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内螺纹管换热器的综合性能分析

申道明;桂超;刘亚萍;夏锦红;薛松涛

【期刊名称】《《低温工程》》

【年(卷),期】2019(000)005

【总页数】8页(P14-20,74)

【关键词】内螺纹管;换热温差;摩擦因子;单位压降传热系数;熵增

【作者】申道明;桂超;刘亚萍;夏锦红;薛松涛

【作者单位】新乡学院土木工程与建筑学院新乡453000;同济大学结构工程与防

灾研究所上海200092;日本东北工业大学建筑学科日本仙台9828577

【正文语种】中文

【中图分类】TB663;TB657

1引言

内螺纹管换热器凭借其高效的换热性能已在制冷空调领域得到广泛应用，例如，各

种翅片管换热器除更新铝翅片结构强化空气侧换热外，还采用微肋换热管来增强管

内工质换热效果，壳管式换热器中使用的双侧强化管，表面强化结构对换热性能影

响机制的研究对提高换热性能、开发新型换热器至关重要。

除对强化管的换热强化机制进行研究外，对换热管进行综合性能评价，以根据实际

需要选择最佳适用管型，同样可间接提升换热器整体性能。对换热器进行评价时，

往往涉及到很多方面：换热器的热工性能(传热和阻力)、经济性、运行安全性等，

并且并不存在一个指标可实现所有换热器评价意义，因此针对不同的目的需选择不

同的评价指标[1]。

单一表征换热性能和工质阻力功耗的指标很多，例如传热系数、换热温差、努塞尔

数、压降、摩擦因子、泵功等，但对于大多换热器，换热效果强化的同时一般伴有

工质功耗的增加[2]，因此有些学者[3-7]提出使用单位压降下传热系数K/ΔP及单

位阻力因子下努塞尔数Nu/f对换热器综合性能进行评价。随着研究的深入，有效

强化换热技术并不能实现单位压降下换热的明显提高，而是在相同消耗功率下得到

较大改善，因此提出使用Nu/f1/3作为相同消耗功率下换热评价指标。

基于热力学第二定律，Bejan[8]提出选用熵产对换热器换热过程中热量传递品质、

换热过程的不可逆性进行评价，换热器的熵产主要包括传热温差和工质流动引起的

熵产。赖学江等[9]运用总熵增增率对花板换热器和折流板换热器进行综合性能评

价，对温差传热损失、流动阻力损失均进行充分考虑，并发现总熵增率随壳程流体

速度的变化有极值，为下步换热器的优化提供了方向。吴双应等[10]基于效率和无

因次熵产数在实际应用中的不足，提出了一个新的换热器热力学性能评价指标—

无因次熵产率，该指标不仅物理意义明确，还具有更广的适用范围。王斯民等[11]

认为现有的火积理论仅考虑了换热器换热量或传热温差的影响，并沒有把压降和泵

功的问题考虑在内，因此提出了一种新的火积评价指标EPEC，用于表征单位压降

和单位泵功下换热量。

本文基于现有实验台进行R134a的管内流动冷凝换热实验，首先选用传热系数/换

热温差、压降/摩擦因子对换热过程中的换热性能、工质流动功耗进行单一性能评

价，而后基于热力学第一定律、热力学第二定律分别使用单位压降换热系数、熵产

对换热器综合性能进行综合评价，分析实验变量对各指标的影响的同时为换热器的

选型提高数据支持及理论基础。

2试验装置

管内流动冷凝换热测试平台原理图见图1，综合而言：系统内所有设备均服务于为

换热管提供实验模拟环境，其中预热器、过热器、冷凝器、过冷器、低温冷源共同

维护系统内能量守恒。

图1实验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsystem

系统内各元件主要作用如下：

制冷剂泵：为系统内工质流动提供循环动力；

预热器：采用电加热形式对工质进行加热处理，使工质在换热管进口处达到设定状

态；

低温冷源：带走工质冷凝散热量，提供模拟实验环境；

过热器：采用电加热形式对工质进行过热处理，校核换热管出口处工质状态；

EXV：对工质进行节流降压处理，调节换热管内换热饱和压力；

冷凝器：对工质进行冷凝处理，间接带走系统内电加热的加热量；

储液器：储存多余工质，维持系统内压力；

过冷器：对工质进行过冷处理，使工质在质量流量计进出口均保持过冷状态，确保

测量参数的精度；

质量流量计：测量工质的循环流量；

压力变送器：测量系统管路内工质压力；

铂电阻：测量系统管路内工质温度。

实验测试段本质上为一套管式换热器，制冷剂在管内流动(箭头A指向)，冷冻水在

环形通道内流动(箭头B指向)，详见图2。

图2实验测试段示意图Fig.2Schematicdiagramofexperimentaltestse