彭 杰 孫志利 師雅博 王宏奎 劉振源 權(quán)建華 王易安 徐嘉沛 張浩然 陳文祥

(1 天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134；2 河北尚恒制冷設(shè)備科技有限公司 邢臺(tái) 054000)

排管蒸發(fā)器是凍結(jié)物冷藏間常用的蒸發(fā)換熱設(shè)備，在我國(guó)中小型冷庫(kù)系統(tǒng)中使用廣泛[1]。目前食品冷鏈系統(tǒng)中所用排管蒸發(fā)器普遍存在的弊端有：冷風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流下食品干耗大，溫度波動(dòng)大；排管蒸發(fā)器傳熱效率低，管材消耗量大；冷庫(kù)尤其是低溫庫(kù)的降溫速度慢，運(yùn)行成本高。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。邱燕[2]建立了豎直縱向翅片管的數(shù)值模型，將豎直縱向翅片管的端面樣式、基管高度、翅片長(zhǎng)度、翅片夾角和肋基溫度與周圍流體溫度之間溫差的各種組合進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，開(kāi)放式翅片管的單位質(zhì)量散熱量、單位面積散熱量、平均傳熱系數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于封閉式翅片管；在翅片長(zhǎng)度一定、翅片夾角大小變化時(shí)，翅片管的單位質(zhì)量散熱量、平均傳熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的最大值多數(shù)出現(xiàn)在翅片夾角為60°處；隨著翅片長(zhǎng)度的增加，翅片管的單位質(zhì)量散熱量、平均傳熱系數(shù)均增大；當(dāng)基管高度增加時(shí)，翅片管的單位質(zhì)量散熱量、單位面積散熱量、平均傳熱系數(shù)減小；當(dāng)肋基溫度與周圍流體溫度之間溫差增加時(shí)，翅片管的單位質(zhì)量散熱量、平均傳熱系數(shù)均隨之增大。S.A.Nada等[3]采用數(shù)值方法研究非翅片環(huán)空和翅片環(huán)空兩同心水平圓柱間的自然對(duì)流流動(dòng)和換熱特性，研究了瑞利數(shù)、環(huán)空寬度、翅片幾何尺寸、翅片數(shù)、翅片形狀和翅片布置對(duì)傳熱和流動(dòng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)空厚度、瑞利數(shù)、翅片數(shù)和翅片寬度的增加，環(huán)空的換熱和有效導(dǎo)熱系數(shù)均有所增加，在相同的翅片面積下，與環(huán)形翅片相比，縱向翅片的傳熱速率和有效導(dǎo)熱性能的提高更顯著。C.Jadav等[4]建立了考慮蒸發(fā)器管內(nèi)冷源流動(dòng)沸騰和翅片表面結(jié)霜現(xiàn)象的數(shù)值模型，采用遺傳算法優(yōu)化翅片數(shù)、翅片高度和蒸發(fā)器管長(zhǎng)，降低了蒸發(fā)器的總質(zhì)量，研究發(fā)現(xiàn)，六翅片汽化器比八翅片和十二翅片的性能更好，且質(zhì)量分別減少了6%和20%。谷波等[5]對(duì)兩種不同類型的光滑波紋翅片管換熱器進(jìn)行了空氣側(cè)換熱及阻力性能的實(shí)驗(yàn)研究，以Colburn換熱因子和Fanning摩擦因子評(píng)價(jià)換熱性能和壓降，對(duì)比分析了翅片形式對(duì)光滑波紋翅片類型的空氣側(cè)性能影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)大于5 500時(shí)，兩種換熱器換熱因子j相差6.4%以上，摩擦因子f相差7.8%。楊文靜等[6]采用正交試驗(yàn)數(shù)值模擬和工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了翅片管換熱器自身結(jié)構(gòu)及排布方式對(duì)換熱效果的影響，結(jié)果表明存在最優(yōu)結(jié)構(gòu)可獲得最大的傳熱系數(shù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究方向多數(shù)集中于強(qiáng)化強(qiáng)制對(duì)流換熱[7-10]，對(duì)自然對(duì)流換熱部分[11-12]研究較少，而我國(guó)大多數(shù)冷庫(kù)采用光滑頂排管[13]或墻排管，可以減少干耗，保證保鮮質(zhì)量。單管排管蒸發(fā)器發(fā)展迅速，出現(xiàn)了基于翅片強(qiáng)化換熱的多種型式[14]。本文主要針對(duì)單管雙翅片排管蒸發(fā)器和單管八翅片排管蒸發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)對(duì)比單管雙翅片排管蒸發(fā)器和單管八翅片排管蒸發(fā)器在不同蒸發(fā)溫度下的傳熱性能。

