不同管径内螺纹铜管蒸发换热系数与压力损失的实验研究

李望

摘 要：文章针对三种不同外径的内螺纹铜管，在空调工况下开展流动换热实验研究，以获得平均蒸发换热系数和压降性能。实验选用的制冷工质为新型环保制冷剂R410A。实验的工况条件为：制冷工质蒸发饱和温度为6℃±0.2℃，蒸发段入口处制冷工质干度为25%，蒸发段出口处制冷工质过热度为8℃±0.2℃。质量流速为200kg/m2.s～550kg/m2.s。基于实验结果，比较了不同外径内螺纹管的平均蒸发与冷凝换热系数和压降，为新产品设计提供参考数据。

关键词：不同外径;内螺纹铜管;换热系数;压力损失

中图分类号：TB657.2;TK124文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）06-003-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.06.002

能源的儲量日益减少，工业发展和居民生活对能源的需求却一直在提高，人们在不断寻找替代能源的同时，也在努力发展科学技术，不断提高能源的利用效率。研发人员都在探索不同的换热结构以提高能源利用效率，这也被证明是提高能源利用效率的重要手段之一，属于强化传热范畴。该研究中，针对Φ5mm、Φ6.35mm和Φ7mm三种不同外径的内螺纹铜管，应用冷媒R410A进行了平均蒸发和压力损失的实验研究，为新管型的研发提供参考。

1 实验研究

1.1 实验台组成

该实验台是压缩制冷循环实验台，包括三个部分：制冷剂回路、水回路及数据采集系统。

在换热方式上采用套管式，即制冷剂在实验管内部流动，冷却水在外侧环形水套中流动，二者逆向流动换热。

1.2 制冷剂回路

实验装置采用压缩制冷系统，即高温高压的制冷剂蒸汽从变频压缩机排气口排出;之后通过油分离器分离，然后经过预热器被加热到一定的温度;随后进入冷凝实验段，通过与外侧水套中的冷凝水换热而冷凝;之后过冷液进入储液罐，从储液罐出来的制冷剂通过干燥过滤器，随后进入质量流量计，此处可以测得制冷剂流量。然后进入电子膨胀阀形成气液两相的制冷剂，随后进入蒸发实验段，通过与管外水套蒸发进行换热，成为具有一定过热度的蒸汽，之后过热蒸汽进入压缩机完成制冷剂循环。

1.3 水回路

实验装置的水回路包括冷凝水回路和蒸发水回路。两个水回路均包括恒温水浴、水泵、电磁流量计、调节阀、实验段水套及连接管路等。实验段水回路循环过程：水从水泵泵出后，进入实验段水套与实验管中的制冷剂换热，回路上接有电磁流量计可测得水流量。恒温水浴由水箱外接压缩机与板式换热器，与空气进行换热维持。

在文章开展的实验研究中，实验台使用的温度传感器均为高精度PT100铂电阻。温度传感器的安装采用铠装方式，分别使用德国科隆的质量流量计和日本横河的电磁流量计来测量制冷剂工质和冷凝水的流量，所有使用的流量计误差均在0.2%以内，压力传感器误差均在0.25%以内。数据采集系统采用国外进口的安捷伦数据采集系统，可以记录到小数点后三位。

制冷剂回路中针对制冷剂各量的测量，是用来计算制冷剂的平均换热系数及压降数据。实验管进出口处布置温度传感器、压力传感器、压差传感器，测得制冷剂进入实验管道及流出实验管道的温度、进口压力、制冷剂前后的压差。制冷剂流出实验管道后，流过高精度的质量流量计测得流量。

1.4 数据处理

文章采用威尔逊热阻分离法[1]来获得整个实验管内的平均对流换热系数，即通过热阻分离来间接计算一定工况条件下，制冷剂的平均对流换热系数。

文章所用水和制冷剂的物性均由Refprop软件直接调用获得。

2 实验结果

不同内径管内蒸发换热系数和压力损失随质量流量变化曲线如图1所示。

3 实验结果的不确定度评定

在该实验台的参数测量中，主要包括冷凝剂制冷剂进出口温度和冷凝水进出口温度，制冷剂进口压力及进出口压差，制冷剂流量测量和冷凝水流量测量。水侧和冷媒侧的换热量偏差≤5%时，才被认为是合格有效数据。

文章实验参数中的温度、压力和水侧以及冷媒侧的流量参数是实测得到，总换热量和总换热系数是通过以上参数计算得出。管外换热系数和管壁热阻是通过国际公认的经验公式计算得出，因此，文章仅对一组冷凝实验的总换热量和综合换热系数，进行B类不确定度评定。经计算，总传热系数的相对不确定度为2.8%。

4 结语

通过分析三根不同管径的内螺纹铜管的蒸发换热实验数据，可以得出以下结论：

对于工质R410A，三根管子的蒸发换热系数随质量流速的增大而增加。

对于工质R410A，三根管子的蒸发压力损失随质量流速的增大而增加。

三根管子中，同样的质量流速下，管径越大换热系数也越大。

三根管子中，同样的质量流速下，管径越大压力损失越小。

参考文献

[1] Wellsandt S，Vamling L.Evaporation of R407C and R410A in a horizontal herringbone microfin tube：heat transfer and pressure drop[J].International journal of refrigeration，2005，28（6）：901-911.