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摘 要：文章针对一种异型内螺纹管型和一种常规内螺纹管，在空调工况下开展流动换热实验研究，以获得平均冷凝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℃。制冷工质冷凝饱和温度为45℃±0.2℃，冷凝段入口处制冷工质过热度为20℃±0.5℃，冷凝段出口处制冷工质过冷度为5℃±0.2℃。质量流速为250kg/m2·s～450kg/m2·s。基于实验结果，文章比较了异型内螺纹管与常规内螺纹管的平均蒸发与冷凝换热系数和压降，并获得一些结论。
关键词：蒸发;冷凝;内螺纹管;强化传热
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）05-011-04
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.006
能源的储量日益减少，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，属于强化传热的范畴。本研究中，针对同为外径7.00mm的一种异型内螺纹管与一种常规内螺纹管，实拍图片如图1所示。应用冷媒R410A进行了平均蒸发和冷凝换热系数和压降性能的实验研究，为新管型的研发提供参考。
1 实验研究
1.1 实验台组成
本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，以下分三部分介绍实验装置。
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，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，需要采集介质的温度、压力、压力损失及流量等四个方面的数据。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，便于拆卸。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。
制冷剂回路中的参数测量，主要是针对制冷剂各量的测量，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，测得制冷剂进入实验管道及流出实验管道的温度。实验管道入口处布置压力传感器，测得制冷剂进口压力。进出口处布置压差传感器，测得制冷剂前后的压差。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]获得整个实验管内的平均对流换热系数，不需要直接测量制冷剂的温度，而是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。
1.4.1 传热系数的计算
式中：
K-测试管的传热系数，单位为瓦每平方米开尔文（W/（m2·K））;
?t-对数平均温差，单位为开尔文（K）;
Q-总换热量单位为瓦（W）;当热平衡误差在5%以内时，Q=（Qw+Qr）/2，Qw=cp*M*|tin-tout|，其中cp为水的定压比热。
當水温在0～230℃时，cp=4.179×103+7.9×10-5×（t-10）2.9。
Qr=m?h，其中，m为冷媒的流量，?h为冷媒的进出口焓差，可从NIST物性表查询。
1.4.2 水侧换热系数的计算
式中：
hw-水侧的换热系数，单位为瓦每平方米开尔文（W/（m2·K））;
d-当量直径，单位为米（m）;
λt-某温度下水的导热系数，单位为瓦每米开尔文（W/（m2·K））;可从NIST物性表查询;
Re-雷诺数;无纲量数。
Pr-普朗特数;无纲量数。
n-冷凝时n=0.4，蒸发时n=0.3，试验时需保证Re≥10 000。
1.4.3 管内壁面表面换热系数的计算
式中：
h-测试管的管内壁面表面换热系数，单位为瓦每平方米开尔文（W/（m2·K））;
Dwi-水套内径，单位为米（m）;
Dro-测试管的外径，单位为米（m）;
λt=398，单位为瓦每米开尔文（W/（m2·K））。
1.4.4 Re数
实验过程中，要保证Re>10 000，紊流状态，可通过调节水的流量来满足。为了保证实验结果，实验要求工况稳定，并保证合适的雷诺数和热平衡系数。 Dw为冷凝水套当量内径，可由水套内径Dwi，内螺纹管外径Dro计算得到。Vw为水的体积流量，由质量流量计测得。Acw为冷凝水侧通流面积，Vw为水的动力粘度，由R410A物性参数得到。式中tw为定性温度。twi，two为水出入口水的温度。
