《銅及銅合金管傳熱系數(shù)及阻力特性試驗方法》

2YS/TXXXXX—XXXX銅及銅合金管傳熱系數(shù)及阻力特性試驗方法本文件描述了銅及銅合金管材的傳熱系數(shù)和阻力特性試驗方法，包括試驗原理和試驗裝置、樣品、測試條件及試驗步驟、試驗數(shù)據(jù)處理、測試結(jié)果和試驗報告等。本文件適用于熱交換器用銅及銅合金光面管、內(nèi)螺紋銅管和翅片管的傳熱系數(shù)和阻力特性的試驗。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。YS/T462銅及銅合金管棒型線材產(chǎn)品缺陷3術語和定義YS/T462界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1換熱量heattransferrate一定長度被測管的管內(nèi)外存在溫差時，單位時間內(nèi)由導熱、對流方式通過該管所傳遞的熱量。3.2壓降pressuredrop流體在被測管中流動時，由于能量損失而引起的壓力降低。3.3熱流密度heatfluxdensity垂直于熱流方向的單位面積熱流量。3.4傳熱系數(shù)heattransfercoefficient穩(wěn)定狀態(tài)下的熱流密度除以被測物體兩側(cè)環(huán)境的溫度差。4試驗原理和試驗裝置4.1試驗原理4.1.1內(nèi)螺紋管測試原理內(nèi)螺紋管測試采用壓縮機系統(tǒng)。壓縮機系統(tǒng)為逆卡諾循環(huán)，即利用制冷劑在制冷循環(huán)中相態(tài)的周期性變化來實現(xiàn)。制冷劑在蒸發(fā)管里由低壓液體氣化變?yōu)闅怏w，吸收蒸發(fā)水箱的熱量。變成氣態(tài)的制冷劑3YS/TXXXXX—XXXX被壓縮機吸入，靠壓縮機做功把它壓縮成高溫高壓的氣體，再排入冷凝管。在冷凝管中制冷劑不斷向冷卻水放熱，逐步凝結(jié)成液體。這些高壓液體流經(jīng)節(jié)流裝置降壓再緩慢流入蒸發(fā)管，維持在蒸發(fā)管里繼續(xù)不斷地氣化吸熱。壓縮機系統(tǒng)利用電能做功，借助制冷劑的相態(tài)變化，把蒸發(fā)管的熱量轉(zhuǎn)移傳遞到冷凝管里放出，如此周而復始不斷循環(huán)。通過測量制冷劑流過待測試管的進出口壓降可獲得測試條件下的流體流動阻力特性。Φ15.88mm以下光面管與內(nèi)螺紋管測試原理相同。4.1.2外翅片管測試原理外翅片管傳熱試驗是在熱平衡允許的范圍內(nèi)，流經(jīng)管內(nèi)的流體換熱量等于翅片管外的換熱量。通過測量流經(jīng)管內(nèi)的液體流量與進出口溫度，計算得到流體換熱量，即得出管對外的換熱量。與此同時，保持特定的飽和壓力不變，測得管外制冷劑的飽和壓力，根據(jù)壓力計算出飽和溫度，就可以計算出對數(shù)平均溫差，求得總傳熱系數(shù)；當流體流經(jīng)管內(nèi)時，需要克服阻力，造成流體的壓力損失，不同型號的管內(nèi)流動阻力不同，通過測量載冷劑流過待測試管的進出口壓力降可獲得測試工況下的流體流動阻力特性。翅片管的測試包含滿液蒸發(fā)、降膜蒸發(fā)和冷凝。Φ15.88mm及以上光面管與外翅片管測試原理相同。4.2試驗裝置4.2.1內(nèi)螺紋管傳熱試驗裝置內(nèi)螺紋單管采用蒸汽壓縮式制冷試驗裝置，包含壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器，用管道將它們連接成一個密封系統(tǒng)。試驗部分由套管式換熱器構成，待測試管為其內(nèi)管。內(nèi)管管內(nèi)為制冷劑蒸發(fā)或冷凝，外套管內(nèi)為水介質(zhì)，兩者逆向流動。通過測量水側(cè)和制冷劑側(cè)進出口相關參數(shù)（流量、溫度、壓力等）?？纱_定試驗段部分總的傳熱系數(shù)，通過熱阻分析，可獲得測試條件下，待測試驗管管內(nèi)表面對流傳熱系數(shù)。試驗裝置見圖1所示。4YS/TXXXXX—XXXX圖1內(nèi)螺紋管試驗裝置系統(tǒng)示意圖4.2.2外翅片管傳熱試驗裝置外翅片管采用如下所示傳熱試驗裝置進行測試，試驗裝置系統(tǒng)由試驗腔體、被測管、熱水箱、冷水箱、測量儀器儀表、信號采集系統(tǒng)等組成，見圖2所示。5YS/TXXXXX—XXXX圖2外翅片管傳熱試驗裝置系統(tǒng)示意圖6YS/TXXXXX—XXXX4.3載冷劑和制冷劑常用載冷劑有純凈水和乙二醇溶液。常用制冷劑有R22，R32，R134a，R123，R410A，R407C，R290，R1234ze（ER1233zd（ER1234yf等。4.4測量儀表4.4.1測量儀表及準確度測量儀表及準確度等級應符合表1規(guī)定。