水平强化管外池沸腾换热性能实验研究

    1 引 言

    强化水平管外沸腾换热的主要研究思路即在沸腾表面通过机械加工的方法,形成翅片和特定结构的微小凹坑,从而增加汽化核心,强化管外池沸腾换热。近几十年来,国外企业开发了一系列性能优越的管型。具有代表性的大致分为三种:具有狭窄通道的Wieland GEWA-T和Trane bent-fin管;表面带孔的Hitachi Thermoexcel-E管;以及孔隙相间的Wolverine Turbo-B和Turbo-BÒ管。

    Webb和Pais[1]使用五种制冷剂在四种强化管上的池沸腾换热进行了实验研究,其中又以Turbo-B的换热性能最好。Chien和Webb[2,3]对表面带孔的强化管(Thermoexcel-E)沸腾特性进行了系统的研究,他们考察了孔径、孔距以及翅结构尺寸对沸腾换热性能的影响。认为特定的热流密度下,总的开孔面积有个最优值。对于一定结构的测试管,随着热流密度的增加,换热系数出现了峰值,这是由于高热流密度时微孔通道内工质被蒸干导致了传热出现恶化。Kim和Choi[4]使用新工质R134a在孔隙相间的Turbo-B上进行了微翅结构尺寸影响换热性能的研究,并没有发现文献[2,3]中出现的峰值现象,认为相连孔隙能及时向通道内提供液体,避免了通道出现干涸。

    从目前搜集文献资料看,满液式强化管换热性能的实验研究均使用电加热,而无法对管内换热性能进行研究。使用Wilson图解法对实验数据进行处理,可以同时求得管内外的换热关联式,对使用强化热管进行换热器设计有更好的指导作用。

    实验所用Turbo-B为江阴星寅铜管厂的产品,其管外翅片及微槽结构类似Turbo-B管,目前已经被大量用来生产冷水机组的满液式蒸发器。

    2 实验系统与原理

    2.1 实验装置

    制冷工质循环系统由两个大筒体上下连通组成,其中冷凝筒比蒸发筒水平位置略高,保证蒸发管被制冷工质淹没,同时冷凝管距工质液面一定高度。筒体上装有压力传感器和用于测量制冷工质气温与液温的两个Pt100热电阻。蒸发水系统和冷凝水系统均由恒温水箱、变频泵、电磁流量计组成,进出单管水温通过Pt100热电阻测量,单管内水的流动阻力由电容式差压变送器测量。所有测量的实验数据信号均通过模数转换卡,传送到计算机内显示、计算和保存。

    实验装置所用压力传感器精度为0.25级,测温用Pt100热电阻变送器出厂前经过准确度检验,相对误差≤±0.5%,电磁流量计出厂校验数据表明流量测量的相对误差≤±0.4%。为了考察实验测量数据的可靠程度,分析了各量的不确定度,具体数据如表1所示。

    2.2 实验原理

    一般认为对于同一种制冷剂和加热表面的组合,核态沸腾换热系数仅是热流密度q和饱和压力psat的函数[5,6]。因此管外核态沸腾换热系数ho可表示为: