李 倩　歐陽(yáng)新萍

(上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所　上?！?00093)

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冷凝銅管排列方式對(duì)箱壁式冰箱換熱性能的影響

李 倩歐陽(yáng)新萍

(上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所上海200093)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了箱壁式冰箱在冷凝管水平布置和豎直布置方式下的能效比，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)工況下水平管和豎直管管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算。結(jié)果表明：盡管理論計(jì)算結(jié)果顯示水平管布置方式的管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)高出豎直管布置方式較多，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩者整體傳熱性能相差極小?？傮w來(lái)說(shuō)，采用水平管布置方式的冰箱的能效比僅高出約2%，箱壁式冰箱冷凝器的主要換熱熱阻在管外空氣側(cè)，這兩種布置方式導(dǎo)致的管內(nèi)換熱的差異對(duì)箱壁式冰箱的整體換熱性能影響不大。

冰箱；箱壁式冷凝器；管排列方式；冷凝換熱系數(shù)

冷凝器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，例如電廠熱力系統(tǒng)中的凝汽器，制冷工業(yè)中蒸氣壓縮式或吸收式制冷機(jī)中的冷凝器。冷凝器在化學(xué)工業(yè)(包括石油化學(xué)工業(yè))中的應(yīng)用更是不勝枚舉。在當(dāng)前能源緊張的形勢(shì)下，冷凝器的換熱研究對(duì)節(jié)約能源有著十分重要的意義。

冰箱制冷系統(tǒng)中采用的冷凝器基本有三種型式：絲管式冷凝器、百葉窗式冷凝器、箱壁式冷凝器[1]。其中，箱壁式冷凝器是由φ4 mm～φ6 mm鍍鋅鋼管或銅管，用鋁箔粘附于冰箱外鋼板內(nèi)壁或與冰箱外鋼板內(nèi)壁點(diǎn)焊而成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、不占用外部空間、冰箱外表平整美觀的優(yōu)點(diǎn)，因而目前冰箱用冷凝器大多采用箱壁式冷凝器。箱壁式冷凝器管子排布有橫向、豎向和橫豎交叉布置等形式，對(duì)于哪種排列型式換熱效果更優(yōu)，還沒有定論。

姚玉平[2]認(rèn)為，冷凝管豎排與橫排比較，管外側(cè)換熱系數(shù)可提高20%，但是未能給出冷凝器管內(nèi)冷凝換熱詳細(xì)的分析?？紤]到管內(nèi)外換熱系數(shù)相差懸殊，管外熱阻較大，故僅從管外換熱出發(fā)，通過(guò)理論計(jì)算，得出豎排換熱系數(shù)比橫排的將近提高20%，從而冷凝器的總傳熱系數(shù)k的數(shù)值也將有所提高的結(jié)論并不十分具有說(shuō)服力。

邵延年[3]則認(rèn)為，在其他條件不變的情況下，將豎管改為橫管，管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)可增大3倍以上。他分別對(duì)制冷劑在橫管與豎管內(nèi)的膜狀凝結(jié)進(jìn)行理論分析，認(rèn)為橫排盤管的換熱，無(wú)論是管內(nèi)還是管外都比豎排管更優(yōu)，由于它是氣液分層流動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)和不凝結(jié)氣體混雜于液體中的弊病。

Mohseni S G等[4]研究了R134a在不同傾角的光管與翅片管中的兩相流流型以及它們的冷凝換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)管子傾角對(duì)冷凝換熱系數(shù)的影響很大，尤其是在低蒸氣流速、低質(zhì)量流量的情況下。除此之外，無(wú)論是在光管還是翅片管中，最大冷凝換熱系數(shù)出現(xiàn)在低蒸氣流速，傾角為+30°的時(shí)候或者是較高蒸氣流速的水平管中。而最低冷凝換熱系數(shù)則出現(xiàn)在垂直下降流的管子中。

王補(bǔ)宣等[5]基于相平衡理論的最小能量原理，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庖簝上嗔鲃?dòng)條件確定氣液界面形狀，并以此為基礎(chǔ)從理論上探討水平細(xì)圓管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)的特點(diǎn)。通過(guò)與豎直條件下凝結(jié)換熱特性的對(duì)比，分析重力、氣-液界面剪切力、表面張力對(duì)流動(dòng)凝結(jié)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：水平圓管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)的兩相流型界于水平分層流和環(huán)狀流之間；隨干度的減小，重力的作用受到削弱，而剪切力的作用得到增強(qiáng)，逐步接近環(huán)狀流動(dòng)；細(xì)圓管由豎直改為水平放置時(shí)，管內(nèi)換熱得到強(qiáng)化。在之后的研究[6]中，他們通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)，分析圓管管徑、流量以及傾角對(duì)管內(nèi)蒸氣凝結(jié)過(guò)程流型的影響。同樣得到，在小尺度下，重力的影響受剪切力和表面張力作用而降低，流動(dòng)的分層受到明顯削弱。隨著管徑的減小，凝結(jié)液分布比較均勻的近環(huán)狀流在干度區(qū)域所占比例增大。

