高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器熱力性能實驗研究

鐘天明，白浩賢，丁力行，陳姝，李浩堃，謝宇，周廣

（仲愷農業(yè)工程學院機電工程學院，廣州，510225）

0 引言

管翅式蒸發(fā)器廣泛應用于各種制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)中，是系統(tǒng)中進行能量傳遞的關鍵部件，因此其熱力性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的效率有重要影響［1,］。

學者們對管翅式蒸發(fā)器的綜合性能進行了廣泛的研究，張?zhí)鞁傻龋?］構建了新型多孔結構內表面強化管，探究表面結構對豎管降膜流動特性的影響，當Re達到4200時，強化管的平均降膜波動強度較光管高出約8%。劉馨等［3］模擬研究了R1234yf在套管式蒸發(fā)器的傳熱特性，結果表明，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨著干度的增加，先升高后降低，并在干度約為0.7 時達到峰值。

鐘天明等［4］基于經(jīng)典管內沸騰理論，根據(jù)換熱流體在高干度區(qū)域（約0.7 ～0.9）可大幅度提高換熱效率的現(xiàn)象，提出高效蒸發(fā)流型全域構建機制以及高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器。新型高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器的熱力性能尚未獲得深入研究。本文采用實驗手段對建造的高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器進行傳熱特性以及壓降特性研究，并利用綜合性能指標獲得新型蒸發(fā)器熱力性能的綜合評價。

1 實驗

1.1 兩種蒸發(fā)器

圖1是新型高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器（efficient flow-pattern global-construction evaporator，EFGE）。高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器由翅片管排和一對集液聯(lián)箱構成，翅片管與兩端集液管連通。聯(lián)箱在前后管程交接處的聯(lián)箱中設置一隔板組，兩側聯(lián)箱共設置10組隔板，蒸發(fā)器被分成11個管程，其中1-9管程的隔板組由開孔隔板和盲隔板構成，配合應用，而10-11管程的隔板則只有盲板（干度已很高，不再需要分流），其中沿聯(lián)箱流動軸向，開孔隔板設置在盲隔板的前面，而且兩隔板間設置換熱管。其中開孔隔板，稱作分流器，分流器小孔的孔徑為3 mm～5.0mm。通過9組分流器在蒸發(fā)器全干度域進行高效蒸發(fā)流型全域構建，從而有效強化低干度流蒸發(fā)效率，使得整個蒸發(fā)過程均獲得有效強化。本文建造的高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器，以某品牌3HP熱泵熱水器的普通平行流蒸發(fā)器換熱管數(shù)和總面積為基礎，并與該平行流蒸發(fā)器的熱力性能進行對比。由于分流器開孔和導管結構尚無準確理論計算方法，本文根據(jù)實驗從經(jīng)驗設計的3個樣品中選出最優(yōu)。兩蒸發(fā)器的結構尺寸列于表1中。

表1 兩種蒸發(fā)器幾何尺寸

圖1 （a）高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器（b）平行流蒸發(fā)器

1.2 實驗系統(tǒng)

本文使用換熱器測試系統(tǒng)對蒸發(fā)器進行熱力性能測試實驗，如圖2所示。測試系統(tǒng)有兩個循環(huán)回路構成，分別是制冷劑循環(huán)和空氣處理模塊。被測蒸發(fā)器的進口干度通過預冷器和外繞式預熱器調節(jié)，其出口干度將由過熱器調節(jié)成過熱。被測蒸發(fā)器設置在恒溫室的風道中，恒溫室的空氣溫度由空氣處理模塊進行精確調節(jié)。測試系統(tǒng)中必要節(jié)點的溫度和壓力均有傳感器進行測量，風道的空氣流量經(jīng)均流器充分混合后進行測量。22根熱電偶沿蒸發(fā)器各管程中點設置，測量翅片管的傳熱壁溫；另設22根熱電偶于蒸發(fā)器各管程末端，測量翅片管的絕熱壁溫。

圖2 換熱器測試系統(tǒng)

