冷凝铜管排列方式对箱壁式冰箱换热性能的影响

李 倩　欧阳新萍

(上海理工大学制冷与低温工程研究所　上海　200093)



冷凝铜管排列方式对箱壁式冰箱换热性能的影响

李 倩欧阳新萍

(上海理工大学制冷与低温工程研究所上海200093)

通过实验分别测试了箱壁式冰箱在冷凝管水平布置和竖直布置方式下的能效比，并且对实验工况下水平管和竖直管管内的冷凝换热系数进行了理论计算。结果表明：尽管理论计算结果显示水平管布置方式的管内冷凝换热系数高出竖直管布置方式较多，但实验结果显示两者整体传热性能相差极小。总体来说，采用水平管布置方式的冰箱的能效比仅高出约2%，箱壁式冰箱冷凝器的主要换热热阻在管外空气侧，这两种布置方式导致的管内换热的差异对箱壁式冰箱的整体换热性能影响不大。

冰箱；箱壁式冷凝器；管排列方式；冷凝换热系数

冷凝器在工业生产中的应用极为普遍，例如电厂热力系统中的凝汽器，制冷工业中蒸气压缩式或吸收式制冷机中的冷凝器。冷凝器在化学工业(包括石油化学工业)中的应用更是不胜枚举。在当前能源紧张的形势下，冷凝器的换热研究对节约能源有着十分重要的意义。

冰箱制冷系统中采用的冷凝器基本有三种型式：丝管式冷凝器、百叶窗式冷凝器、箱壁式冷凝器[1]。其中，箱壁式冷凝器是由φ4 mm～φ6 mm镀锌钢管或铜管，用铝箔粘附于冰箱外钢板内壁或与冰箱外钢板内壁点焊而成，具有结构紧凑、不占用外部空间、冰箱外表平整美观的优点，因而目前冰箱用冷凝器大多采用箱壁式冷凝器。箱壁式冷凝器管子排布有横向、竖向和横竖交叉布置等形式，对于哪种排列型式换热效果更优，还没有定论。

姚玉平[2]认为，冷凝管竖排与横排比较，管外侧换热系数可提高20%，但是未能给出冷凝器管内冷凝换热详细的分析。考虑到管内外换热系数相差悬殊，管外热阻较大，故仅从管外换热出发，通过理论计算，得出竖排换热系数比横排的将近提高20%，从而冷凝器的总传热系数k的数值也将有所提高的结论并不十分具有说服力。

邵延年[3]则认为，在其他条件不变的情况下，将竖管改为横管，管内冷凝换热系数可增大3倍以上。他分别对制冷剂在横管与竖管内的膜状凝结进行理论分析，认为横排盘管的换热，无论是管内还是管外都比竖排管更优，由于它是气液分层流动，不会产生压力波动和不凝结气体混杂于液体中的弊病。

Mohseni S G等[4]研究了R134a在不同倾角的光管与翅片管中的两相流流型以及它们的冷凝换热系数，发现管子倾角对冷凝换热系数的影响很大，尤其是在低蒸气流速、低质量流量的情况下。除此之外，无论是在光管还是翅片管中，最大冷凝换热系数出现在低蒸气流速，倾角为+30°的时候或者是较高蒸气流速的水平管中。而最低冷凝换热系数则出现在垂直下降流的管子中。

王补宣等[5]基于相平衡理论的最小能量原理，根据当地气液两相流动条件确定气液界面形状，并以此为基础从理论上探讨水平细圆管内流动凝结的特点。通过与竖直条件下凝结换热特性的对比，分析重力、气-液界面剪切力、表面张力对流动凝结的影响。研究发现：水平圆管内流动凝结的两相流型界于水平分层流和环状流之间；随干度的减小，重力的作用受到削弱，而剪切力的作用得到增强，逐步接近环状流动；细圆管由竖直改为水平放置时，管内换热得到强化。在之后的研究[6]中，他们通过可视化实验，分析圆管管径、流量以及倾角对管内蒸气凝结过程流型的影响。同样得到，在小尺度下，重力的影响受剪切力和表面张力作用而降低，流动的分层受到明显削弱。随着管径的减小，凝结液分布比较均匀的近环状流在干度区域所占比例增大。

显而易见的是，对于冷凝管竖排、横排或倾斜等不同布置，管内流体的流动形态、冷凝传热系数也不同。本文针对冰箱箱壁式冷凝器采用管径均为4 mm的竖管(竖排)和横管(横排)的两种布置形式，进行实验和比较分析，力求对两种排列方式的选择给出合理建议。

1 实验装置及实验数据

实验系统如图1所示，由配置箱壁式冷凝器的冰箱箱体和布置在箱体外的压缩机和蒸发器以及测试仪表构成。整个实验系统布置在可调节温度的环境室内，蒸发温度在-25 ℃以下，采用R600a作为工作介质,充注量为45 g。

