由于世界能源日趋紧张，以节约能源和原材料为目的，采用新技术、新材料、新工艺开发高效换热器已成为换热界一个重要研究方向^［1］。相变传热广泛存在于火力发电厂、核电站、低温与制冷、化工及轻工等工程领域，在节能领域中占有十分重要的地位^［2］。

近几十年来，针对强化管的相变传热研究已取得大量的成果。制冷空调行业采用新型强化传热管有利于节约材料和降低成本，同时有效提高热能利用率，降低能耗^［3］。在制冷空调行业，氟利昂工质对大气臭氧层的破坏尤为严重，从而造成太阳紫外线大量辐射到地球上，使人体的免疫系统受到损害，并加剧了温室效应。因此，制冷剂的替代成为刻不容缓的课题^［4］。

基于以上的问题，国内外科研院所开始研究制冷剂在单管的换热性能。张定才等^［5−6］采用双桶结构的测试系统，研究了R134a/R125混合工质、R417A等工质在水平光管及强化管外的凝结换热性能。Sajjan等^［7−8］采用相似的试验测试系统研究了R−600a在不同冷凝压力及不同管型的传热性能，并与传统的模型进行比较。双桶结构的测试原理为上桶为冷凝装置，下桶为蒸发装置，制冷剂冷凝后，液态制冷剂利用重力回到蒸发装置，并在蒸发装置中被加热，蒸发后的制冷剂蒸汽上升到冷凝装置中冷凝。此外，常见的还有带压缩机的测试系统，由压缩机作为动力来源，实现系统的循环过程^［9−10］。但是由压缩机提供动力来源的试验装置不能同时满足多种制冷剂的测试要求，而双桶式结构的测试装置在控制系统的稳定性方面存在缺陷，系统的热平衡较难控制。

通过文献分析可知，单管管外传热是目前研究的热点，对新型制冷剂及铜管等材料的蒸发冷凝机理进行研究十分必要。因此，本文设计并搭建一套性能稳定且可兼容的单管管外蒸发、冷凝及降膜蒸发一体的试验装置，以便更好地开展传热机理研究。

1 试验装置设计及工况

试验装置如图1所示。试验参数范围如表1所示。整个试验装置主要分为五大部分：制冷工质循环系统、试验段前水循环系统、试验段水循环系统、冷冻水系统和测控系统等。

制冷工质循环系统由储液器、制冷剂泵（隔膜泵）、换热器4、试验段、换热器2、质量流量计G1组成。其中，试验段的结构经过特殊设计，可以适应管外蒸发、冷凝、降膜蒸发以及管外冷凝单管浸液试验（即在冷凝管上喷制冷剂液体的同时进行冷凝试验）。试验段前水循环系统主要由换热器4、水泵b2 和电加热器H1组成。试验段水循环系统主要由电磁流量计G2、换热器1、电加热器H3 和水泵b3 组成。为保证试验段入口水温恒定，减小换热误差，利用电加热器H3实现出口水温的控制。冷冻水系统主要由冷水机组、储液器、球阀V3、换热器2等组成。测控系统由西门子PLC和力控组态软件组成。

该试验装置采用米顿罗的液压隔膜计量泵，型号为MBH201−8M，流量范围为18～180 kg · h⁻¹，精度为 ± 1%。测压装置为德鲁克压力传感器，精度为 ± 0.2%。试验系统布置了10个日本千野铂电阻，精度为 ± 0.1 ℃，用于测量制冷剂侧及水侧的温度。由于本试验系统可以满足不同制冷剂的试验要求，因此试验开始前以R22制冷剂在光管（试验段）的管外冷凝传热性能对系统进行校核，将光管的性能与传统经验公式对比，确保两者偏差达到设计要求。

2 数据计算 2.1 传热系数

传热系数由获得的传热量确定，即

$\qquad K = \frac{{{Q_{\rm{r}}}}}{{{A_{\rm{o}}}\Delta {t_{\rm{m}}}}}$

(1)

式中：A_o为试验所用的胚管外表面积，m²；Δt_m为对数平均温差，℃；Q_r为试验段制冷剂侧换热量，W；K为试验段总传热系数，W·m⁻²·K⁻¹。

试验中要求试验段制冷剂侧换热量和水侧换热量的热平衡偏差小于5%。

2.2 管内对流传热系数

管内强化管表面传热系数通过Wilson热阻分离法^［3］获得，如式（2）所示。Wilson法无需测量管壁温度，因此在管外冷凝或沸腾中得到广泛应用。

$\qquad {h_{\rm{i}}} = {c_{\rm{i}}}{h_{{\rm{ip}}}}$

(2)