11..33 誤誤差差分分析析

最后，最小熵增數(shù)的最大相對誤差為±7.3%。

2 結果分析

圖3是兩種蒸發(fā)器的管內傳熱系數(shù)h和總傳熱系數(shù)K隨截面質量流量變化的規(guī)律。當截面質量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1時，EFGE的管內傳熱系數(shù)在平均干度為0.25下增大82.3%，管內傳熱系數(shù)在平均干度為0.75下增大75.1%。當平均干度由0.25提升為0.75時，EFGE的管內傳熱系數(shù)增大86.1%～93.8%。當截面質量流量由250 kgm-2s-1增至750 kgm-2s-1時，PFE的管內傳熱系數(shù)在平均干度為0.25下增大84.5%，在平均干度為0.75下增大59.0%。當平均干度由0.25提升為0.75時，PFE的管內傳熱系數(shù)增大80.4%～109.3%。EFGE的管內傳熱系數(shù)較PFE高18.1% ～ 32.2%。當平均干度為0.25時，EFGE的總傳熱系數(shù)較PFE高5.6%～8.7%；當平均干度為0.75時，EFGE的總傳熱系數(shù)較PFE高4.1%～5.9%。

圖3 兩種蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)變化

圖4是是兩種蒸發(fā)器的管內壓降隨截面質量流量變化的規(guī)律。當截面質量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1時，EFGE的管內壓降在平均干度為0.25下增大1.23倍，在平均干度為0.75下增大0.95倍。當平均干度由0.25提升為0.75時，EFGE的管內壓降增大1.15倍～1.44倍；當截面質量流量由250 kgm-2s-1增至750 kgm-2s-1時，PFE的管內壓降在平均干度為0.25下增大81.5%，在平均干度為0.75下增大79.2%。當平均干度由0.25提升為0.75時，PFE的管內壓降增大73.6%～92.5%。EFGE的管內壓降在截面質量流量為250 kgm-2s-1時較PFE低9.5% ～ 17.6%，在截面質量流量為750 kgm-2s-1時較PFE高0.8% ～ 9.5%。

圖4 兩種蒸發(fā)器的管內壓降變化規(guī)律

圖5是EFGE和PFE的最小熵增數(shù)（NS）隨質量流量變化的規(guī)律。當截面質量流量由250kgm-2s-1增至750kgm-2s-1時，EFGE和PFE的最小熵增數(shù)在平均干度為0.25下增大約1.3-1.8倍，在平均干度為0.75下增大1.2～1.4倍。當平均干度由0.25提升為0.75時，EFGE與PFE的最小熵增數(shù)增大0.75倍～1.08倍。在平均干度0.25下，截面質量流量由250 kgm-2s-1至750kgm-2s-1時，EFGE的最小熵增數(shù)是PFE的89%～123%；在平均干度0.75下，截面質量流量由250kgm-2s-1至750kgm-2s-1時，EFGE的最小熵增數(shù)是PFE的93%～105%。此外，隨實驗質量流量增大，EFGE的最小熵增數(shù)由低于PFE逐漸超越PFE。主要原因是隨截面質量流量增大，EFGE的壓降趨于較PFE高，隨之帶來更大的熵增。

圖5 兩蒸發(fā)器換熱管的最小熵增數(shù)

3 結論

本文實驗研究了新型的高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器的管內熱力性能，并與同類普通蒸發(fā)器進行對比，獲得以下結論：

1）新型高效蒸發(fā)流型全域構建蒸發(fā)器能增強管內傳熱系數(shù)，而蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)可獲得約4%～9%的強化。

2）EFGE的管內總壓降僅在低截面質量流量下較PFE低，在高截面質量流量下，EFGE的壓降存在一定劣勢。

3）根據(jù)最小熵增數(shù)，當截面質量流量低于約550kgm-2s-1時，EFGE較PFE擁有更優(yōu)熱力性能；當截面質量流量高于約550kgm-2s-1時，EFGE的熱力性能將劣于PFE。