水在螺旋盘管内的换热及压降特性研究*

张小艳，赵珊媛，洪珊瑚

(西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054)

0 引 言

随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的卫生热水、空调已成为普遍需求。热泵技术是一种行之有效的节能方法，广泛应用于采暖和加热生活热水，节约大量高品位的电能、天然气和燃油等，减少CO2的排放［1-3］。

螺旋盘管换热器是在传统管式换热器的基础上开发出来的一种新型高效的换热器，因其优越的结构特性和高效的换热效率广泛应用于制冷空调、热泵、余热回收等系统之中［4-7］。如地源热泵的地下埋管采用螺旋盘管的形式［8-11］，不仅占地面积小、换热效果稳定，而且施工简单、初投资小。另一方面，螺旋套管换热器因具有结构紧凑、传热效率高、二次流和制作简单等优点，在制冷空调，尤其是热泵系统中已经广泛的用作冷凝换热器［12-13］，其换热过程包括螺旋盘管内水的对流换热和螺旋环形空间内制冷剂的凝结换热。可见，无论是对于地源热泵的螺旋盘管，还是螺旋套管换热器，了解螺旋盘管内水的对流换热与压降特性都具有重要的实用价值。

陈志光等［14-15］采用实验方法对螺旋管的对流传热系数进行测定，并利用Fluent 软件对螺旋管的传热情况以及螺旋管周围的温度场进行数值模拟。结果表明，在设定的实验条件下，水-水螺旋管传热系数，自然对流情况下为350 ～550 W/(m2·K)，强制对流(搅拌)下为400 ～730 W/(m2·K).朱宏晔等［16］采用Fluent 软件对单相水和蒸汽在不同尺寸螺旋管内部的流动和传热过程进行模拟，并研究了壁面的局部传热特性。计算结果表明:远离螺旋中心线一侧局部传热较强而靠近螺旋中心线一侧传热较弱，壁面Nu 周向分布非常不均匀，影响Nu 周向分布的主要结构参数是管径与螺旋直径之比;Re 增大时，局部Nu 也随之增大且分布趋于不均匀，但当Re ＞3 ×104时，Nu 分布不再随Re 变化;管壁与外界传热方式对局部Nu 分布影响可忽略不计。Jayakumar 等在文献［17］中给出了局部Nu 沿着螺旋管长度和管壁周向的变化，并对竖向螺旋盘管通过改变管间距、管径等盘管参数进行数值模拟计算，研究这些参数对换热的影响，并发展了Nu 的预测关系式。

上述文献虽然能为螺旋管内流体换热与流动性能的研究提供一定的理论依据，然而可用于螺旋管以及螺旋套管换热器设计与优化的基础数据仍然非常有限。文中以水为工质，通过实验手段对水在不同结构参数的螺旋盘管换热器内的对流换热及压降特性进行研究，以期取得详细的实验数据，并通过对实验数据的整理分析，得到换热器的各项性能指标与工况参数的相关关系，为螺旋盘管以及螺旋套管换热器的优化、设计提供参考，同时对制冷、空调、热泵系统的节能运行也具有一定的指导意义。

图1 实验装置结构简图Fig.1 Schematic diagram of the experimental facility

1 实验装置

图1 为实验装置的结构简图，由实验准备段与实验段组成。实验准备段主要包括稳压罐、水泵、浮子流量计;实验段包括螺旋盘管换热器，以及为螺旋盘管换热器提供热量的一套电加热系统。实验装置运行时，在泵和稳压罐的作用下，一定压力的水通过浮子流量计计量后进入螺旋盘管换热器，在换热器内被管外缠绕的加热带加热后排出。水的流量可通过流量计前的阀门1，2 进行调节，加热功率可由调压器8 通过改变电路中的电压来调节。本实验中水的雷诺数范围为4 000 ～9 000，体积流量为200 ～350 L/h，加热功率为80 ～350 W.

