y型管(y型管化学实验)




y型管，y型管化学实验


Ｒ４０４Ａ是Ｒ２２的替代工质之一，其消耗臭氧潜能值ＯＤＰ为零，但ＧＷＰ较高，因此一些专家学者提出了减量延续技术。减量延续技术在降膜蒸发器中可应用，这种蒸发器具有换热性能好、蒸发器体积小、制冷剂充注量少、回油性能好等优点，国内外学者主要从喷淋密度、蒸发温度、热流密度等参数变化对其换热性能的影响展开了实验研究。
本期，我们将针对一种新型的Ｙ形翅水平强化管，采用Ｒ４０４Ａ 在管外进行降膜蒸发实验，研究各种参数对其换热性能的影响。
实验装置与方法
１．１ 实验装置
水平管外降膜蒸发实验系统如图１所示。该实验台由管外降膜蒸发和管外冷凝两部分组成，实验系统主要由如下三部分构成。

１）制冷剂循环回路：
筒体底部——过冷器过冷——流经质量流量计——布液器——喷淋管喷淋——在蒸发管表面形成均匀分布的薄膜——吸收蒸发管内热水的热量后变为气体——经蒸发冷凝筒体的丁字形隔板进入冷凝侧——管壁进行换热凝结成制冷剂液体回到筒体底部。
２）蒸发侧热水循环回路：
循环水在水泵的驱动下，经电加热器加热至所需温度，而后经电磁流量计流入蒸发管内，为蒸发管外制冷剂蒸发提供热量、完成循环。
３）冷凝侧乙二醇水溶液循环回路：
乙二醇溶液在乙二醇箱中被室外风冷制冷机组降温，由电加热器调控温度后流入冷凝管内，为管外制冷剂提供冷量，再返回乙二醇箱中完成循环。
本次实验中，实验管件为管外Ｙ形翅＋内螺纹双侧强化管，简称为Ｙ形管。
图２,３分别为Ｙ形管的管外微观结构图和剖面图。

图４为Ｙ形管的几何结构图。

Ｙ形管表面结构参数如表１所示。

１．２实验方法
实验的主要目的是研究换热管的管外换热特性。首先进行蒸发管内热水换热量Ｑｅ和冷凝管内乙二醇水溶液换热量 Ｑｃ的计算，再根据热平衡关系式进行校核，本次实验热平衡误差在５％以内。具体公式如下。

本次实验数据处理中，为研究管外换热性能，采用热阻分离法将管外表面换热系数ｈｏ从总传热系数Ｋ中分离出来，具体过程阐述如下。由于翅片材料为铜，且翅高不到１ｍｍ，其翅效率接近１，故翅面总效率也近似取１。忽略污垢热阻，则传热过程方程可表示为：

2、结果与分析
２．１ 喷淋密度对Ｙ形管换热特性的影响
实验过程中，保持蒸发管内水速为２ｍ／ｓ，蒸发温度为５ ℃，热流密度为２５ｋＷ／ｍ２，调节屏蔽泵的转速，控制单位管长单侧制冷剂喷淋密度 Γ在０．０３９～０．０５６ｋｇ／（ｍ·ｓ）之间变化，进而得到Ｙ形管的总传热系数Ｋ和管外降膜蒸发传热系数ｈｏ的变化趋势，如图５所示。

由图５可以看到，Ｙ形管Ｋ和ｈｏ随着Γ 的增加呈现先增加后下降的趋势，并存在最佳喷淋密度值。这是由于在低喷淋密度下，换热管表面覆盖液膜较薄，液膜波动比较小，黏滞力起主要作用，传热过程主要依靠导热来完成，ｈｏ比较小。
随着Γ 的不断增加，液膜对壁面扰动增强，ｈｏ不断增大；同时Ｙ形管具有较高的翅片高度，液膜覆盖区域较大，增加换热面积，从而强化换热效果。
随着Γ 的继续增大，液膜逐渐加厚，则壁面换热热阻不断增加，其效果强于液膜对壁面的扰动，从而ｈｏ呈现下降趋势。当液膜的波动对ｈｏ的增强效果与液膜厚度的增加对传热过程的减弱效果达到平衡时，传热效果达到最佳，因而存在最佳喷淋密度值，Ｋ的变化过程与ｈｏ相似。
本次实验结果表明，当Γ 达到０．０５２５ｋｇ／（ｍ·ｓ）附近时，传热系数可达到最大值。在实际应用中，可将喷淋密度范围控制在最佳值附近，以获取更大的传热系数。
２．２蒸发温度对Ｙ形管换热特性的影响
实验工况：Γ 维持在０．０４３ｋｇ／（ｍ·ｓ），蒸发管内水流速为２ｍ／ｓ，热流密度为２５ｋＷ／ｍ２，蒸发温度ｔ从５℃增加至２０ ℃，每隔５ ℃为一个工况点。Ｙ形管传热系数随蒸发温度的变化如图６所示。由图６可以看出，Ｙ形管Ｋ和ｈｏ随着ｔ的升高呈现先减小后增大的趋势。

上述变化趋势与制冷剂的物性相关，主要由制冷剂Ｒ４０４Ａ的导热系数、表面张力及黏度三者共同作用决定。随着ｔ的升高，Ｒ４０４Ａ的导热系数不断减小，从而使传热系数不断减小，此时导热系数的影响占主导地位。随着ｔ的进一步升高（ｔ高于１０℃），Ｒ４０４Ａ 的表面张力及黏度逐渐减小，其对换热性能的影响开始显现，表面张力减小，液膜波动幅度增大，黏度减小使得液膜惯性力增强，流速加快，厚度减小，在表面张力和黏度的作用下，导热系数对传热系数的影响不再起主导作用，Ｋ和ｈｏ开始增大。
２．３ 热流密度对Ｙ形管换热特性的影响
实验工况：Γ 维持在０．０４３ｋｇ／（ｍ·ｓ），蒸发管内水流速为２ｍ／ｓ，蒸发温度为５℃，热流密度ｑ在１５～３０ｋＷ／ｍ２范围内变化。Ｙ形管传热系数随热流密度的变化如图７所示。呈现先减小后增大的趋势。