顯而易見的是，對(duì)于冷凝管豎排、橫排或傾斜等不同布置，管內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)、冷凝傳熱系數(shù)也不同。本文針對(duì)冰箱箱壁式冷凝器采用管徑均為4 mm的豎管(豎排)和橫管(橫排)的兩種布置形式，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和比較分析，力求對(duì)兩種排列方式的選擇給出合理建議。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由配置箱壁式冷凝器的冰箱箱體和布置在箱體外的壓縮機(jī)和蒸發(fā)器以及測(cè)試儀表構(gòu)成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置在可調(diào)節(jié)溫度的環(huán)境室內(nèi)，蒸發(fā)溫度在-25 ℃以下，采用R600a作為工作介質(zhì),充注量為45 g。

實(shí)驗(yàn)將冰箱冷凝器(冷凝管外徑為4 mm，壁厚0.5 mm)按照實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)布置于冰箱的發(fā)泡箱體壁內(nèi)，冷凝器的制冷劑接口從箱壁內(nèi)引出，并連接好壓縮機(jī)、節(jié)流毛細(xì)管、充液口。在節(jié)流毛細(xì)管后連接一段φ6.0 mm銅管，在該段銅管和壓縮機(jī)之間連接一個(gè)蒸發(fā)器盤管(φ6.0 mm)，該盤管放置于恒溫水箱中。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)加熱量以調(diào)節(jié)恒溫水箱的水溫，使之保持與環(huán)境溫度相同，以消除水箱與環(huán)境之間的熱量交換，這樣恒溫水箱消耗的能量即為制冷量。采用功率計(jì)分別測(cè)試恒溫水箱的功率和壓縮機(jī)的功率，從而測(cè)得電冰箱的制冷量和壓縮機(jī)耗功。采用壓力變送器測(cè)試?yán)淠龎毫驼舭l(fā)壓力，同時(shí)獲得飽和冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。

1防露管 2冷凝器 3真空泵 4制冷劑罐 5連通閥 6壓力表 7壓縮機(jī) 8蒸發(fā)器 9毛細(xì)管 10干燥過(guò)濾器圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment system

實(shí)驗(yàn)在搭建的環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行，調(diào)節(jié)環(huán)境室內(nèi)溫度至25 ℃，分別針對(duì)兩種冷凝器形式(冷凝盤管橫放和豎放，保證兩種情形的傳熱面積相同)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 管內(nèi)冷凝換熱的理論分析

對(duì)于箱壁式冷凝器，管子的排列方式主要對(duì)管內(nèi)制冷劑的流動(dòng)與換熱產(chǎn)生影響。本文研究管子的排列方式所導(dǎo)致的管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)的變化。

制冷劑在管內(nèi)的流態(tài)屬于復(fù)雜的兩相流。對(duì)于兩相流，管內(nèi)換熱系數(shù)與制冷劑的性質(zhì)、流動(dòng)的類型、管子的排列方式有關(guān)。Cavallini A等[7]認(rèn)為不同的凝結(jié)換熱形態(tài)必須進(jìn)行不同的分析，選擇不合適的流型會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的錯(cuò)誤。因此，本文從管子的排列和流態(tài)出發(fā)，管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)的計(jì)算分析如下。

2.1 水平管

當(dāng)氣液混合物流過(guò)水平管，需要知道流體沿管子不同位置的流動(dòng)形態(tài)，從而選擇合適的關(guān)聯(lián)式以預(yù)測(cè)水平管內(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)。此處使用的主要準(zhǔn)則是剪切力與重力之比,根據(jù)比值的大小判定流體的流動(dòng)形態(tài)。在本文中，根據(jù)Breber準(zhǔn)則數(shù)[8]區(qū)分不同的流型。通過(guò)使用Wallis無(wú)量綱氣體速度和Martinelli參數(shù)可以獲得。

Wallis無(wú)量綱氣體速度為：

(1)

Martinelli參數(shù)為:

(2)

一般認(rèn)為，j*g≥1.5的管內(nèi)流態(tài)為剪切力控制；j*g≤0.5的管內(nèi)流態(tài)為重力控制，相應(yīng)采用不同的計(jì)算式。

對(duì)于j*g>1.5,Xtt<1的環(huán)狀流，以及j*g>1.5,Xtt>1.5的泡狀流，Nu數(shù)的關(guān)聯(lián)式[9]計(jì)算如下：

(3)

(4)

此處，

(5)

(6)

其中：

(7)

(8)

對(duì)于j*g<1.5,Xtt>0.5的彈狀流，以及j*g<0.5,Xtt<1.0的分層流，管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式[10]計(jì)算如下：

(9)

此處，[11]

Ω=0.728α3/4g

(10)

(11)

2.2 豎直管

對(duì)于豎直管內(nèi)下降流，假定使用相同的準(zhǔn)則數(shù)判定流體處于剪切力控制區(qū)域還是重力控制區(qū)域。處于剪切力控制區(qū)域的換熱系數(shù)采用如下公式[12]：

(12)

其中，

(13)

摩擦因子f的取值取決于Rel,f=16/Rel(Rel<2000);f=0.079Re-1/4l(Rel>2000)。

T+由下面的公式?jīng)Q定:

T+=Prls+s+≤5

(14)

5≤s+≤30

(15)

s+≥30

(16)

對(duì)于重力控制的區(qū)域，使用下面的計(jì)算公式。

當(dāng)Re≤40時(shí)，管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)的計(jì)算式如下：

(17)

對(duì)于Re>40的情形，管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)計(jì)算如下：

(18)

(19)

式(18)用于層流，式(19)用于湍流。

式(19)中，Labuntsov D A[13]推薦的n值為0.5，但是相比于其他湍流公式的取值高，所以0.33是更好的選擇。

對(duì)于豎直管內(nèi)上升流，蒸氣流速通常較低以避免溢流，作用于冷凝液的剪切力在離開管子頂部時(shí)不建議過(guò)高。管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式[12]為：

(20)

2.3 實(shí)驗(yàn)工況的理論計(jì)算

假定管內(nèi)制冷劑的干度從1變化到0，查詢制冷劑R600a的物性參數(shù)，可以得到計(jì)算式中所需要的一些參數(shù)；結(jié)合表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出質(zhì)量流速約為90 kg/(m25s)。

≈90 kg/(m25s)

(21)

式中：Q為實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)飽和冷凝溫度下的吸熱量，kW；γ為實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)飽和冷凝溫度下的潛熱，kJ/kg；A為實(shí)驗(yàn)管子的截面積，m2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，兩種情形所得出的mrf均近似為90 kg/(m25s)。

通過(guò)將物性參數(shù)和實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)代入式(1)和式(2)中可得到：

當(dāng)j*g=1.5時(shí)，χ=0.17,Xtt=1.1；

當(dāng)j*g=0.5時(shí)，χ=0.057,Xtt=3.37；

當(dāng)χ≥0.17時(shí)，流體處于剪切力控制區(qū)域，當(dāng)χ≤0.057時(shí)，流體處于重力控制區(qū)域。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，剪切力對(duì)流型的影響顯著，重力對(duì)流型的影響較小，環(huán)狀流或近環(huán)狀流所占干度區(qū)域較大。

對(duì)于水平流和豎直下降流，根據(jù)χ的數(shù)值和(或)Xtt的數(shù)值選擇前述相應(yīng)的計(jì)算式計(jì)算；如果當(dāng)χ>0.057且χ<0.17，則分別根據(jù)χ=0.057時(shí)的重力控制計(jì)算結(jié)果和χ=0.17時(shí)的剪切控制計(jì)算結(jié)果近似進(jìn)行線性插值。對(duì)于豎直上升流，采用式(20)進(jìn)行計(jì)算。

將計(jì)算所得到的水平管、豎直下降流、豎直上升流的管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)隨蒸氣干度χ的變化放在同一張圖中作比較，如圖2所示。

圖2 管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)隨著干度χ的變化Fig.2 Variation of heat transfer coefficients vs. vapor quality

