高效换热管中R22传热特性的试验研究与分析

换热量为

其中G为制冷剂质量流量〔kg／s〕。
水侧换热量为

其中，G_w为水的质量流量〔kg／s〕，C_p为水的比热容〔kJ／kg^.℃〕，Δt为水的进出口温差（℃）。入稳判据为

其中，(Q_r＋Q_w）／2＝Q_ave为平均换热量。这样，换热管的传热系数为

其中，F为传热面积(m²）；以未加工微翅前的管径计算，Δt_m＝｜t_w，ave－t_r｜，它为制冷剂和水的传热温差；t_w，ave为水侧平均温度，t_r为制冷剂饱和温度(做蒸发实验时为蒸发温度，做冷凝实验时为冷凝温度)。

3 实验结果及讨论
3.1 冷凝传热特性
在不同的流速下进行冷凝实验，冷凝温度控制在38℃左右。分别获得了同种冷凝温度下不同过热温度t_h（t_h＝70℃和90℃)的各14组和7组有效的实验数据(见表2)，经过数据整理后得到传热系数随水的流速变化曲线，如图3所示。

表2 R22冷凝实验数据

图3 19×2.2外微翅铜管外R22冷凝实验k—v、ΔP—q关系曲线
＋ k—v曲线(t_h＝70℃)，＋ k—v曲线(t_h＝90℃)，
□ dP—q曲线(t_h＝70℃），■ dP—q曲线（t_h＝90℃)

由实验结果可见，该换热器的换热系数较高，一般在6000W／（m^2.K）左右，在相同条件下比平滑管高出一倍左右。这一方面是由于冷凝实验是在管外进行的，有利于气体的冷凝，强化了换热作用；另一方面，换热面积的增大，也使换热过程增强。有关与光滑管换热性能的比较可以参考本文第4部分内容。另外，由该图可见，过热温度为90℃时的换热系数较70℃时高，这说明换热系数还与过热温度有关；但在同一流速下换热系数的差距并不大。
图3给出了有关阻力特性的实验数据，结果表明，该实验管的阻力损失不很大，但由于实验段长度较短(有较长度l_y仅1.1m)，实测压降的绝对值不大，数据有一定的分散，尚难给出其随速度变化的确切规律。
3.2 蒸发传热特性
在不同的水流速度下进行蒸发实验，蒸发温度控制在－1℃左右。最后得到了10组有效的实验数据(见表3)，经过整理后得到传热系数随水流速度变化的关系曲线，如图4所示。

表3 R22蒸发实验数据

图4 Φ16×1.1内螺纹铜管内R22蒸发实验k—v、dP—q关系曲线
△ k-v曲线，□ dP—q曲线

由实验结果可见，该换热器的换热系数较低，一般在2000〔W／m^2.K〕左右，在相同条件下甚至比一些平滑管还低。经对换热管进行仔细的观察，发现该换热管的管内螺纹不明显，且不尖锐，难以形成有效的强化沸腾核心，也就难以起到强化换热作用。

4 与有关实验的比较
为了更清楚地了解这些试件的换热性能，将我们的实测结果与前人的工作进行了一些比较。
由于R22的冷凝实验是在管外进行的，而一般R22的冷凝实验是在管内进行的，且未见有关R22管外冷凝的实验报道，故选择了R11管外冷凝和R22管内冷凝两种实验进行对比。R L Webb等人对外微翅铜管做了R11的管外冷凝换热实验(冷凝温度t₀＝37.8℃）^［2］，其冷凝换热管管径Φ16.3×1.0，管段有效长度l_y＝0.305m，换热管材料为黄铜，换热管外每米有1024个外微翅，翅高2.6mm。制冷剂雷诺数控制在200—500，其换热系数是按制冷剂侧计算的。实验结果如图5所示。L M Schlager等人对平滑管和内微翅铜管做了R22的管内冷凝换热实验(冷凝温度t₀＝41℃）^［3］，其冷凝换热管管径Φ9.52×0.76，管段有效长度l_y＝3.67m，换热管材料为黄铜，换热管外一周有60—70个微翅，翅高0.1—0.2mm。制冷剂质量流量控制在125—400〔kg／m^2.s〕，换热系数是按平均换热系数计算的，实验结果如图6所示。

图5 Φ16.3×1.0内微翅铜管内R11
冷凝实验k—(T_sat－T_W）图(R11，T_sat＝37.8℃)

图6 Φ9.52×0.76铜管内R22冷凝实验k—m图
□内微翅铜管，■光滑管

考虑实验管段的长度和实验条件不同等因素，用图3中的实验结果与以上结果进行比较可以发现，图3中换热系数范围已达到或超过图6中R22在强化管中的结果，而图6中强化管在相同条件下的换热系数是平滑管的2倍左右；在翅高没有图5中强化管显著的情况下，图3中换热系数范围也已接近R11，而在相同条件下对于平滑管中的冷凝换热系数R11远远高于R22。这些都说明该强化管的强化效果十分明显。
L M Chamra等人对平滑管和内微翅铜管(见表4)做了R22的管内干式蒸发实验(蒸发温度t₀＝2.2℃)^［4］。该蒸发换热管管径Φ15.88×0.5，管段有效长度l_y＝2.44m，换热管材料为黄铜，换热管内一周有74—84个微翅，翅高0.35mm。制冷剂质量流量控制在45—181kg／h，换热系数按平均换热系数计算，实验结果如图7所示。

表4 微翅铜管数据表

图7 MX^TM螺旋内微翅铜管内R22蒸发实验k—m图
● MX^TM—15(74翅)○ MX^TM—17(78翅)
△ MX^TM—20(76翅)◇ MX^TM—27(74翅)□ Plain

L M Schlager等人对平滑管和内微翅铜管做了R22的管内干式蒸发实验(蒸发温度t₀＝3℃)^［3］。该蒸发换热管管径Φ9.52×0.76，管段有效长度l_y＝3.67m，换热管材料为黄铜，换热管外一周有60—70个微翅，翅高0.1—0.2mm。制冷剂质量流量控制在125—400kg／（m^2.s）。其换热系数按平均换热系数计算，实验结果如图8所示。

图8 Φ9.52×0.76铜管内R22蒸发实验k—m图
□微翅铜管，■光滑管

上述结果表明，采用内微翅铜管作为蒸发管时，其换热强化的效果较明显，但本文报道的蒸发管实验，其换热强化效果较之不明显。

5 结束语
在相同条件下，以耐腐蚀铜合金制作的高效强化换热管与光滑管相比，作为凝冷管时前者的换热系数比后者可以提高1倍以上；作为蒸发器使用时，该强化换热管的管内螺纹不明显且不尖锐，强化传热效果不明显。
目前R22还是大多数空调、热泵机组的首选工质，强化传热的研究具有重要的现实意义，尤其是耐海水腐蚀的铜合金材料高效强化换热管的研究更具积极意义。

作者单位：东南大学动力工程系,南京 210096

参考文献

1 赵开涛，张小松等.换热实验台制冷剂供应系统的研究.东南大学学报，1998 28卷(增刊)：29—33
2 R L Webb，C G Muraski.Row effect for R-11 condensation on enhanced tubes.Trans.ASME.J.Heat Transfer，1990，112：768－776
3 L M Schlager，M B Pate and A E Bergles.Evaporation and condensation of refrigeration-oil mixtures in a smooth and a micro-fin tube.ASHRAE Transactions，1988，3121：149－166
4 L M Chamra，R L Webb and M R Randlett.Advanced micro-fin tubes for evaporation.Int.J.Heat Mass Transfer，1996，39，（9）：1827－1838