1.4.5 热平衡系数的计算
理论上讲，热平衡系数应为0，即冷凝水侧和制冷剂制冷剂侧的换热量相等，但是由于热损失及其他可能引起误差的因素存在，热平衡系数不为0。
为了保证实验数据的准确性，需要对热平衡系数进行计算。根据换热器的设计标准，可供使用的实验数据，必须保证热平衡误差在±5%以内。只有满足热平衡误差在±5%内的数据，才会被采集并用于计算。
如下列公式所示，Qr为制冷剂侧换热量，通过制冷剂出、入口比焓hro，hri可以计算得到。比焓可以由进、出口的温度、压力数据，通过Refprop软件直接调用。Qw为水侧的换热量，可以通过电磁流量计测得水的质量流量Gr，再测得进、出口水温twi，two，即可计算并获得热平衡系数HB。
2 实验结果及分析
2.1 管内平均换热系数分析
图2分别是两组内螺纹管的平均蒸发换热系数与制冷剂工质质量流速之间的关系，内螺纹管冷凝换热系数与制冷剂工质质量流速之间的关系。从图中可以看出，对于两种内螺纹管，随着制冷剂工质质量流速的增大，工质侧平均蒸发换热系数和平均冷凝换热系数都增大。从图中可以得知，在制冷剂质量流速250kg/m2·s～450kg/m2·s范围内，质量流速相同时，异型齿的平均蒸发和冷凝换热系数均高于常规齿，蒸发管内换热系数的提升基本在8%左右，冷凝管内换热系数的提升基本在4%左右。考虑到实验误差，此冷凝异型管可以认为与此冷凝常规管的管内换热系数持平。分析比较两种管子的微肋齿形可以看出，前者齿高比后者变化更多，对于蒸发过程，增多的气化核心数，从而蒸发换热过程得以强化，换热能力增强，具体表现就是管内换热系数提高。对于冷凝过程，多变的齿型曲面强化了对工质的扰动作用，增大了湍流度，提高了换热性能，使得平均冷凝换热系数也有提升，只是提升幅度小于蒸发提升幅度。
2.2 管内流动阻力分析
两种管子的压降实验结果如图3所示。由图可见，随着工质质量流速的增加，蒸发段和冷凝段的阻力损失均有所增加。这是由于水平管内蒸发和冷凝阻力损失包括摩擦阻力损失和动量变化引起的阻力损失两部分，相对于前者，后者数值非常小，因此可以认为管内蒸发和冷凝的阻力损失即为摩擦阻力损失。随着工质质量流速的增加，气相和液相流速随之增加，摩擦阻力损失增加，因此试验段阻力损失增加。图中可以看出，一定工况条件下，相同的工质质量流速下，这2种管子的蒸发和冷凝压力损失与对应的常规齿的压损相差并不大，可以认为此种异型微肋齿对压力损失的影响很小，可以近似看作压力损失持平。
2.3 单位压降平均冷凝对流换热系数
在水平管内冷凝换热过程中，管内压力损失同样会引起沿程饱和温度发生变化。水平管内蒸发和冷凝换热的综合性能，不仅受平均蒸发和冷凝对流换热系数的影响，压降也是一个重要因素。因此，内螺纹管齿型参数的设计需要考虑。
2.4 实验结果的不确定度评定
在本实验台的参数测量中，主要包括以下四个方面：温度、压力、压降及流量。其中，温度测量包括制冷剂进出口温度和水进出口温度，压力测量包括制冷剂进口压力及进出口压差，流量测量包括制冷剂流量测量和水流量测量。水侧和冷媒侧的换热量偏差≤5%时，才被认为合格有效数据。
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通过以上参数计算得出。管外换热系数和管壁热阻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。以水侧换热量为例。
2.4.1 水流量的不确定度
實验过程中水流量的测量采用日本横河牌电磁流量计测量，精度为读数的0.2%。
本组冷凝实验，水流量读数为7.79L/min，不确定度为：
2.4.2 温度测量的不确定度评定
本实验系统中，温度的测量采用高精度PT100铂热电阻，不确定度为0.1℃。u（温度）=0.1℃。
2.4.3 水侧换热量的不确定度评定
3 结语
通过对不同管型的蒸发和冷凝换热系数的实验数据分析，可以得出以下结论：对于两种管型，工质为R410A时，冷凝换热系数随质量流速的增大而增加。由于异型管对于工质的扰动作用更强、气化核心数更多、湍流度更大，使得换热效果得以有效提升，特别是蒸发换热系数提升得更多。随着工质质量流速的增大，两种内螺纹管的压降均增加，但两者相差不大。通过对比分析，文中异型齿的综合换热能力较好。
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.