1 單管多翅片排管蒸發(fā)器傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)ASHRAE 75～77標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱平衡法[15]測(cè)得單管多翅片排管蒸發(fā)器的制冷量。將小型冷庫(kù)視為一個(gè)封閉系統(tǒng)，當(dāng)封閉系統(tǒng)內(nèi)外達(dá)到熱平衡時(shí)，封閉系統(tǒng)溫度保持恒定。熱平衡法測(cè)量制冷量如式(1)所示。

Qe=λΔt+Q1

(1)

式中：Qe為單管多翅片排管蒸發(fā)器制冷量，W；λ為小型冷庫(kù)漏冷系數(shù)，W/℃；Δt為庫(kù)內(nèi)外溫差，℃；Q1為庫(kù)內(nèi)加熱器加熱量，W。

計(jì)算傳熱系數(shù)K時(shí)，除去包裹保溫材料的橫梁、彎管和進(jìn)出口部分，翅片部分的傳熱系數(shù)K可由式(2)確定。

Qe=KAΔtm

(2)

(3)

式中：θ1和θ2分別為單管多翅片排管蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度與庫(kù)溫的差值，℃；A為翅片-空氣界面?zhèn)鳠崦娣e，m2；tm為對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

通過(guò)等截面直翅的傳熱過(guò)程如圖1所示。翅片中的溫度分布由式(4)確定。

圖1 等截面直翅的熱量傳遞

(4)

(5)

式中：θx為翅高方向x處的過(guò)余溫度，θx=tx-t∞，℃；m為常量；H為翅高，m；h為復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(包括對(duì)流傳熱和輻射傳熱)，W/(m2·K)；P為參與換熱的截面周長(zhǎng)，m；λ為翅片導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Ac為沿翅高方向的橫截面積，m2。

計(jì)算翅片效率時(shí)，首先根據(jù)翅片溫度分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由式(4)反推計(jì)算出m。對(duì)于等截面直翅，翅片效率由式(6)計(jì)算得到。

(6)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究單管多翅片排管蒸發(fā)器的傳熱性能，搭建單管多翅片排管蒸發(fā)器傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)集單管多翅片排管蒸發(fā)器翅片效率、傳熱系數(shù)、制冷量和冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)等測(cè)試功能于一體。將單管多翅片排管蒸發(fā)器置于小型冷庫(kù)內(nèi)上部，其進(jìn)出口通過(guò)焊接與壓縮冷凝機(jī)組相連，制冷劑在壓縮冷凝機(jī)組內(nèi)壓縮、冷凝，經(jīng)過(guò)手動(dòng)節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入庫(kù)內(nèi)的單管多翅片排管蒸發(fā)器，釋放冷量后經(jīng)庫(kù)外加熱器過(guò)熱以確保超倍供液，然后回到壓縮冷凝機(jī)組完成制冷循環(huán)。小型冷庫(kù)底部布置電加熱棒和鋁板以均勻散熱，通過(guò)熱平衡法測(cè)量單管多翅片排管蒸發(fā)器的制冷量。調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)工況，由庫(kù)內(nèi)外布置的溫度測(cè)點(diǎn)和壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)量相關(guān)的熱力參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和對(duì)比分析。

P壓力測(cè)點(diǎn)；T溫度測(cè)點(diǎn)

單管多翅片排管蒸發(fā)器為定制的單管雙翅片排管蒸發(fā)器和單管八翅片排管蒸發(fā)器，尺寸參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，其中單管八翅片排管蒸發(fā)器翅片1和翅片2之間夾角為105°，翅片2～8之間夾角均為25°。

圖3 單管八翅片排管蒸發(fā)器表面溫度測(cè)點(diǎn)布置

圖4 單管雙翅片排管蒸發(fā)器表面溫度測(cè)點(diǎn)布置

表1 單管多翅片排管蒸發(fā)器的尺寸參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 冷庫(kù)漏冷測(cè)試

為計(jì)算單管多翅片排管蒸發(fā)器制冷量，需對(duì)小型冷庫(kù)漏冷系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)調(diào)壓器給庫(kù)內(nèi)電加熱器輸入一定功率，使小型冷庫(kù)內(nèi)溫度升高，分別保持室內(nèi)外溫差為20、30、40 ℃，穩(wěn)定3 h后記錄10 min數(shù)據(jù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)所用小型冷庫(kù)漏冷系數(shù)為2.03 W/℃。

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了對(duì)比兩種單管多翅片排管蒸發(fā)器傳熱性能，在單管多翅片排管蒸發(fā)器上布置的36個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。圖3(a)指在蒸發(fā)器上沿制冷劑流動(dòng)方向選擇4個(gè)位置分別命名為流程1～4；圖3(b)代表每個(gè)流程位置橫截面的8個(gè)翅片，稱為翅片1～8，分別在翅片2、4、5的翅基、翅中和翅端位置布置溫度測(cè)點(diǎn)。在單管雙翅片排管蒸發(fā)器上布置的36個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖4所示，其流程與翅片命名與圖3同理。由于冷庫(kù)下層電加熱棒上布置鋁板均勻散熱，故認(rèn)為冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)在左右兩側(cè)具有對(duì)稱性，在冷庫(kù)內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)如圖5所示。在庫(kù)外的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖5 冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)

1.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在翅片效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，首先通過(guò)改變節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)整低壓壓力，使其到達(dá)設(shè)定蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)的低壓壓力，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)庫(kù)外電加熱保持一定的過(guò)熱度。以庫(kù)內(nèi)中心溫度測(cè)點(diǎn)為參照，單管多翅片排管蒸發(fā)器冷卻冷庫(kù)內(nèi)氣體至一定溫度后，打開(kāi)庫(kù)內(nèi)加熱器進(jìn)行熱平衡，當(dāng)庫(kù)溫保持在特定溫度3 h后，即可認(rèn)為庫(kù)內(nèi)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)10 min。

1.3.4 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)在單管多翅片排管蒸發(fā)器常用到的兩個(gè)庫(kù)溫下分別設(shè)置5個(gè)蒸發(fā)溫度，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

2.1 系統(tǒng)不確定度分析

采用調(diào)壓器和功率表進(jìn)行功率的調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)，通過(guò)壓力變送器測(cè)量高壓壓力和低壓壓力，串聯(lián)250 Ω電阻轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)連接至數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電腦相連，可以對(duì)T型熱電偶和電壓信號(hào)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與顯示，實(shí)際使用時(shí)可以將測(cè)量值與真實(shí)值輸入系統(tǒng)進(jìn)行線性修正。表3列出了實(shí)驗(yàn)所用測(cè)量?jī)x器的量程和精度。

表3 測(cè)量?jī)x器參數(shù)

對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，對(duì)于單管多翅片排管蒸發(fā)器制冷量、翅片效率等非直接測(cè)量的參數(shù)，根據(jù)Moffat公式[16](式(7))計(jì)算實(shí)驗(yàn)不確定度。

計(jì)算可得，在給定工況下，單管多翅片排管蒸發(fā)器制冷量與翅片效率的不確定度分別為0.78%～1.06%和1.53%。

(7)

2.2 翅片效率分析

翅片效率是實(shí)際散熱量與假設(shè)整個(gè)翅片表面處于肋基溫度下的散熱量之比，通過(guò)對(duì)比翅片效率可以從側(cè)面對(duì)比單管雙翅片排管蒸發(fā)器和單管八翅片排管蒸發(fā)器的制冷量。計(jì)算可得，單管雙翅片排管蒸發(fā)器的平均翅片效率為91.16%，單管八翅片排管蒸發(fā)器的平均翅片效率為96.03%。

對(duì)于單管雙翅片排管蒸發(fā)器，以流程4處為例，圖6所示為低溫庫(kù)單管雙翅片排管蒸發(fā)器翅片H處翅片效率隨蒸發(fā)溫度的變化。由圖6可知,下翅片的效率比上翅片的效率高，這是由于排管蒸發(fā)器表面的換熱屬于自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)與輻射換熱的耦合情況。由于空間位置的限制，上翅片的自然對(duì)流相比于下翅片受到影響，且根據(jù)實(shí)際的制冷劑充注量，液態(tài)制冷劑在管下層，下層換熱更充分，導(dǎo)致下翅片效率更大。

圖6 低溫庫(kù)單管雙翅片排管蒸發(fā)器H處翅片效率隨蒸發(fā)溫度的變化

對(duì)于單管八翅片排管蒸發(fā)器，以流程3處為例，圖7所示為低溫庫(kù)中翅片H處翅片效率隨蒸發(fā)溫度的變化。由圖7可知，翅片2的效率最高，其次是翅片5，翅片4的效率最低。因?yàn)槌崞?相比于翅片4和翅片5，與空氣的自然對(duì)流換熱效果最佳。翅片4和翅片5與其他翅片的夾角均小于30°，極大影響了自然對(duì)流換熱，而翅片5的翅片效率略高于翅片4的原因是液態(tài)制冷劑在重力的作用下流動(dòng)在管下層。

圖7 低溫庫(kù)單管八翅片排管蒸發(fā)器H處翅片效率隨蒸發(fā)溫度的變化

由圖6和圖7可知，翅片效率隨蒸發(fā)溫度的變化趨勢(shì)不顯著。

圖8所示為單管雙翅片排管蒸發(fā)器上部翅片的H/2處在不同蒸發(fā)溫度下沿程翅片效率的變化。由圖8可知，翅片效率在沿程2L/3處最高。經(jīng)過(guò)彎管時(shí)翅片效率增長(zhǎng)2%～5%，而在長(zhǎng)直管內(nèi)翅片效率會(huì)降低2%～4%，因?yàn)楣艿纼?nèi)的制冷劑是氣液共存，根據(jù)雷諾數(shù)的計(jì)算證明長(zhǎng)直管內(nèi)的制冷劑處于層流狀態(tài)，經(jīng)過(guò)彎管時(shí)，彎管會(huì)對(duì)制冷劑的流動(dòng)造成一些擾動(dòng)，擾動(dòng)會(huì)增強(qiáng)制冷劑與管道內(nèi)表面的換熱。

圖8 高溫庫(kù)單管雙翅片排管蒸發(fā)器上翅片H/2處翅片效率沿程變化

2.3 傳熱系數(shù)分析

傳熱系數(shù)K與制冷量、傳熱溫差和傳熱面積均有關(guān)。傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化如圖9所示。由圖9可知，所測(cè)單管八翅片排管蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)均小于單管雙翅片排管蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)。這是因?yàn)榘顺崞殴苷舭l(fā)器的翅片布置不合理，如圖3(b)所示，翅片1豎直于管壁之上，而翅片2～8集中于管壁下方，翅片之間的角度在25°～30°之間，空間過(guò)于狹小，導(dǎo)致空氣沉積在夾角處，影響對(duì)流，從而使傳熱性能下降。據(jù)此，可在以后的研究中尋找最佳的翅片角度和翅片數(shù)量從而提高傳熱系數(shù)。雙翅片排管蒸發(fā)器和八翅片排管蒸發(fā)器在不同蒸發(fā)溫度下的平均傳熱系數(shù)分別為6.5 W/(m2·℃)和5.6 W/(m2·℃)，均在5～7 W/(m2·℃)之間。

圖9 傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化

2.4 制冷量分析

制冷量可以直觀反映排管蒸發(fā)器的換熱性能。由于雙翅片排管蒸發(fā)器與八翅片排管蒸發(fā)器的流程長(zhǎng)度不同，故采用單位管長(zhǎng)制冷量作為對(duì)比參數(shù)。圖10所示為單位管長(zhǎng)制冷量和單位質(zhì)量鋁材制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化。由圖10可知，隨著蒸發(fā)溫度的降低，雙翅片和八翅片排管蒸發(fā)器的單位管長(zhǎng)制冷量均增大，這是由于傳熱溫差的增大，折合而得的單位管長(zhǎng)制冷量隨之增加。八翅片排管蒸發(fā)器的單位管長(zhǎng)制冷量顯著高于雙翅片，前者是后者的2～3倍。八翅片排管蒸發(fā)器更大的單位管長(zhǎng)傳熱面積使其傳熱性能優(yōu)于雙翅片排管蒸發(fā)器。

圖10 單位管長(zhǎng)制冷量和單位質(zhì)量鋁材制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化

3 結(jié)論

本文對(duì)兩種單管多翅片排管蒸發(fā)器的傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究不同工況下翅片效率、制冷量和傳熱系數(shù)，得到如下結(jié)論：

1)單管八翅片排管蒸發(fā)器的平均翅片效率為96.03%，比單管雙翅片排管蒸發(fā)器高5.3%；在同一流程處，單管雙翅片排管蒸發(fā)器和單管八翅片排管蒸發(fā)器的翅片效率隨蒸發(fā)溫度的變化趨勢(shì)不顯著，翅中部翅片效率高于翅端翅片效率。對(duì)于單管雙翅片排管蒸發(fā)器，下翅片的翅片效率高于上翅片的翅片效率；對(duì)于單管八翅片排管蒸發(fā)器，翅片2的效率最高，其次是翅片5，翅片4的效率最低。

2)隨著蒸發(fā)溫度的降低，單管多翅片排管蒸發(fā)器的單位管長(zhǎng)制冷量逐漸增大；單管八翅片排管蒸發(fā)器的單位管長(zhǎng)制冷量是單管雙翅片排管蒸發(fā)器的2.5～3倍，其單位質(zhì)量鋁材制冷量比單管雙翅片排管蒸發(fā)器高11%～36%。

3)在同等制冷量下，單管八翅片排管蒸發(fā)器耗材比單管雙翅片排管蒸發(fā)器耗材節(jié)約10%～30%；單管八翅片排管蒸發(fā)器的單位管長(zhǎng)傳熱面積是雙翅片的3.26倍，傳熱系數(shù)比單管雙翅片排管蒸發(fā)器低7%～28%；傳熱系數(shù)范圍均在5～7 W/(m2·℃)之間。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各翅片之間夾角角度是影響單管多翅片排管蒸發(fā)器的重要因素，在未來(lái)的研究中可以模擬調(diào)整各翅片之間夾角大小研究其對(duì)單管多翅片排管蒸發(fā)器的制冷量、翅片效率和傳熱系數(shù)的影響，確定最佳的翅片數(shù)量、各翅片之間的夾角角度和翅片高度。