实验将冰箱冷凝器(冷凝管外径为4 mm，壁厚0.5 mm)按照实际安装结构布置于冰箱的发泡箱体壁内，冷凝器的制冷剂接口从箱壁内引出，并连接好压缩机、节流毛细管、充液口。在节流毛细管后连接一段φ6.0 mm铜管，在该段铜管和压缩机之间连接一个蒸发器盘管(φ6.0 mm)，该盘管放置于恒温水箱中。

实验时，调节加热量以调节恒温水箱的水温，使之保持与环境温度相同，以消除水箱与环境之间的热量交换，这样恒温水箱消耗的能量即为制冷量。采用功率计分别测试恒温水箱的功率和压缩机的功率，从而测得电冰箱的制冷量和压缩机耗功。采用压力变送器测试冷凝压力和蒸发压力，同时获得饱和冷凝温度和蒸发温度。

1防露管 2冷凝器 3真空泵 4制冷剂罐 5连通阀 6压力表 7压缩机 8蒸发器 9毛细管 10干燥过滤器图1 实验系统图Fig.1 Schematic diagram of the experiment system

实验在搭建的环境室内进行，调节环境室内温度至25 ℃，分别针对两种冷凝器形式(冷凝盘管横放和竖放，保证两种情形的传热面积相同)进行实验。实验数据如表1所示。

表1 实验数据

2 管内冷凝换热的理论分析

对于箱壁式冷凝器，管子的排列方式主要对管内制冷剂的流动与换热产生影响。本文研究管子的排列方式所导致的管内冷凝换热系数的变化。

制冷剂在管内的流态属于复杂的两相流。对于两相流，管内换热系数与制冷剂的性质、流动的类型、管子的排列方式有关。Cavallini A等[7]认为不同的凝结换热形态必须进行不同的分析，选择不合适的流型会导致严重的错误。因此，本文从管子的排列和流态出发，管内冷凝换热系数的计算分析如下。

2.1 水平管

当气液混合物流过水平管，需要知道流体沿管子不同位置的流动形态，从而选择合适的关联式以预测水平管内侧的换热系数。此处使用的主要准则是剪切力与重力之比,根据比值的大小判定流体的流动形态。在本文中，根据Breber准则数[8]区分不同的流型。通过使用Wallis无量纲气体速度和Martinelli参数可以获得。

Wallis无量纲气体速度为：

(1)

Martinelli参数为:

(2)

一般认为，j*g≥1.5的管内流态为剪切力控制；j*g≤0.5的管内流态为重力控制，相应采用不同的计算式。

对于j*g>1.5,Xtt<1的环状流，以及j*g>1.5,Xtt>1.5的泡状流，Nu数的关联式[9]计算如下：

(3)

(4)

此处，

(5)

(6)

其中：

(7)

(8)

对于j*g<1.5,Xtt>0.5的弹状流，以及j*g<0.5,Xtt<1.0的分层流，管内冷凝传热系数的关联式[10]计算如下：

(9)

此处，[11]

Ω=0.728α3/4g

(10)

(11)

2.2 竖直管

对于竖直管内下降流，假定使用相同的准则数判定流体处于剪切力控制区域还是重力控制区域。处于剪切力控制区域的换热系数采用如下公式[12]：

(12)

其中，

(13)

摩擦因子f的取值取决于Rel,f=16/Rel(Rel<2000);f=0.079Re-1/4l(Rel>2000)。

T+由下面的公式决定:

T+=Prls+s+≤5

(14)

5≤s+≤30

(15)

s+≥30

(16)

对于重力控制的区域，使用下面的计算公式。

当Re≤40时，管内冷凝换热系数的计算式如下：

(17)

对于Re>40的情形，管内冷凝换热系数计算如下：

(18)

(19)

式(18)用于层流，式(19)用于湍流。

式(19)中，Labuntsov D A[13]推荐的n值为0.5，但是相比于其他湍流公式的取值高，所以0.33是更好的选择。

对于竖直管内上升流，蒸气流速通常较低以避免溢流，作用于冷凝液的剪切力在离开管子顶部时不建议过高。管内冷凝换热系数关联式[12]为：

(20)

2.3 实验工况的理论计算

假定管内制冷剂的干度从1变化到0，查询制冷剂R600a的物性参数，可以得到计算式中所需要的一些参数；结合表1中的实验数据，计算出质量流速约为90 kg/(m25s)。

≈90 kg/(m25s)

(21)

式中：Q为实验对应饱和冷凝温度下的吸热量，kW；γ为实验对应饱和冷凝温度下的潜热，kJ/kg；A为实验管子的截面积，m2。

从实验数据可以看出，两种情形所得出的mrf均近似为90 kg/(m25s)。

通过将物性参数和实验工况参数代入式(1)和式(2)中可得到：

当j*g=1.5时，χ=0.17,Xtt=1.1；

当j*g=0.5时，χ=0.057,Xtt=3.37；

当χ≥0.17时，流体处于剪切力控制区域，当χ≤0.057时，流体处于重力控制区域。

从计算结果可以看出，剪切力对流型的影响显著，重力对流型的影响较小，环状流或近环状流所占干度区域较大。

对于水平流和竖直下降流，根据χ的数值和(或)Xtt的数值选择前述相应的计算式计算；如果当χ>0.057且χ<0.17，则分别根据χ=0.057时的重力控制计算结果和χ=0.17时的剪切控制计算结果近似进行线性插值。对于竖直上升流，采用式(20)进行计算。