表1測量儀表及準確度等級a-20℃~150℃0m/h～5m/h4.4.2測量儀表的安裝流量測量計流量測量計的安裝如下：a)制冷劑流量計和水流量計應按其使用說明書的規(guī)定進行安裝，如果流量是波動的，應采用積分式流量計；b)使用質(zhì)量流量計，應保證制冷劑充分過冷，防止產(chǎn)生任何散發(fā)氣體而導致測量的不準確。因此，流量計的前后均應安裝一個視鏡，以便觀察過冷情況。溫度測量計溫度測量計的安裝如下：a)溫度計應位于管道中心，保護管的插入深度應滿足溫度計使用說明書的規(guī)定；口）各600mm范圍內(nèi)應保溫；c)管路中液體流動出現(xiàn)層流時，溫度測量探頭安裝處的上游應安裝流體混合裝置。壓力測量和差壓計壓力測量和差壓計的安裝如下：a)測壓孔應與管內(nèi)壁面垂直；b)壓力測量處至測試管之間不應有任何擾動件。7YS/TXXXXX—XXXX4.4.3儀表檢定流量、溫度、壓力測量儀表，均應按有關規(guī)定送法定計量部門檢定，并在有效期內(nèi)使用。5樣品待測試管應符合如下要求：a)待測試管表面和管內(nèi)部應潔凈，不應有針孔、裂紋、起皮、氣泡、夾雜物、綠銹、粗拉道、變形、劃傷、凹坑、壓痕和斑點等缺陷等；b)允許待測試管有輕微的矯直和車削痕跡、環(huán)狀痕跡、細劃紋、氧化色、發(fā)暗、水跡、輕微的毛刺等存在；c)待測試管應標明規(guī)格、基本參數(shù)、檢驗項目、送檢日期及送檢人、制造日期和制造商名稱等信息。樣管推薦長度，內(nèi)螺紋管3m～4m；外翅片管2m～3m。6測試條件及試驗步驟6.1內(nèi)螺紋管6.1.1測量套管換熱器內(nèi)徑、外徑和長度。6.1.2按公式（1）計算測試銅管的外表面積：A=π.D.L--------------（1）式中：A——銅管的外表面積，單位為平方米（m2D——內(nèi)徑，單位為米（mL——長度，單位為米（m）。6.1.3將待測試管安裝在指定位置，冷凝管在壓縮機出口和膨脹閥進口之間；蒸發(fā)管在膨脹閥出口和壓縮機進口之間：a)待測試管安裝為水平狀態(tài);b)載冷劑和制冷劑管路系統(tǒng)及試件（管）全長范圍內(nèi)均應保溫;c)待測試管為制冷劑循環(huán)，外套管內(nèi)為載冷劑循環(huán)，使兩者逆向流動。6.1.4應等待系統(tǒng)穩(wěn)定以后方可記錄試驗的每個數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)記錄應不低于5個，取其平均值。6.1.5試驗參數(shù)及試驗條件見表2。6.1.6試驗條件各參數(shù)的讀數(shù)允許誤差應符合表3的規(guī)定。8YS/TXXXXX—XXXX表2內(nèi)螺紋管的試驗參數(shù)及試驗條件 ℃6℃8℃℃℃5表3內(nèi)螺紋管的試驗參數(shù)的讀數(shù)允許差℃℃%℃—℃— ——%%6.2外翅片管6.2.1待測試管的安裝按如下進行：a)待測試管應保證水平放置（待測滿液蒸發(fā)試管應完全浸入制冷劑液面20mm以下，不應裸露）。待測試冷凝管應保證在液面20mm以上，在試驗過程中，不應有制冷劑飛濺到冷凝管上。b)氮氣1MPa～1.5MPa保壓，至少30min，壓力下降小于2kPa視為密封合格。c）再對試驗腔體抽真空處理，絕對壓力小于1000Pa，然后再充注試驗所需制冷劑液體，使試驗腔和管路設備在完全充滿制冷劑液體和蒸汽的條件下運行，不應混有不凝氣體。9YS/TXXXXX—XXXX6.2.2應等待系統(tǒng)穩(wěn)定以后方可記錄試驗的每個數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)記錄應不低于5個，取其平均值。6.2.3試驗參數(shù)及試驗條件見表4。6.2.4試驗條件各參數(shù)的讀數(shù)允許差應符合表5的規(guī)定。表4外翅片管的試驗參數(shù)及試驗條件℃—℃—表5外翅片管的試驗參數(shù)的讀數(shù)允許誤差℃m/s ℃%7試驗數(shù)據(jù)處理7.1內(nèi)螺紋管數(shù)據(jù)計算公式7.1.1總傳熱系數(shù)按公式（2）計算：k=----------------(2)式中：k——測試管的總傳熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文[W/(㎡·K)];Φ——總換熱量，單位為瓦(W);當熱平衡誤差在5%以內(nèi)時，Φ=(Φw+Φr)/2；A——測試管外表面積，單位平方米（m2）;Δtm——對數(shù)平均溫差，單位為開爾文(K);YS/TXXXXX—XXXXΦwp為水的定壓比熱，當水溫在0～230℃時，cp=4.179×103+7.9×10-5×（t-10）2.9，單位是焦耳每千克開爾文[J/(kg·K)]；Mw——水的流量，單位為千克每小時（kg/hTin——進口水溫，單位為攝氏度(℃);Tout——出口水溫，單位為攝氏度(℃);Φ=mr·Δh,其中，mr為冷媒的流量,單位為千克每小時（kg/hΔh為冷媒的進出口焓差,單位為千焦每千克（kJ/kg）。