实验中的管壁温度由焊接在螺旋盘管换热器进、出口的T 型热电偶来测量，水温由同一位置处水流中插入的热电偶来测量，水的进口压力由压力表测量，螺旋盘管内水的压降由U 型压差计测量。对于每一实验工况，在系统达到稳态后，测量并记录温度、压力、压降、流量、加热功率等实验参数。

图2 螺旋盘管的几何参数图Fig.2 Characteristic geometrical parameters of spiral coil

实验段分别采用4 种不同形状及规格的螺旋盘管，它们均由外径为16 mm 的铜管加工而成，其形状及结构参数如图2 和表1 所示。4 种螺旋盘管的参数是依据广州翔瑞制冷设备有限公司XRE系列螺旋套管换热器的内管结构参数而确定的。

表1 4 种螺旋盘管的几何参数Tab.1 Details of spiral coils used in test section mm

2 实验数据处理

实验段的加热功率可由电路中的功率表测量得到，因实验段用绝热材料包裹，热损失可忽略不计，实验段的换热量近似等于加热功率。被加热管壁与管内水之间对流换热的基本公式是牛顿冷却公式，如式(1)所示。

式中 φ 为换热量，W;A 为换热面积，m2;h 为对流换热系数，W/(m2·℃);Δtm为平均传热温差，℃;Cp为流体的比热，J/(kg·℃);ρ 为流体密度，kg/m3;u 为流体的流动速度，m/s;de为流动通道的当量直径。

对于管内湍流强制对流换热，可用幂函数形式的实验关联式来表示，当流体被加热时，其形式如公式(2)所示［12］。

式中 系数C 和指数a 可通过实验数据拟合来得到。基于本研究所得到的实验数据，拟合结果由公式(3)和(4)给出对于椭圆形螺旋盘管

对于圆形螺旋盘管

流体在管内的流动阻力，可用下式来表示

式中，L 为换热管的长度，m;f 为阻力系数。

3 实验结果与分析

3.1 雷诺数Re 对平均换热系数与压降的影响

图3 所示为水在不同结构参数的螺旋盘管内流动时，平均换热系数h 随雷诺数Re 的变化关系。图示表明:随着Re 的增加，平均换热系数h 随之增大。4 种螺旋盘管的形状或尺寸虽各不相同，但随Re 的变化趋势很相似。这是因为Re 的增加即水流速的增加，不仅使流体表面的剪切力和流动的紊流程度增加，而且因螺旋盘管结构造成的离心力和二次流也增加，边界扰动增强，换热效果增强。在相同Re 时，SC 型螺旋盘管的换热系数比BC 型大14.9%至20.4%，这是因为螺旋盘管的弯曲半径越小，二次环流的影响就越大，边界扰动越强，换热随之增强。而在相同Re 时，有着相同弯曲半径的2 种椭圆型螺旋盘管中，BE 型螺旋盘管的换热系数则比SE 型大15.5%至23.1%.

图4 所示为水在不同结构参数的螺旋盘管内流动时，压降随雷诺数Re 的变化关系。图示表明:水在4 种螺旋盘管内的压降均随Re 的增加而增大，这主要是因工质流速的增加而引起的。此外，压降还受螺旋盘管结构、管道长度、管径、工质物性等因素的影响。在本实验中，管径相同，工质物性在实验工况范围内变化不大，所以压降的主要因素是螺旋盘管结构、管道长度和流速。在同一流速即Re 相同时，4 种盘管中，BE 型螺旋盘管的管长最大，但其椭圆形结构对流体的扰动作用却弱于圆形，两者相比管长的影响占优势，故其压降最大，平均比SC 型螺旋盘管的压降大16%左右。而SC 型螺旋盘管的管长虽为最小，但其最小的弯曲半径所造成的强烈扰动却使压力损失增大，这一影响与管长相比占优势，故其压降明显比其它2种螺旋盘管大，平均比SE 型螺旋盘管的压降大12.7%左右，比BC 型大26.9%左右。