将计算所得到的水平管、竖直下降流、竖直上升流的管内冷凝换热系数随蒸气干度χ的变化放在同一张图中作比较，如图2所示。

图2 管内冷凝换热系数随着干度χ的变化Fig.2 Variation of heat transfer coefficients vs. vapor quality

3 结果分析

从图2可以看出，无论是水平管还是竖直管，管内冷凝换热系数均随着干度的增加而增大。对于竖直管，在较低蒸气干度时，上升流的传热系数比下降流高，随着干度的增加，下降流的换热系数会超过上升流，甚至是有可能超过水平管的。这与文献[14]中实验所得到的结论一致。分析原因可知，在重力控制区域，水平管中底部液膜较厚，但其他大部分区域的液膜被拉薄，总体换热性能比垂直管高。对于竖直上升流和下降流，上升流的重力与剪切力作用方向相反，在低χ下，存在界面扰动，换热系数比下降流高，但随着χ的增加，将导致液膜增厚，换热系数比下降流低。而下降流的重力与剪切力作用方向相同，在低剪切控制区域，将减薄液膜，增强换热；在高χ的剪切控制区域，换热增强甚至可超过水平管。在此也推断，随着质量流速的上升，三者之间的差距将不再明显。另外，从图上可以明显看出，水平管每一段的换热系数都比竖直管的大，整体而言，水平管的平均换热系数要高出竖直管较多，数值约为竖直管的2倍。

然而从表1的实验数据可以看出，冷凝管横放时的制冷效果虽然要比竖放好，但不明显，能效比和制冷量只高出1%～2%。由于空气侧换热状态基本相同，一方面可以推断横放的管内换热效果是好于竖放，另一方面认为冰箱箱壁式冷凝器向外界散发热量主要是通过起肋片作用的箱壁实现的[15]，管内制冷剂的凝结换热系数较空气侧的换热系数大得多，因此冷凝器的换热热阻主要是外侧壁面与空气的换热热阻，管内冷凝换热的提升对整体传热的提升有限。故而两种排列方式对电冰箱的制冷性能影响不大，但本身管内的换热效果是有差别的，所以会有横、竖盘管[16]相结合走向的冷凝器。

4 结论

通过实验测试了外径为4 mm冷凝管在横排和竖排两种布置方式下下对冰箱整体换热性能的影响。

1)实验表明，在实验工况参数下，冰箱箱壁式冷凝器水平管布置的整体传热性能比竖直管布置略高，但优势不明显。

2)理论计算表明，在实验工况参数下，水平管布置的管内冷凝换热系数比竖直管布置高出较多。

3)横管、竖管内的冷凝换热系数与蒸气干度的关系很大，随干度的增加而增加；竖直下降流的管子增加幅度最大，随干度增加，与横管的差距逐渐缩小。

4)冰箱箱壁式冷凝器的主要换热热阻在管外空气侧，因此尽管水平管布置的管内冷凝换热系数高出竖直管较多，但整体的传热性能提升极少，因此这两种排列方式对电冰箱的性能影响不大。

符号说明

下标

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About the corresponding author

Li Qian, female, master, Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, +86 15921072792, E-mail:601724784@qq.com. Research fields: heat exchanger and heat enhancement.

Influence of Condensation Copper Tube Arrangement on the Heat Transfer Performance for Hot-wall Refrigerator

Li QianOuyang Xinping

(Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093,China)

Experiments are carried out separately under horizontal condensation tube arrangement and vertical condensation tube arrangement to examine energy efficiency ratio of hot-wall refrigerator. Theoretical calculations are made to analyze in-tube condensation heat transfer coefficients of horizontal and vertical tubes under the experimental conditions. The results show that: although the theoretical calculations of the in-tube condensation heat transfer coefficients of horizontal tubes are much higher than that of vertical tubes, but the experiment results indicate that there is a smaller difference on the whole heat transfer performance. Generally speaking, the energy efficiency ratio of horizontal tube arrangement is just about 2% higher, the outside air′s heat resistance plays a main role in hot-wall condenser, and the in-tube heat exchange difference caused by two tube arrangements has a small effect on the general heat transfer performance for hot-wall refrigerator.

refrigerator; hot-wall condenser; tube arrangement; condensation heat transfer coefficient

0253- 4339(2016) 04- 0101- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.101

2015年10月20日

TB657.5;TK124

A

简介

李倩，女，硕士研究生，上海理工大学制冷与低温工程研究所，15921072792，E-mail: 601724784@qq.com。研究方向：换热器与强化传热。