7.1.2載冷劑側(cè)（換熱表面為光面）傳熱系數(shù)公式（3）計算：?=0.023λwRe0.8PTn(3)w式中:hw——載冷劑側(cè)的傳熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文(W/(㎡·K));λw——某溫度下載冷劑的導熱系數(shù)，單位為瓦每米開爾文(W/(m·K))；d——當量直徑，單位為米(m)；Re——雷諾數(shù)，無綱量數(shù)；Pr——普朗特數(shù)，無綱量數(shù)；n——冷凝時n=0.4,蒸發(fā)時n=0.3，試驗時需保證Re≥10000。7.1.3管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)公式（4）計算：?=ln1---------------(4)式中：h——測試管的管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為瓦每平方米開爾文(W/(㎡·K));k——測試管的總傳熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文(W/(㎡·K));λCu——銅的導熱系數(shù)，單位為瓦每米開爾文(W/(m·K))；d0——測試管的外徑，單位為米(m);di——換熱器內(nèi)徑，單位為米(m)。7.1.4制冷劑單位長度壓降公式（5）計算：ΔPl=---------------式中：YS/TXXXXX—XXXXΔpl——被測管單位長度壓降，單位為千帕每米（kPa/mΔP——被測管總壓降，單位為，單位為千帕（kPaL——被測管管長，單位為米(m)。7.1.5制冷劑質(zhì)量流速公式（6）計算：GT=3600π2---------------(6)式中：Gr——制冷劑質(zhì)量流速，單位為千克每平方米小時（kg/m2·sMr——制冷劑質(zhì)量流量，單位為千克每小時（Kg/hd——測試管的外徑，單位為米(m)；M——米克重，單位為克每米（g/mp——測試管的密度，單位為克每立方厘米(g/cm3)。7.2外翅片管試驗數(shù)據(jù)計算公式7.2.1總傳熱系數(shù)按公式（7）計算：k=---------------(7)式中：k——測試管的總傳熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文[W/(㎡·K)];Φe——蒸發(fā)換熱量，單位為瓦（WA——測試管未加工翅片前坯管表面積,單位為平方米（m2）;Δtm——對數(shù)平均溫差，單位為開爾文(K)。7.2.2管內(nèi)流速按公式（8）計算：v=---------------(8)式中：v——測試管管內(nèi)流速，單位為米每秒（m/sG——測試管管內(nèi)體積流量,單位為立方米每秒（m3/sAi——坯管內(nèi)孔橫截面積,單位為平方米（m2）。7.2.3換熱量按公式（9）計算：Φ=Cp?G?Ptin?tout(9)式中：Φ——測試管換熱量,單位為瓦（WCP——定壓比熱。單位為焦每千克開爾文（J/(kg·KG——測試管管內(nèi)體積流量,單位為立方米每秒（m3/sρ——密度，單位為千克每立方米（kg/m3tin——測試管進口溫度，單位為開爾文（Ktout——測試管出口溫度，單位為開爾文（K）。7.2.4測試管熱平衡誤差，按公式（10e?Φc×100%式中：ΔΦ——熱平衡偏差,無量綱;Φe——蒸發(fā)換熱量,單位為瓦（WΦc——冷凝換熱量,單位為瓦（W）。7.2.5測試管對數(shù)平均溫差，按公式（11：lt式中：ΔTm——對數(shù)平均溫差,單位為開爾文（K）;tin——測試管進口溫度，單位為開爾文（Ktout——測試管出口溫度，單位為開爾文（K）;ts——制冷劑飽和溫度,單位為開爾文（K）。7.2.6熱流密度，按公式（12）計算：Φ式中：q——熱流密度，單位為瓦每平方米（W/m2）;Φ——測試管換熱量,單位為瓦（WA——測試管未加工翅片前坯管表面積,單位為平方米（m2）。7.2.7被測管管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)，按公式（13）計算：f2式中：f——摩擦阻力系數(shù)；ΔP——水側(cè)壓降，單位為帕（Padi——傳熱管內(nèi)徑，單位為米（mL——測試傳熱管強化段長度，單位為米（mYS/TXXXXX—XXXX---------------(10)-----