3 結(jié)果分析

從圖2可以看出，無(wú)論是水平管還是豎直管，管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)均隨著干度的增加而增大。對(duì)于豎直管，在較低蒸氣干度時(shí)，上升流的傳熱系數(shù)比下降流高，隨著干度的增加，下降流的換熱系數(shù)會(huì)超過(guò)上升流，甚至是有可能超過(guò)水平管的。這與文獻(xiàn)[14]中實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論一致。分析原因可知，在重力控制區(qū)域，水平管中底部液膜較厚，但其他大部分區(qū)域的液膜被拉薄，總體換熱性能比垂直管高。對(duì)于豎直上升流和下降流，上升流的重力與剪切力作用方向相反，在低χ下，存在界面擾動(dòng)，換熱系數(shù)比下降流高，但隨著χ的增加，將導(dǎo)致液膜增厚，換熱系數(shù)比下降流低。而下降流的重力與剪切力作用方向相同，在低剪切控制區(qū)域，將減薄液膜，增強(qiáng)換熱；在高χ的剪切控制區(qū)域，換熱增強(qiáng)甚至可超過(guò)水平管。在此也推斷，隨著質(zhì)量流速的上升，三者之間的差距將不再明顯。另外，從圖上可以明顯看出，水平管每一段的換熱系數(shù)都比豎直管的大，整體而言，水平管的平均換熱系數(shù)要高出豎直管較多，數(shù)值約為豎直管的2倍。

然而從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，冷凝管橫放時(shí)的制冷效果雖然要比豎放好，但不明顯，能效比和制冷量只高出1%～2%。由于空氣側(cè)換熱狀態(tài)基本相同，一方面可以推斷橫放的管內(nèi)換熱效果是好于豎放，另一方面認(rèn)為冰箱箱壁式冷凝器向外界散發(fā)熱量主要是通過(guò)起肋片作用的箱壁實(shí)現(xiàn)的[15]，管內(nèi)制冷劑的凝結(jié)換熱系數(shù)較空氣側(cè)的換熱系數(shù)大得多，因此冷凝器的換熱熱阻主要是外側(cè)壁面與空氣的換熱熱阻，管內(nèi)冷凝換熱的提升對(duì)整體傳熱的提升有限。故而兩種排列方式對(duì)電冰箱的制冷性能影響不大，但本身管內(nèi)的換熱效果是有差別的，所以會(huì)有橫、豎盤管[16]相結(jié)合走向的冷凝器。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了外徑為4 mm冷凝管在橫排和豎排兩種布置方式下下對(duì)冰箱整體換熱性能的影響。

1)實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)下，冰箱箱壁式冷凝器水平管布置的整體傳熱性能比豎直管布置略高，但優(yōu)勢(shì)不明顯。

2)理論計(jì)算表明，在實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)下，水平管布置的管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)比豎直管布置高出較多。

3)橫管、豎管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)與蒸氣干度的關(guān)系很大，隨干度的增加而增加；豎直下降流的管子增加幅度最大，隨干度增加，與橫管的差距逐漸縮小。

4)冰箱箱壁式冷凝器的主要換熱熱阻在管外空氣側(cè)，因此盡管水平管布置的管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)高出豎直管較多，但整體的傳熱性能提升極少，因此這兩種排列方式對(duì)電冰箱的性能影響不大。

符號(hào)說(shuō)明

下標(biāo)

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About the corresponding author

Li Qian, female, master, Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, +86 15921072792, E-mail:601724784@qq.com. Research fields: heat exchanger and heat enhancement.

Influence of Condensation Copper Tube Arrangement on the Heat Transfer Performance for Hot-wall Refrigerator

Li QianOuyang Xinping

(Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093,China)

Experiments are carried out separately under horizontal condensation tube arrangement and vertical condensation tube arrangement to examine energy efficiency ratio of hot-wall refrigerator. Theoretical calculations are made to analyze in-tube condensation heat transfer coefficients of horizontal and vertical tubes under the experimental conditions. The results show that: although the theoretical calculations of the in-tube condensation heat transfer coefficients of horizontal tubes are much higher than that of vertical tubes, but the experiment results indicate that there is a smaller difference on the whole heat transfer performance. Generally speaking, the energy efficiency ratio of horizontal tube arrangement is just about 2% higher, the outside air′s heat resistance plays a main role in hot-wall condenser, and the in-tube heat exchange difference caused by two tube arrangements has a small effect on the general heat transfer performance for hot-wall refrigerator.

refrigerator; hot-wall condenser; tube arrangement; condensation heat transfer coefficient

0253- 4339(2016) 04- 0101- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.101

2015年10月20日

TB657.5;TK124

A

簡(jiǎn)介

李倩，女，碩士研究生，上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，15921072792，E-mail: 601724784@qq.com。研究方向：換熱器與強(qiáng)化傳熱。