水平管束及单管外制冷工质降膜蒸发、池沸腾和凝结相变换热测试装置

摘要

一种水平管束及单管外制冷工质降膜蒸发、池沸腾和凝结相变换热测试装置，该测试装置可以进行不同管束(排)及单管外的降膜蒸发、膜状凝结和满液式沸腾传热测试，还可进行传热管水侧单向强制对流流动阻力系数测试。它的特点在于测试装置包括制冷工质、加热水和冷却水三个循环系统。测试装置可以测试任意管排间距(2mm以上)，任意管排布置方式，管束(排)外的降膜蒸发和膜状凝结换热。可同时获得管束中任意一根传热管的相变传热系数。测试工况蒸发饱和温度可在‑10‑20℃、冷凝饱和温度可在30‑50℃、测试压力可在0‑2.5MPa范围内变化。可根据需求更换降膜分配器。本发明集水平单管、管束外相变换热和单管水侧压降测试为一体，可满足不同研究需求。

说明书

技术领域

本发明涉及制冷空调领域，具体涉及一种水平管束及单管外制冷工质降膜蒸发、池沸腾和凝结相变换热测试装置。

背景技术

降膜式蒸发器、满液式蒸发器和冷凝器在制冷空调行业中应用广泛，是大型制冷空调机组里面的关键换热部件。蒸发器和冷凝器的换热影响着整个制冷机组的运行效率，因此开发高性能的蒸发器和冷凝器是提高制冷空调系统综合性能的有效途径。

卧式管壳式蒸发器和冷凝器中布置有多排管束，管排数目因系统热负荷需求而有差异。开发高效的换热管和研究新型制冷剂的换热性能都需对传热单管以及管束外的换热特性进行综合测试。因为在降膜蒸发、满液式蒸发和冷凝器中位于不同位置管排的换热性能均有差异。管束和单管的换热性能必须分别进行测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集水平单管、管束外相变换热和单管水侧压降测试为一体，可满足制冷空调厂商、科研院所的不同研究需求的水平管束及单管外制冷工质降膜蒸发、池沸腾和凝结相变换热测试装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括制冷剂循环、加热水和冷却水循环系统；

所述的制冷剂循环系统包括带有压力传感器的冷凝器和带有压力传感器的蒸发器，在冷凝器上部布置有冷却管束、底部布置有传热管，冷凝器内存储有液相制冷剂，冷凝器底部冷媒出口通过安装有冷媒流量计及一号阀门的管路与蒸发器内的液膜分配器相连，测试管束安装在蒸发器内液膜分配器的下端，蒸发器顶部及底部冷媒出口还通过各自的管路以及安装在各自管路上的二号阀门、三号阀门与冷凝器相连；

所述的加热水循环系统包括热水箱，热水箱的出口经管路及安装在管路上的电磁流量计及温度传感器与蒸发器内的测试管束入口相连，测试管束出口经管路及管路上的温度传感器与热水箱的入口相连；

所述的热水箱还通过管路及安装在管路上的阀门与冷凝器传热管相连构成回路；

所述的冷却水循环系统包括冷却水箱，冷却水箱的出口经管路及安装在管路上的温度传感器及阀门与冷凝器内的冷却管束及传热管的入口相连，冷却管束及传热管的出口经管路及安装在管路上的温度传感器、阀门及冷却水流量计与冷却水箱相连。

所述的蒸发器的安装位置高于冷凝器。

所述的冷凝器、热水箱及冷却水箱内分别安装有电加热器，所述的热水箱及冷却水箱上还连接有热水箱风冷制冷机组和热水箱风冷制冷机组。

所述的蒸发器上还安装有排气阀。

所述的热水箱及冷却水箱出口管路上分别安装有加热水泵和冷却水泵。

所述的冷凝器上还设置有充注制冷剂入口和冷媒回收阀。

所述的冷凝器的冷媒出口管路上还安装有冷媒泵，在冷媒泵入口管路上还连接有与冷凝器相连通的带有四号阀门的旁路。

所述的冷却水选择冷却介质为水或乙二醇水溶液；蒸发饱和温度为-10-20℃、冷凝饱和温度为30-50℃、测试压力为0-2.5MPa。

本发明可进行不同工况下水平管束外降膜蒸发、满液式蒸发和凝结相变换热过程传热性能的测试；可进行单管外不同工况(蒸发饱和温度-10-20℃和冷凝饱和温度30-50℃，测试压力0-2.5MPa)下降膜蒸发、满液式蒸发和凝结的换热测试；也可进行单管水侧压降和阻力系数测试。测试数据能够准确地拟合出降膜单管、管束外的传热关联式。可以根据不同工况调节热负荷，并根据需求更换降膜分配器。

附图说明

图1为本发明水平管束外降膜蒸发和凝结换热测试系统循环图；

图2为本发明水平单管外满液式蒸发换热实验系统循环图；

图3实验系统测试水平光管外满液式蒸发传热系数和Cooper公式对比；

图4实验系统测试水平光管外膜状凝结传热系数和Nusselt理论解对比；

图5实验系统测试水侧光管内阻力系数和Filonenko公式对比；

图6实验系统测试管排外降膜蒸发传热系数。

图中：(1)冷凝器；(2)蒸发器；(3)电磁流量计；(4)压力传感器；(5)冷媒流量计；(6)排气阀；(7)冷媒泵；(8)充注制冷剂入口；(9)加热水泵；(10)热水箱；(11)冷媒回收阀；(12)冷却水泵；(13)冷却水箱；(14)液膜分配器；(15)冷却水流量计；(16)冷凝器加热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，2，本发明包括制冷剂循环、加热水和冷却水循环系统；

制冷剂循环系统包括带有压力传感器和电加热器16的冷凝器1和带有压力传感器4和排气阀6的蒸发器2，蒸发器2的安装位置高于冷凝器1，在冷凝器1上部布置有冷却管束、底部布置有传热管，冷凝器1内存储有液相制冷剂，冷凝器1上还设置有充注制冷剂入口8和冷媒回收阀11，冷凝器1底部冷媒出口通过安装有冷媒流量计5及一号阀门的管路与蒸发器2内顶部的液膜分配器14相连，测试管束安装在蒸发器2内液膜分配器14的下端，蒸发器2顶部及底部冷媒出口还通过各自的管路以及安装在各自管路上的二号阀门、三号阀门与冷凝器1相连；冷凝器1的冷媒出口管路上还安装有冷媒泵7，在冷媒泵7入口管路上还连接有与冷凝器1相连通的带有四号阀门的旁路；

所述的加热水循环系统包括带有电加热器的热水箱10，热水箱10的出口经管路及安装在管路上的加热水泵9、电磁流量计3及温度传感器与蒸发器2内的测试管束入口相连，测试管束出口经管路及管路上的温度传感器与热水箱10的入口相连；

所述的热水箱10还通过管路及安装在管路上的阀门与冷凝器1传热管相连构成回路；

所述的冷却水循环系统包括带有电加热器的冷却水箱13，冷却水箱13的出口经管路及安装在管路上的冷却水泵13、温度传感器及阀门与冷凝器1内的冷却管束及传热管的入口相连，冷却管束及传热管的出口经管路及安装在管路上的温度传感器、阀门及冷却水流量计15与冷却水箱13相连；本发明的冷却水选择冷却介质为水或乙二醇水溶液；蒸发饱和温度为-10-20℃、冷凝饱和温度为30-50℃、测试压力为0-2.5MPa；

所述的热水箱10及冷却水箱13上还连接有热水箱风冷制冷机组和热水箱风冷制冷机组。

管束外降膜蒸发传热测试冷媒循环原理：测试管束安装在蒸发器2中。液态制冷工质充灌于冷凝器1底部，经冷媒泵7加压后流入蒸发器2。经液膜分配器14后在测试传热管束外均匀降膜，测试传热管束内通入加热水，制冷工质在管束外蒸发，由液态变为气态，从顶部流入冷凝器1，未蒸发完的制冷工质从蒸发器2底部返回冷凝器1。冷凝器1中布有冷却管束，管内通入冷却水。从降膜蒸发器流入的气相制冷工质在冷凝器中的管束外凝结变成液体再次进入制冷工质的循环过程。降膜蒸发器和冷凝器中均布有两对可视化窗口，可观察降膜蒸发传热测试过程中不同位置液膜的分布情况。冷凝器上部布置冷却管束，将蒸发为气相的冷媒凝结后储存在冷凝器底部。测试过程中，系统内的饱和温度维持恒定，冷凝器的作用是维持系统内降膜蒸发所需的饱和温度和压力。

满液单管池沸腾换热测试冷媒循环原理：池沸腾传热测试传热管安装在冷凝器的底部。传热管安装采用螺纹压紧密封，易于安装和拆卸。制冷工质充灌于冷凝器底部，沸腾传热管内通入热水，冷媒在传热管外沸腾传热，吸收热量，从液相变为气相。冷却管束中通入冷却水，变为气相的冷媒在管束外凝结变成液相，在重力作用下返回冷凝器底部。

降膜蒸发传热和池沸腾传热共用相同的加热循环水路。在池沸腾传热测试时，冷媒泵不工作，蒸发器和冷凝器连通管路阀门关闭，不参与换热的传热管束水流阀门关闭。

水平管束以及单管外膜状凝结传热测试循环原理：冷却管束安装在冷凝器中，液相制冷工质在蒸发器的水平管束外降膜蒸发变成气体，流入冷凝器。气相冷媒在冷凝器中传热管束外凝结变成液体。在凝结过程测试传热管的凝结换热性能。可以测试管排以及液膜厚度对于凝结传热的影响。降膜蒸发管排中加热水为系统提供所需的热量，维持系统所需的凝结饱和温度。冷凝管束也可安装在蒸发器中，液相冷媒通过安装在冷凝器中的电加热加热变成蒸气，在蒸发器中管排外凝结，测试其传热系数。

测试单管外的膜状凝结传热时，其余管排中水路通过阀门关闭，只留单管通水即可进行单管外的凝结传热测试。测试过程冷媒循环原理和管束外凝结传热实验相同。

在实验中，需要测试的数据包括：蒸发器内的制冷工质气相温度，冷凝器中气相以及液相温度，液膜分配器入口冷媒温度，环境温度，冷却水的进出口温度、温差及流量，不同管排加热水的进出口温度、温差以及流量，蒸发器和冷凝器中的压力，和传热管水侧压降等。实验所要获得的数据包括：不同管排或单管的总传热系数、管内对流换热系数、管外相变换热系数和水侧阻力系数。上述所要测试的数据准确性直接影响到传热系数测定的不确定度，须尽可能提高温度、压力和流量测量的准确性。此外，换热管的长度应大于0.5m。

实验测试进入稳态判据：调节水流量、电加热功率或加热水温度、冷却水温，使系统达到预定的平衡点。如果十分钟之内系统压力测量值对应饱和温度值变化小于0.1℃，同时冷却水(或加热水)入口水温测定值变化不超过0.1℃，则认为系统已经达到稳态。

实验系统包括加热水和冷却水两个水循环系统。循环水路沿程都有保温措施。通过分水器可将水流均分，确保流过不同测试传热管间的流量相同，波动小于±0.1m/s。冷热水箱中都配有风冷制冷机组和电加热系统，可调节维持水箱内的温度在±0.1℃范围内。根据设定温度和加热量要求，电加热功率可进行自动控制。

在完成降膜蒸发实验时，热水箱加热水经水泵加压一部分经旁通流回水箱，另一部分流经蒸发器，和冷媒换热之后返回水箱。冷却水流经冷凝器，将气相冷媒冷却凝结后返回水箱。

水循环系统包括：

(1)热水箱和冷水箱各1个，体积需满足系统循环需要，水箱为304不锈钢内胆，外加聚氨脂保温层，保温厚度大于100mm。水箱中间布置混流挡板，可实现水箱中水流充分混合。如果实验测试蒸发饱和温度要求低于10摄氏度，冷水箱中可充灌乙二醇以满足实验系统冷却要求。

(2)风冷制冷机组2个。分别为冷水箱和热水箱提供可靠的制冷量。冷水箱为实验系统提供冷冻水。热水箱为系统提供加热水。冷水箱和纯水箱均配置电加热系统，均可连续调节电加热功率。控制台安装数字电功率参数仪，可监测水箱的电加热功率。两个水箱温度设定后均可实现自动控制保持水温恒定。热水箱水温调节变化范围：1-60℃，冷水箱温度：-5-30℃。

两个水箱同时使用，由制冷机组、电加热器加热和温控器控制水箱温度保持在所要求的范围之内。

实验数据处理方法

以管束外降膜蒸发换热测试为例：

在降膜蒸发换热中，每根传热管的换热量可通过以下公式获得：

对冷却管束换热，每根传热管的换热量可通过以下公式获得：

其中和分别为单排管束中加热水和冷却水的质量流量。φ_e,m和φ_c,n分别为单排传热管的蒸发换热量和冷凝换热量。t_e,m,in和t_e,m,out和分别为单排加热水的进出口温度。t_c,n,in和t_c,n,out分别为单排冷却水的进出口温度。c_p,m和c_p,n分别为管内平均水温下加热水和冷却水的等压比热容。

得到加热管和冷却管的每根传热管的换热量后，可通过以下公式检查整个实验系统的热平衡：

上式中，φ_p为冷媒加压屏蔽泵的功率，m和n分别为安装在降膜蒸发器和冷凝器中的传热管数目，φ_a为平均换热量，通过以下公式计算得出：

每根蒸发传热管的总传热系数计算公式为：

A_o为单根传热管的外表面换热面积，A_o＝πd_oL，d_o和L分别是强化管胚管的外径和有效换热长度。△T_m是传热温差，其计算式为：

对于蒸发工况：

其中，T_s是蒸发饱和温度。

其中单根传热管的热流密度为：

为了比较不同传热管在不同蒸发温度下的蒸发传热系数，还需要求出管内、外对流换热系数的具体值，获得换热过程热阻的组成。这样，对传热管性能的改进，就可以有针对性地进行。因此，必须对管内外的热阻进行分离。

光管的管内对流换热系数采用Gnielinski公式计算：

式中：

f＝(1.82lgRe-1.64)^-2

对于双侧强化管，则通过Wilson热阻分离法获得水侧传热系数相对光管的强化倍率。获得强化倍率后，可由以下二式计算管外换热系数和Nusselt数：

Nusselt数：

管束及单管外的凝结换热测试和单管外满液式蒸发数据处理方法类似，单管实验只需将管束中管排换为单管计算热平衡即可。

综上所述，实验测定强化管的相变换热系数包括两部分内容：首先测定单根双侧强化管管内单相强制对流传热系数相对于光管的强化倍率。管束强化倍率可通过单管外满液式或凝结传热测试来获得。其次测量强化管单管及管束外降膜蒸发、凝结和满液式蒸发换热系数。

通过差压变送器测量不同流速下的水侧压降，传热管水侧阻力系数可通过以下公式计算：

其中△p为试验管进出口截面之间的压力降，L则为试验段长度，u_m为水流速，ρ为水密度，d_i为传热管胚管内径。

液膜流动状态用液膜雷诺数来表征。液膜雷诺数的定义如下。

其中，单位管长上的质量流量为Γ(单侧)，管长L上的质量流量μ为动力粘度/kg·m^-1·s^-1。

图2为水平单管外满液式蒸发传热系数测量的系统循环图。当实验系统的1-4号阀门关闭，蒸发器2中传热管束不参与换热，实验系统在水平单管满液式蒸发状态下运行。测试满液式单管安装在冷凝器底部，浸没在液相制冷剂中，冷媒充灌高度比传热管顶部高至少20mm。加热水分出一路通入测试满液单管，冷凝器中冷凝管束中取3根通入冷却水，用于冷凝蒸发变为气相的制冷剂。

图3为实验系统测试水平光管外满液式蒸发传热系数和Cooper公式对比。为了验证试验系统的可靠性，可将实验测试光滑单管管外满液式沸腾传热系数和Cooper进行对比。在热流密度10-40kW/m²的范围内，实验测试数据和该公式的偏差应小于±15％。

图4实验系统测试水平光管外膜状凝结传热系数和Nusselt理论解对比。为了验证试验系统的可靠性，也可将实验测试光滑单管管外膜状凝结传热系数和Nusselt理论解进行对比。在热流密度10-40kW/m²的范围内，实验测试数据和该公式的偏差应小于±15％。

图5实验系统测试水侧光滑管内阻力系数和Filonenko公式对比。为了验证实验系统测试水侧阻力系数的可靠性，可将光滑管内流动阻力系数实验测试结果和Filonenko公式进行对比。在管内水流速1.0-4.0m/s的范围内，实验测试数据和该公式的偏差应小于±10％。

图6实验系统测试管排外降膜蒸发传热系数。实验过程可变化的参数包括热流密度，液膜流量，管内水流速。通过改变参数，在热流密度20kW/m²,不同管排外的降膜蒸发传热系数如图6。