(高清版)GBT 41872-2022 制冷系統及熱泵用換熱器 溫度、壓力和速度三場協同的性能測試和評價方法

制冷系統及熱泵用換熱器溫度、壓力和速度三場協同的性能測試和評價方法2022-10-12發(fā)布 I1范圍 2規(guī)范性引用文件 l3術語和定義 4測試要求 35評價方法 附錄A(資料性)表征換熱器三場協同性流動阻力與傳熱綜合性能評價示例 附錄B(規(guī)范性)表征換熱器三場協同性流動阻力與傳熱綜合性能評價圖基本要素 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國機械工業(yè)聯合會提出。本文件由全國冷凍空調設備標準化技術委員會(SAC/TC238)歸口。本文件起草單位：西安交通大學、合肥通用機械研究院有限公司、廣東美的暖通設備有限公司、浙江英特科技股份有限公司、廣東芬尼克茲節(jié)能設備有限公司、上海理工大學、華南理工大學、上海冷凍空調行業(yè)協會、寧波奧克斯電氣股份有限公司、廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司、冰輪環(huán)境技術股份有限公司、合肥通用機電產品檢測院有限公司、合肥通用環(huán)境控制技術有限責任公司。1制冷系統及熱泵用換熱器溫度、壓力和速度三場協同的性能測試和評價方法本文件規(guī)定了制冷系統及熱泵用換熱器內流體的溫度場、壓力場與速度場三場協同的性能測試和評價方法。本文件適用于制冷系統及熱泵用、至少一側為單相換熱的換熱器流動阻力與傳熱綜合性能的評價。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(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。GB/T10870—2014蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組性能試驗方法GB/T23130—2008房間空調器用熱交換器GB/T25862—2010制冷與空調用同軸套管式換熱器JB/T7249制冷設備術語3術語和定義JB/T7249界定的以及下列術語和定義適用于本文件。最小橫截面積minimumcross-sectionalareaA。沿流動方向，換熱器內流體在最小流通截面處的面積。用以計算雷諾數的流速，取為在換熱器內最小橫截面積處流體的平均流速。注：單位為米每秒(m/s)。換熱器深度depthofheatexchangerinflowdirectionL換熱器內所比較側的流體流動方向的總體長度。注：單位為米(m)。2特征溫度characteristictemperatureT換熱器所比較側的流體進、出口的算術平均溫度。D。依據4倍的換熱表面總流截面積除以潤濕周長得出的物理量。f依據流體的壓降除以流體密度和特征速度平方的乘積的一半，再乘以當量直徑與換熱器深度的比值得出的無量綱系數。注：計算公式參見附錄A中的式(A.6)。特征長度characteristiclengthl計算換熱表面雷諾數、努塞爾數的幾何尺度。努塞爾數NusseltnumberNu依據流體的換熱系數和特征長度的乘積，再除以流體的導熱系數得出的無量綱參數。P依據流體壓降與體積流量的乘積得出的物理量。等泵功identicalpumpingpower所評價換熱器與基準換熱器在所比較側流體消耗的泵功保持相同。等壓降identicalpressuredrop所評價換熱器與基準換熱器在所比較側流體的壓降保持相同。等流量identicalflowrate所評價換熱器與基準換熱器在所比較側流體的質量流量保持相同。換熱器內流體的溫度場、壓力場與速度場之間的協同性。3注：流體溫度梯度與速度方向的夾角用以表征溫度場與速度場間的協同性。流體被加熱時，該夾角越小，表征流體同性越好，換熱性能越好。壓力梯度與速度間的夾角用以表征流體壓力場與速度場間的協同性。壓力場與速表征三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價圖transferperformanceevaluationplotindicatingsynergyofthreefields定量反映出溫度場、壓力場和速度場三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能優(yōu)劣的四象限圖。注：采用對數坐標系(坐標軸是對數劃分，坐標值未取對數),以所評價的換熱器換熱表面與基準換熱器對應的換熱表面流體阻力系數的比值為橫坐標，以所評價換熱器換熱表面與基準換熱器對應的換熱表面流體努塞爾數的比值為縱坐標。