上述变化趋势与制冷剂的物性相关，主要由制冷剂 Ｒ４０４Ａ 的导热系数、表面张力及黏度三者共同作用决定。随着ｔ的升高，Ｒ４０４Ａ的导热系数不断减小，从而使传热系数不断减小，此时导热系数的影响占主导地位。随着ｔ的进一步升高（ｔ高于１０℃），Ｒ４０４Ａ 的表面张力及黏度逐渐减小，其对换热性能的影响开始显现，表面张力减小，液膜波动幅度增大，黏度减小使得液膜惯性力增强，流速加快，厚度减小，在表面张力和黏度的作用下，导热系数对传热系数的影响不再起主导作用，Ｋ和ｈｏ开始增大。
２．３热流密度对Ｙ形管换热特性的影响
实验工况：Γ 维持在０．０４３ｋｇ／（ｍ·ｓ），蒸发管内水流速为２ｍ／ｓ，蒸发温度为５℃，热流密度ｑ在１５～３０ｋＷ／ｍ２范围内变化。Ｙ形管传热系数随热流密度的变化如图７所示。
管壁温度升高，壁面过热度增大，实验过程中所提供的Γ 太小，无法满足蒸发的需求，使得换热管壁面局部出现“干涸”，从而传热系数有所下降。为进一步探究喷淋密度、热流密度对换热性能的影响，针对Ｙ形管进行了２种不同喷淋密度下的变热流密度实验，实验结果如图８所示。

由图８可以看出，热流密度对强化管降膜蒸发换热性能的影响受到喷淋密度的制约，在不同的喷淋量下，随着热流密度的增大，传热系数曲线的斜率明显不同。在较低喷淋量下，当壁面过热度很小时，Ｒ４０４Ａ对Ｙ形管顶端气泡捕捉较为敏感，气泡扰动作用增强，传热系数上升较快。而随着热流密度的继续增加，喷淋量 不足 以满足蒸发量的情况下，在较低喷淋量下传热系数下降趋势更快，说明壁面干涸对传热恶化效果更强。而在２种喷淋量下，出现干涸状况热流密度的转折点不同。因此，在实际应用过程中，需要根据热流密度来采用合适的喷淋密度，避免管壁出现干涸现象。
２．４ Ｙ 形管降膜蒸发正交试验设计
综合上述实验结果，探究了降膜蒸发的单一因素对换热性能的影响。为了寻找出影响降膜蒸发换热性能的主要影响因素，并找到最佳实验状态点组合，达到最好的强化换热水平，本次实验对Ｙ形管进行了降膜蒸发正交试验设计。
本次试验的影响因素分别为Ａ喷淋密度、Ｂ蒸发温度、Ｃ热流密度。对各因素状态点的组合进行了１６组试验，并采用极差分析的方法得到了最优组合。极差分析最终结果表明３个因素的影响程度依次为Ｃ＞Ａ＞Ｂ。即对于降膜蒸发传热系数而言，热流密度的影响最大，喷淋密度的影响紧随其后，蒸发温度的影响最小。
根据３个试验因素对降膜蒸发传热系数的影响程度，在设计试验工况时需要重点考虑热流密度和喷淋密度工况点选择，尽可能避免有效工况点的遗漏。表２为正交试验因素和水平，以因素的不同水平取值为横坐标，以ｈｏ为纵坐标，得到如图９所示的影响趋势图。从图９ 可以看出，当 Γ＝０．０４６５ｋｇ／（ｍ·ｓ）、ｔ＝２０℃、ｑ＝２０ｋＷ／ｍ２时对应的降膜蒸发传热系数最大，最优组合为 Ａ３、Ｂ４、Ｃ２。
２．５ 降膜蒸发传热关联式的预测
针对制冷剂 Ｒ４０４Ａ在Ｙ形管上的降膜蒸发实验结果，利用量纲一分析及多元非线性回归进行降膜蒸发传热关联式的拟合。参照Ｂａｒｕａｈ等人和 Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓ等人的量纲一分析方法，本次关联式拟合采用式（１１）所示的量纲一数。

图１０为传热预测关联式计算所得到的降膜蒸发传热系数与实验所得到的降膜蒸发传热系数的误差图，可以看到降膜蒸发传热系数实验值与计算值的偏差在 ±２０％之内（置信度为９５％），说明关联式合理。

3、结论
１）通过实验数据的对比分析，得出了Ｒ４０４Ａ在上述各参数变化下针对Ｙ形管换热性能的变化规律。并通过正交试验的设计和极差分析的方法得出：对于Ｙ形管降膜蒸发传热系数而言，热流密度对其影响最大，喷淋密度的影响紧随其后，蒸发温度的影响最小。
２）热流密度对Ｙ形管的降膜蒸发换热性能的影响受到喷淋密度的制约，在实际应用过程中，需要根据热流密度采用合适的喷淋密度，避免管壁出现干涸现象。在本实验条件下，存在最佳喷淋密度值。蒸发温度对换热性能的影响与制冷剂的物性有关。

３）针对Ｙ形管的降膜蒸发传热关联式拟合所采用的理论模型可以延伸用于翅片结构参数变化对强化换热管降膜蒸发换热性能的影响。


















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