引言钛是一种具有良好抗腐蚀能力的金属，钛管被广泛应用在具有耐腐蚀要求的换热器设备中。但是钛的热导率较低，同时加工性能差、加工工艺复杂，要求的条件和工艺水平也很苛刻，传统的管内外加工螺纹、凹槽、锯齿等用于强化换热的措施对其不易实现。内插入物技术是一种比较方便的强化传热技术，加工制作方便，节省投资[1]。用于管内强化传热的内插物种类多，许多国内的学者也对管内强化传热内插物强化传热的特点及效果进行研究。雷诗毅[2]等利用纽带插入物对高黏度的导热油作为工质的强化传热效果进行分析及试验。昝永超[3]对固定式物枝状扰流物强化传热建立数学模型并进行数值计算分析，探索分支数、节距等参数对阻力及传热性能的影响。徐建民[4]等对内插螺旋弹簧管和光管的换热及其阻力特性进行试验研究。结果表明，内插螺旋弹簧的存在增加了对管内流体流动扰动，使换热管具有较好的传热效果。内插螺旋弹簧换热管强化传热综合性能比光管提高1.57~2.54倍，内插螺旋弹簧管的综合性能好于光管。冯修燕[5]等对换热管内插入钢丝螺旋进行数值模拟，研究内插螺旋换热管内速度场与温度场的分布特性，对空管和内插螺旋换热管进行比较。结果表明，相同条件下内插螺旋能够有效地改善换热管内速度场和温度场，验证管内插螺旋是提高换热性能的有效手段。董珊[6]等采用管内插入物增强锅炉烟管的传热系数，在设计烟管锅炉，特别是改造烟管锅炉中，是最有希望的强化传热方式之一。文中将钛管换热器应用在热泵上，以弹簧丝作为钛管的内插物，研究热泵工况下对钛管换热器传热的强化传热及影响。1强化传热试验台的设计1.1试验台总体方案试验台主要由热泵系统、测试段和热平衡组成。热泵系统采用1台1匹定频容积式压缩机，1台表冷器作为冷凝器或蒸发器，表冷器风扇可调速。测试段接入需要测试的换热器，测试蒸发工况。热平衡段是一个恒温水箱，采用冷水机组加电加热的方式，平衡测试段产生冷热量。试验台设计如图1所示。为确保换热介质比热容的准确性，同时便于数据处理，用水来代替盐溶液。试验台所需主要设备仪器及数量如表1所示。试验采用水称重法代替流量计，可获得更精准的流量。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.008.F001图1试验台原理图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.008.T001表1试验台所需主要设备及仪器参数设备规格数量/个压缩机1HP定频、容积式1表冷器10 m21膨胀阀丹佛斯（阀芯型号：TEX2）1水泵10 L/min1水箱100 L，ABS材质1冷水机组1.5 HP旧室外机1电加热4 kW，可调节1小板换1.5 m21压力变送器0~3 MPa4温度计pt10081.2试验方法和数据测试及处理换热器的换热量通过电加热平衡，调节加热器的功率起到调节平衡水温的目的，从而决定热泵系统蒸发温度。系统稳定后换热器的换热量需要满足：换热器换热量＝电加热功率＋水泵功率-系统漏热量＝水得热量。根据试验实际情况，设置一个偏差量，当两个热量的偏差小于某个百分比时，认为试验结果可信，取此时对应的平均值作为换热量。以单根U型套管式换热器为试验测试对象，钛管外径12.7 mm，壁厚0.65 mm，总长度5 m，换热器套管为DN40塑料管。单根U型套管式换热器示意图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.008.F002图2单根U型套管式换热器示意图测试中主要测试数据包括：蒸发器入口压力（P1）；用于转换成对应的制冷剂饱和温度（T1）；蒸发器出口压力（P2）；用于转换成对应的制冷剂饱和温度（T2）；水侧入口温度（t1）；水侧出口温度（t2）。