表征三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價值comprehensiveflowresistanceandheattransferperformanceevaluationvalueindicatingsynergyofthreefields在表征三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價圖中，過任意給定工況下的工作點(給定工況下，評價圖中標出的數據點)做與等流量、等壓降或等泵功基準線平行的直線，該直線與橫坐標值等于1的直線的交點所對應的縱坐標的數值。注：表征的是所評價換熱器與基準換熱器在等泵功、等壓降或等流量約束條件下換熱量提升的倍數，其中等流量條件下表征的是換熱量提升倍數與所比較側流體阻力系數增加倍數的比值。4測試要求4.1一般規(guī)定4.1.1排除換熱器試驗系統內的不凝性氣體，并確認無制冷劑泄漏。4.1.2試驗系統應設置溫度計套管和壓力表引出接頭等。4.1.3換熱器的水側應清洗干凈。4.2試驗技術要求4.2.1風冷式換熱器的傳熱和流動阻力性能試驗技術要求與方法應符合GB/T規(guī)定。4.2.2水冷式換熱器的傳熱和流動阻力性能試驗技術要求與方法應符合GB/T規(guī)定。23130—200825862—2010附錄B的附錄B的4.3儀器儀表4.3.1試驗用儀器儀表應經計量檢定合格，并在有效期內。4.3.2試驗用儀器儀表的型式及準確度應符合GB/T10870—2014中表C.1的規(guī)定。在試驗過程中，應保持所評價換熱器與基準換熱器的測試工況一致，所測試的換熱器不應包括節(jié)流部分。冷凝器冷凝溫度取制冷劑入口壓力對應的飽和溫度；蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度取制冷劑出口壓力對應的飽和溫度。44.4.2風冷式換熱器空氣側傳熱與流動阻力性能試驗風冷式換熱器傳熱和流動阻力性能試驗所測參數應包括：a)所評價換熱器與基準換熱器空氣側的流量，入口、出口的干球溫度、濕球溫度和壓力；b)冷凝器制冷劑側的流量，入口過熱蒸氣溫度、壓力，出口過冷液溫度、壓力，或蒸發(fā)器制冷劑側c)所評價換熱器與基準換熱器空氣側與制冷劑側的換熱量；d)所評價換熱器與基準換熱器空氣側的壓降等。4.4.3水冷式換熱器水側傳熱與流動阻力性能試驗水冷式換熱器的傳熱和流動阻力性能試驗所測參數應包括：a)所評價換熱器與基準換熱器水側的流量，入口、出口的溫度和壓力；b)冷凝器制冷劑側的流量，入口過熱蒸氣溫度、壓力，出口過冷液溫度、壓力，或蒸發(fā)器制冷劑側c)所評價換熱器與基準換熱器冷熱流體兩側的換熱量；d)所評價換熱器與基準換熱器水側的壓降等。4.5數據處理4.5.1在數據處理過程中，未經特殊說明，流體物性取特征溫度下流體的物性，特征長度取當量直徑。特征流速取最小橫截面積處流體的流速，換熱器深度取所比較側流體流動方向的總體長度。4.5.2風冷式換熱器的傳熱和流動阻力性能試驗數據處理應符合GB/T23130—2008附錄B的規(guī)定。4.5.3水冷式換熱器的傳熱和流動阻力性能試驗數據處理應符合GB/T25862—2010附錄B的規(guī)定。5評價方法5.1性能參數5.1.1流體阻力系數5.1.1.1在給定工況下，分別獲得基準換熱器對應不同流速下、所比較側流體的阻力系數f?,以及所評價換熱器在某一特征速度u。下、所比較側流體的阻力系數f。,參考附錄A的式(A.6)計算。注1:下角標0和e分別表示基準換熱器和所評價換熱器相關的物理量。注2:換熱器評價方法的具體實施參考附錄A給出的示例。5.1.1.2在給定工況下，建立基準換熱器所比較側流體的阻力系數f。與雷諾數Re間的準則關系式f?=c?Re”1(c?、m?為常數)。5.1.2流體傳熱性能5.1.2.1在給定工況下，分別獲得基準換熱器對應不同流速下、所比較側流體的努塞爾數Nu?,以及所評價換熱器在某一特征速度u。下、所比較側流體的努塞爾數Nu。,參考附錄A中的式(A.4)、式(A.5)5.1.2.2在給定工況下，建立基準換熱器所比較側流體的努塞爾數Nu?與雷諾數Re間的準則關系式Nu?=c?Re?(c?,m?為常數)。