式中：h_i为管内表面传热系数，W·m⁻²·K⁻¹；c_i为强化倍率；h_ip为光管内水侧表面传热系数，W·m⁻²·K⁻¹，由Gnielinski公式^［11］求得，此处传热系数的计算面积为胚管的相应面积。

2.3 管外表面传热系数

采用热阻分离法可获得管外表面传热系数，即

$\qquad \dfrac{1}{{{h_{\rm{o}}}}} = \frac{1}{K} -\dfrac{{{A_{\rm{o}}}}}{{{A_{\rm{i}}}{h_{\rm{i}}}}}$

(3)

式中：h_o为管外表面传热系数，W·m⁻²·K⁻¹；A_i为强化管胚管内表面积，m²；由于使用的是新管，忽略强化管的污垢热阻和管壁热阻。

2.4 降膜蒸发液膜流量

通常采用液膜雷诺数 ${{Re} _{\mathit{\Gamma }} }$ 表示液膜流量，即

$\qquad {{{Re}} _{\mathit{\Gamma }} } = \frac{4{\mathit{\Gamma}}}{\eta} $

(4)

式中： ${\mathit{\Gamma }}$ 为单边单位长度的液膜流量，kg·m⁻¹·s⁻¹； $\eta $ 为制冷剂动力黏度，Pa·s。

3 控制系统设计 3.1 PLC控制系统

该试验装置PLC控制系统主要由西门子PLC、Pt100 铂电阻、压力传感器、压力变速器、电磁流量计、质量流量计、调功器、变频器、电子膨胀阀、电动三通阀等组成，如表2所示。上位机通过MPI通信协议把各种开关量信号输入到PLC 中，PLC 接收到上位机发送的信号后通过已编好的程序对试验装置的开关量及模拟量进行逻辑控制，以实现上位机对试验台的自动控制。

3.2 基于力控组态软件的数据采集系统

操作系统选用的是北京三维力控科技有限公司的产品ForceControl 6.1组态软件，结合SIEMENS S7−300型PLC模块来对试验装置进行控制。该软件能够实现对数据的采集、监控与自动控制，并且能够进行相应的处理，大大提高了工作效率。该试验装置能够对温度、压力等各项参数进行实时检测，测量精度较高且操作简单，操作界面直观方便，自动化程度高。其操作界面如图2所示。

4 光管管外凝结换热试验检核

由Nusselt理论公式可以计算R22在光管管外冷凝换热中壁面过冷度（t_s−t_w）对应的管外换热系数理论值。对于直径15.88 mm的光滑管，在t_s = 35 ℃冷凝温度下，试验段水流量1 000 L·h⁻¹（即光滑管内水流速1.5 m·s⁻¹）情况下，管外换热系数h_o随着铜管壁面过冷度的增大而降低，如图3所示。这主要是因为随着铜管壁面过冷度的增大，铜管换热壁面附着的凝结液膜逐渐增多，从而加厚了液膜厚度。液膜厚度的增加反而阻碍了热量的传递，最终导致管外换热系数的降低。

图3是光管管外冷凝换热系数h_o的Nusselt理论值与试验值对比。从图中可以看出，试验值与Nusselt理论值的误差都在 ± 5%左右。这与以往的光管管外冷凝换热系数研究相符合，则证明了该试验装置的单管管外冷凝试验的可靠性和合理性。

5 结　论

为研究新型制冷剂及单管的蒸发冷凝机理，设计和搭建了一套性能稳定的综合换热试验系统。该试验装置性能稳定，满足设计要求，且具有以下特点：

（1）采用隔膜泵代替压缩机，将其作为主要的动力来源实现冷媒在系统的循环。传统的压缩机式的试验系统含有大量的润滑油，不能准确地反映试验管及制冷剂的换热性能。

（2）可满足综合沸腾、冷凝及降膜蒸发等多种试验要求。该试验装置是一个综合的变工况多功能试验台，可根据需求开展管外沸腾、冷凝及降膜蒸发等试验，即降低了试验成本，避免了设备购买的重复性，又有利于系统误差的标定和统一。