CIESC Journal,2006,57(2):251-257.)