一种单管强化传热的新型测试装置
搭建一种单管强化传热的新型测试装置，能应用于干式蒸发、管内冷凝、管外蒸发和管外冷凝。分析了9.52mm，长度为3.4m 的内螺纹铜管在蒸发温度分别是5℃和10℃，冷凝温度分别是35℃和40℃时，制冷剂R22、R410A 的传热系数，结合实验原理，说明本装置可以完成对不同制冷剂的单管传热性能的测试，为高效换热管的开发提供依据。
1、引言
空调和制冷行业对各种管的有相变的强化传热技术研究已有几十年了，同时也取得了成就和积累了经验。强化传热意味着提高热量传递效率、减少换热器的体积，从而减少空调和制冷设备的能耗，增加设备的经济效益。对传统的换热器采用局部强化措施，就是各种高效传热管(如螺旋槽纹管、横纹管、波纹管、缩放管、翅片管及各管内插入物等)取代原来的普通金属光滑管，则既可以节约金属管材和降低设备费用，又能显著地提高热能利用效率，降低能耗。在各种换热设备中，特别是管式换热器，单管的管内或管外蒸发和冷凝直接影响到换热效果，不同的制冷剂在同种强化管的换热效果是不同的，同种制冷剂在不同的强化管中换热效果也是不一样的。基于以上的问题，国内外企业开始研究设计如何测试单管的换热性能，搭建了各种试验装置，常见的有带有压缩机的单管测试系统，由压缩机提供动力进行循环； 也有双桶结构的测试系统，上桶为冷凝容器，下桶是蒸发容器，制冷剂冷凝后由于重力的作用直接降落到蒸发桶中，蒸发后的制冷剂气体上升到冷凝桶中冷凝。但是带有压缩机的单管试验装置不能满足于多种制冷剂，双桶结构的测试装置只用于满液式蒸发和管外冷凝，当测试单管为管内冷凝或蒸发时，系统无法测试。由此可见，设计和搭建单管管内和管外蒸发、冷凝集一体的装置是非常必要的。
2、试验装置和方法
2.1、试验装置
为了研究各种高效强化管，自行设计了满足单管管内和管外的蒸发、冷凝测试的试验装置。试验装置是一个集单管管内和管外蒸发、冷凝测试的变工质、变流量、变管径多功能试验台。在过去的换热研究中，很少有把蒸发和冷凝放在同一台试验设备上的设计，本试验装置不但节约了搭建试验台的成本，而且还可以减小由于采用不同的系统产生的误差。试验系统采用隔膜泵为制冷剂的循环动力，这样不仅可以使系统适用多种不同的制冷剂，而且还可以避免由于采用压缩机产生的润滑油对试验结果准确性的影响。
整个测试试验装置分为制冷工质循环系统、试验前热水循环系统、试验段水循环系统、冷冻水系统和测控系统等。试验装置的系统原理如图1所示。
图1 系统原理示意
制冷剂循环系统由储液器、制冷剂泵(隔膜泵) 、蒸发换热器4、加热器H2、电子膨胀阀EXV、冷凝换热器2、质量流量计G 组成。当试验段蒸发试验时，蒸发换热器4 不工作，由储液器出来的制冷剂液体，经制冷剂泵增压后，在加热器H2 中调节过冷度，经电子膨胀阀节流减压，进入试验段进行单管蒸发试验，蒸发后的制冷剂气体在冷凝换热器2 中冷却成液体回到储液器中； 当试验段冷凝试验时，冷凝换热器2 不工作，经制冷剂泵增压后，在蒸发换热器4 中被加热蒸发成制冷剂气体，加热器可以调节制冷剂气体的过热度，进入试验段进行单管冷凝试验，冷凝成制冷剂液体后回到储液器中。
由蒸发换热器4、水泵b2 和加热器H1 组成的试验前热水循环系统。试验段水循环系统是由电磁流量计G2、水水换热器1、加热器H3和水泵b3 组成。为了对水的温度进行恒温处理，消除换热误差波动，加热器H3做成恒温水箱，保证了试验段水入口处的温度恒定。冷冻水系统是由冷水机组、水泵b4、储液器、三通阀V3、冷凝换热器2等组成。为了保证制冷剂在低温的工况下测试，冷源由一组水冷冷水机组提供- 10℃ ～ 25℃可调节的恒温冷冻水。
2.2、试验段的换热方式
试验管段两端分别装有截止阀，方便更换不同的强化管，当进行管内蒸发冷凝时，试验段是套管式，强化管内是制冷剂，管外是水，为了使强化管的换热充分，选择外管的管径时要保证套管内的水处于湍流的状态； 当进行管外蒸发、冷凝即满液式蒸发、冷凝试验时，试验段是管壳式，为了保证强化管能完全浸在制冷剂中，外壳的选型要合理。
5、结论与讨论
本文搭建的基于泵驱动制冷剂循环的单管管内和管外蒸发、冷凝集一体的试验装置，能够进行不同制冷剂、变质量流量、变管径的管内、管外蒸发和冷凝试验。在试验的初级阶段，本文只分析了管内蒸发和冷凝试验，更多的管外蒸发和冷凝试验还待继续研究。
5.1、试验数据的分析和结论
在蒸发工况下，管内传热系数与制冷剂质量流量呈下凸的抛物线关系，变化率逐渐增大； 冷凝工况下，测试管的管内传热系数随制冷剂的质量流量的增大而增大。在蒸发和冷凝工况下，通过管内传热系数比较发现，R22明显高于R410A； 测试段流动阻力分析，在相同的质量流量下，R22的压降大于R410A，且随着质量流量的增大而逐步增大。管内传热系数曲线变化趋势相同，说明了试验管在温度变化时换热性能的稳定性；
5.2、试验装置的特点
自主设计的试验台装置主要有以下特点：
(1) 隔膜泵驱动的试验装置。在制冷和空调行业中，蒸发和冷凝试验装置一般都是基于压缩机驱动制冷剂循环，要进行不同的制冷剂试验时，则需要更换不同的压缩机，并且制冷回路中含有大量的润滑油，使得传热管的换热系数有一定的不确定因数。试验装置采用基于隔膜泵驱动制冷剂循环，无需更换隔膜泵即可以满足多种不同制冷剂的试验要求，同时可以避免油对试验的影响。
(2) 集单管蒸发、冷凝一体化。试验装置是一个集单管管内和管外蒸发、冷凝测试的变工质、变流量多功能试验台。设计把蒸发和冷凝放在同一台试验装置上，这样不但节约了搭建试验台的成本，而且还可以减小由于采用不同的系统产生的误差。