图3 雷诺数Re 对平均换热系数的影响Fig.3 Effect of Re on average heat transfer coefficient

图4 雷诺数Re 对压降的影响Fig.4 Effect of Re on pressure drop

3.2 加热功率对平均换热系数的影响

图5 所示为不同水流量Q 时，加热功率对平均换热系数的影响。图示表明:平均换热系数均随加热功率的增加而增大，且当加热功率相同时，SC 型螺旋盘管的换热系数始终最大，但对于一定的水量，当加热功率过大时，SC 型螺旋盘管内出现了偏离单相换热的情况，故图中显示SC 型螺旋盘管的加热功率较小。在本实验的水流量和加热功率范围内，BE 型螺旋盘管内水的换热系数始终大于SE 型，但其大于程度却随水流量与加热功率的不同而异。对于BC 型螺旋盘管，却出现了随着水流量的增加，其换热系数逐步攀升的情况，当Q =200 L/h，其换热系数值介于SE 型与BE 型螺旋盘管之间，但当Q=350 L/h 时，BC 型螺旋盘管内水的换热系数却几乎超过了SE，BE 型。所以，在实际应用中可根据使用工况的不同选择合适的螺旋盘管换热器。

图5 加热功率对平均换热系数的影响Fig.5 Effect of heating power on average heat transfer coefficient

4 实验结果与计算结果的比较

图6 所示为水在4 种螺旋盘管内的换热实验结果与相同工况下水在直管内换热计算结果的比较。图示表明:水在螺旋盘管内的实验换热系数均大于同工况下水在直管内的计算换热系数，进一步证明了螺旋盘管对换热的强化作用，且这种强化作用在本实验的Re 范围内，呈现出随Re 增大而逐渐减弱的趋势。在4 种螺旋盘管中，SC 型螺旋盘管中水的Nu 数与其对应直管换热器计算Nu数之间的差值最大，进一步证明了SC 型螺旋盘管良好的换热强化效果，而SE 型螺旋盘管的换热强化效果比其它型式的要差一些，这一比较结果能够与实验结果相吻合。

图6 不同螺旋盘管中实验结果与计算结果的比较Fig.6 Comparison of the calculations with experimental results in different spiral coils

5 结 论

文中对水在4 种不同结构螺旋盘管内的换热与压降特性进行了实验研究，得出如下结论

1)水的平均换热系数均随Re 的增加而增大，相同Re 时，最大平均换热系数出现在圆形螺旋盘管的SC 型中，换热系数比BC 型超出14. 9%至20.4%，这是因其最小的弯曲半径所致。而在有着相同弯曲半径的2 种椭圆型螺旋盘管中，水在BE型中的换热系数则比SE 型超出15.5%至23.1%.

2)水在螺旋盘管内的压降均随Re 的增加而增大，相同Re 时，BE 型螺旋盘管管长最大，但其椭圆形结构对流体的扰动作用却弱于圆形，两者相比管长影响占优势，故其压降最大。而SC 型螺旋盘管管长虽最小，但其最小的弯曲半径所造成的强烈扰动却使压力损失增大，这一影响与管长相比占优势，故其压降明显大于其它两种螺旋盘管，平均比SE 型大12.7%左右，比BC 型大26.9%左右。

3)平均换热系数均随加热功率的增加而增大，相同加热功率时，SC 型螺旋盘管的换热系数始终最大。在本实验的水流量和加热功率范围内，BE 型螺旋盘管内水的换热系数始终大于SE 型，但其大于程度却随水流量与加热功率的不同而异。对于BC 型螺旋盘管，却出现了随着水流量的增加，其换热系数逐步攀升的情况。

4)水在螺旋盘管内的实验换热系数均大于同工况下水在直管内的计算换热系数，证明了螺旋盘管对换热的强化作用，该强化作用随Re 增大而逐渐减弱。在4 种螺旋盘管中，SC 型的实验Nu 与计算Nu 差值最大，证明了SC 型螺旋盘管具有最佳的换热强化效果，而SE 型螺旋盘管的换热强化效果比其它型式的要差一些，这一结果与实验结果相吻合。

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