换热器整体换热量为：Q=kA∆tm （1）k=QA×∆tm （2）通常，制冷剂流经换热器管道，由于流动阻力导致蒸发温度存在温度漂移，即换热器进口饱和温度和出口饱和温度存在偏差，且流动阻力越大，温度漂移越大。计算对数温差时应考虑饱和温度沿制冷剂方向产生的滑移。因此，对蒸发器进口和出口进行压力测试，通过压力值转化为对应的饱和温度。2试验测试及结果分析2.1试验测试根据相关文献可知，保持较小雷诺数的情况下，较大的弹簧丝丝径、较小的螺距对强化传热效果更佳[7-10]。结合本试验工况，弹簧丝螺距选取5 mm，弹簧丝丝径分别选取0.3 mm和0.8 mm。为了进行对比测试，制作3种测试样品分别为：丝径0.3 mm、螺距5 mm（简称为：0.3~5）的单U套管换热器；丝径0.8 mm、螺距5 mm（简称为：0.8~5）的单U套管换热器；无内插物的单U套管换热器（简称为：光管）。图3为样品制作过程中，对弹簧丝插入工艺及效果的检测。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.008.F003图3对弹簧丝插入工艺及效果检测选取3种典型的热泵工况，不同测试样品分别在3种特定工况下进行。如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.008.T002表2热泵工况工况蒸发温度冷凝温度工况一1050工况二545工况三040注：试验工况中蒸发温度以蒸发器出口温度为基准，所有测试水流速恒定在0.15 kg/s。℃2.2试验结果对3种工况下不同样品的传热系数进行测试，结果如图4所示。由图4可知，采用弹簧丝内插物进行管内强化传热效果明显。0.3~5 mm样品相对于光管样品，传热系数提高34%~46%。而丝径更大的0.8~5 mm样品，相对于光管样品，传热系数提高68%~93%。另外还发现，蒸发温度相对较低的情况下，弹簧丝内插物对管内强化传热效果更为明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.008.F004图4不同工况下不同样品的传热系数测试结果2.3影响分析在原来的光管中加入弹簧丝，增加扰流的同时，使流动阻力也随之增大。热泵蒸发器中表现为蒸发器入口饱和温度与蒸发器出口饱和温度产生明显滑移。光管样品蒸发温度在0.1~0.2 ℃时发生滑移；0.3~5 mm样品蒸发温度在0.5~0.8 ℃时发生滑移；0.8~5 mm样品蒸发温度在0.6~0.9 ℃时发生滑移。温度滑移带来水侧出口温度略微抬升，从而对冷水能量品位有所影响。因此温度滑移不易过高。通过强化传热，希望得到更低的冷水出水温度，冷水出水温度可以反映强化传热以及温度滑移的综合效果。试验中冷水出水温度t2对比，如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.008.F005图5冷水出水温度t2对比由图5可知，弹簧丝内插物阻力较小，兼顾强化传热与温度滑移带来的影响。相对于光管，冷水出水温度明显降低。其中，0.8~5 mm样品效果更佳，相同工况条件下，可获得比光管样品低4.3~6 ℃的冷水。3结语从实际应用角度出发，以制作简单、成本低廉的弹簧丝内插物，作为钛管换热器管内强化传热的方法，并制作套管式换热器样品，将其作为热泵蒸发器，在热泵典型工况下测试该强化传热方法的效果。通过试验测试发现，采用弹簧丝内插物进行管内强化传热效果明显，试验样品最高可使传热系数提高68%~93%。综合考虑温度滑移的影响，通过对比冷水出水温度，相同工况条件下，试验样品可使冷水出水温度降低4.3~6 ℃。试验测试中还发现，蒸发温度相对较低的情况下，弹簧丝内插物对管内强化传热效果更为明显。综上所述，弹簧丝内插物作为钛管换热器管内强化传热的方法，强化传热效果，显著，并且该方法成本低廉且容易实现，具有实际应用价值。