关键词：蒸发;冷凝;内螺纹管;强化传热
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）05-011-04
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.006
能源的储量日益减少，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，属于强化传热的范畴。本研究中，针对同为外径7.00mm的一种异型内螺纹管与一种常规内螺纹管，实拍图片如图1所示。应用冷媒R410A进行了平均蒸发和冷凝换热系数和压降性能的实验研究，为新管型的研发提供参考。
1 实验研究
1.1 实验台组成
本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，以下分三部分介绍实验装置。
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，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，需要采集介质的温度、压力、压力损失及流量等四个方面的数据。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，便于拆卸。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。
制冷剂回路中的参数测量，主要是针对制冷剂各量的测量，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，测得制冷剂进入实验管道及流出实验管道的温度。实验管道入口处布置压力传感器，测得制冷剂进口压力。进出口处布置压差传感器，测得制冷剂前后的压差。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]获得整个实验管内的平均对流换热系数，不需要直接测量制冷剂的温度，而是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。
1.4.1 传热系数的计算
式中：
K-测试管的传热系数，单位为瓦每平方米开尔文（W/（m2·K））;
?t-对数平均温差，单位为开尔文（K）;
Q-总换热量单位为瓦（W）;当热平衡误差在5%以内时，Q=（Qw+Qr）/2，Qw=cp*M*|tin-tout|，其中cp为水的定压比热。
當水温在0～230℃时，cp=4.179×103+7.9×10-5×（t-10）2.9。
Qr=m?h，其中，m为冷媒的流量，?h为冷媒的进出口焓差，可从NIST物性表查询。
1.4.2 水侧换热系数的计算
式中：
hw-水侧的换热系数，单位为瓦每平方米开尔文（W/（m2·K））;
d-当量直径，单位为米（m）;
λt-某温度下水的导热系数，单位为瓦每米开尔文（W/（m2·K））;可从NIST物性表查询;
Re-雷诺数;无纲量数。
Pr-普朗特数;无纲量数。
n-冷凝时n=0.4，蒸发时n=0.3，试验时需保证Re≥10 000。
1.4.3 管内壁面表面换热系数的计算
式中：
h-测试管的管内壁面表面换热系数，单位为瓦每平方米开尔文（W/（m2·K））;
Dwi-水套内径，单位为米（m）;
Dro-测试管的外径，单位为米（m）;
λt=398，单位为瓦每米开尔文（W/（m2·K））。
1.4.4 Re数
实验过程中，要保证Re>10 000，紊流状态，可通过调节水的流量来满足。为了保证实验结果，实验要求工况稳定，并保证合适的雷诺数和热平衡系数。 Dw为冷凝水套当量内径，可由水套内径Dwi，内螺纹管外径Dro计算得到。Vw为水的体积流量，由质量流量计测得。Acw为冷凝水侧通流面积，Vw为水的动力粘度，由R410A物性参数得到。式中tw为定性温度。twi，two为水出入口水的温度。
1.4.5 热平衡系数的计算
理论上讲，热平衡系数应为0，即冷凝水侧和制冷剂制冷剂侧的换热量相等，但是由于热损失及其他可能引起误差的因素存在，热平衡系数不为0。
为了保证实验数据的准确性，需要对热平衡系数进行计算。根据换热器的设计标准，可供使用的实验数据，必须保证热平衡误差在±5%以内。只有满足热平衡误差在±5%内的数据，才会被采集并用于计算。
如下列公式所示，Qr为制冷剂侧换热量，通过制冷剂出、入口比焓hro，hri可以计算得到。比焓可以由进、出口的温度、压力数据，通过Refprop软件直接调用。Qw为水侧的换热量，可以通过电磁流量计测得水的质量流量Gr，再测得进、出口水温twi，two，即可计算并获得热平衡系数HB。
2 实验结果及分析
2.1 管内平均换热系数分析
图2分别是两组内螺纹管的平均蒸发换热系数与制冷剂工质质量流速之间的关系，内螺纹管冷凝换热系数与制冷剂工质质量流速之间的关系。从图中可以看出，对于两种内螺纹管，随着制冷剂工质质量流速的增大，工质侧平均蒸发换热系数和平均冷凝换热系数都增大。从图中可以得知，在制冷剂质量流速250kg/m2·s～450kg/m2·s范围内，质量流速相同时，异型齿的平均蒸发和冷凝换热系数均高于常规齿，蒸发管内换热系数的提升基本在8%左右，冷凝管内换热系数的提升基本在4%左右。考虑到实验误差，此冷凝异型管可以认为与此冷凝常规管的管内换热系数持平。分析比较两种管子的微肋齿形可以看出，前者齿高比后者变化更多，对于蒸发过程，增多的气化核心数，从而蒸发换热过程得以强化，换热能力增强，具体表现就是管内换热系数提高。对于冷凝过程，多变的齿型曲面强化了对工质的扰动作用，增大了湍流度，提高了换热性能，使得平均冷凝换热系数也有提升，只是提升幅度小于蒸发提升幅度。
2.2 管内流动阻力分析
两种管子的压降实验结果如图3所示。由图可见，随着工质质量流速的增加，蒸发段和冷凝段的阻力损失均有所增加。这是由于水平管内蒸发和冷凝阻力损失包括摩擦阻力损失和动量变化引起的阻力损失两部分，相对于前者，后者数值非常小，因此可以认为管内蒸发和冷凝的阻力损失即为摩擦阻力损失。随着工质质量流速的增加，气相和液相流速随之增加，摩擦阻力损失增加，因此试验段阻力损失增加。图中可以看出，一定工况条件下，相同的工质质量流速下，这2种管子的蒸发和冷凝压力损失与对应的常规齿的压损相差并不大，可以认为此种异型微肋齿对压力损失的影响很小，可以近似看作压力损失持平。
2.3 单位压降平均冷凝对流换热系数
在水平管内冷凝换热过程中，管内压力损失同样会引起沿程饱和温度发生变化。水平管内蒸发和冷凝换热的综合性能，不仅受平均蒸发和冷凝对流换热系数的影响，压降也是一个重要因素。因此，内螺纹管齿型参数的设计需要考虑。
2.4 实验结果的不确定度评定
在本实验台的参数测量中，主要包括以下四个方面：温度、压力、压降及流量。其中，温度测量包括制冷剂进出口温度和水进出口温度，压力测量包括制冷剂进口压力及进出口压差，流量测量包括制冷剂流量测量和水流量测量。水侧和冷媒侧的换热量偏差≤5%时，才被认为合格有效数据。
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通过以上参数计算得出。管外换热系数和管壁热阻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。以水侧换热量为例。
2.4.1 水流量的不确定度
實验过程中水流量的测量采用日本横河牌电磁流量计测量，精度为读数的0.2%。
本组冷凝实验，水流量读数为7.79L/min，不确定度为：
2.4.2 温度测量的不确定度评定
本实验系统中，温度的测量采用高精度PT100铂热电阻，不确定度为0.1℃。u（温度）=0.1℃。
2.4.3 水侧换热量的不确定度评定
3 结语
通过对不同管型的蒸发和冷凝换热系数的实验数据分析，可以得出以下结论：对于两种管型，工质为R410A时，冷凝换热系数随质量流速的增大而增加。由于异型管对于工质的扰动作用更强、气化核心数更多、湍流度更大，使得换热效果得以有效提升，特别是蒸发换热系数提升得更多。随着工质质量流速的增大，两种内螺纹管的压降均增加，但两者相差不大。通过对比分析，文中异型齿的综合换热能力较好。
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.