5GB/T41872—20225.2綜合性能評價圖應按附錄B的規(guī)定繪制表征換熱器三場協同性流動阻力與傳熱綜合性能評價圖，其中：a)特征關系式應符合B.1;b)在等泵功、等壓降、等流量三種約束條件下，按B.2的規(guī)定繪制三條基準線；c)按B.3的規(guī)定用直將表征三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價圖和劃分為4個象限；d)按B.4的規(guī)定用等泵功、等壓降、等流量三種典型約束條件下的三條基準線，將第I象限劃分成標號為1、2、3、4的四個區(qū)域。5.3所評價換熱器流動阻力與傳熱綜合性能評價5.3.1流體物性取特征溫度下流體的物性。根據最小橫截面積、換熱器深度和當量直徑等術語的定義，按照基準換熱器所比較側流體阻力系數f和努塞爾數Nu的關聯式，計算得到流速u。對應的基準換熱器所比較側流體阻力系數f。和努塞爾數Nuo。5.3.2按照5.1.1和5.1.2獲得流速u。對應所評價換熱器、所比較側流體阻力系數f。和努塞爾數Nua,確定某一流速u。對應的工作點5.3.3在表征三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價圖中標出工作點，按照工作點在分區(qū)圖中的位置，可以判定所評價換熱器相對于基準換熱器，在流速u。下的節(jié)能效果。5.3.4過工作點做與等泵功、等壓降和等流量基準線平行的直線，這些直線與直線應的縱坐標值，分別是在等泵功、等壓降和等流量的約束條件下，表征三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價值。5.3.5根據表征三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價值，即可獲得所評價換熱器與基準換熱器在三種約束條件下換熱量的比值(等流量約束條件下，該值為所評價換熱器相對于基準換熱器換熱量提升倍數與所比較側流體阻力增加倍數的比值)。6(資料性)表征換熱器三場協同性流動阻力與傳熱綜合性能評價示例A.1評價對象本示例評價對象為三排管波紋翅片管式換熱器和三排管波紋凹槽翅片管式換熱器，如圖A.1為兩種片型及對應的換熱器。試驗為冷凝器空氣側流動阻力與傳熱性能測試(制冷劑為R410A)。注：對象換熱器不涉及節(jié)流部分。a)波紋翅片和波紋凹槽翅片b)換熱器實物圖圖A.1兩種片型及其對應的換熱器A.2性能測試A.2.1測試裝置A.2.1.1空氣側使用符合4.2.1規(guī)定的測量裝置。A.2.1.2制冷劑側使用符合4.2.1規(guī)定的測量裝置。A.2.2測試注意事項A.2.2.1試件宜盡量多設置流路單元。A.2.2.2宜盡量減小制冷劑入口的過熱度或過冷度，可在制冷劑入口前設置冷卻或加熱裝置。A.2.2.3宜盡量減小制冷劑出口的過冷度或過熱度。A.2.2.4制冷劑流量宜采用液體流量計測試。A.2.2.5同時測量試件的空氣側換熱量和制冷劑側換熱量，兩者相差不超過±5%,試件的換熱量取其算術平均值。A.2.2.6空氣側和制冷劑側的控制參數與設定值誤差符合GB/T23130—2008中表1的規(guī)定。A.2.2.7在達到穩(wěn)定工況后至少保持15min方可開始試驗，試驗延續(xù)不少于40min,在此期間至少記錄4組數據，且時間間隔接近相等，取所有讀數的平均值為該次測試的測定值。A.2.3測試工況示例中的試件采用表A.1規(guī)定的測試工況。7類別單位數值冷凝器空氣側迎面風速入口溫度干球℃濕球制冷劑側入口過熱度入口壓力對應的冷凝溫度出口過冷度示例中試件的測試數據記錄在表A.2中。表A.2測試數據記錄換熱器類型迎面風速空氣進口溫度T.i/℃空氣出口溫度空氣側壓降制冷劑流量制冷劑入口溫度制冷劑溫度制冷劑入口壓力制冷劑壓力波紋翅片波紋凹槽翅片8GB/T41872—2022A.2.5數據處理A.2.5.1冷凝器空氣側換熱量冷凝器空氣側換熱量按式(A.1)計算。Q=qa(cp,a+cpw·W)·(T-T,)……(A.1)式中：Qa——冷凝器空氣側的換熱量，單位為千瓦(kW);qma——通過冷凝器的空氣質量流量，單位為千克每秒(kg/s);c,——干空氣的比定壓熱容，單位為千焦每千克開爾文[kJ/(kg·K)];c,w——水蒸氣的比定壓熱容，單位為千焦每千克開爾文[kJ/(kg·K)];Wa.——入口空氣的含濕量；Ta.——入口空氣的干球溫度，單位為攝氏度(℃);Tao——出口空氣的干球溫度，單位為攝氏度(℃)。注：cp.a=1.00483kJ/(kg·K),cpv=1.84638kJ/(kg·K)。A.2.5.2冷凝器制冷側換熱量冷凝器制冷側換熱量按式(A.2)計算。Qcr=qm.r·|h-e-h-.i|Q.——冷凝器制冷劑側的換熱量，單位為千瓦(kW);qmx——通過冷凝器的制冷劑質量流量，單位為千克每秒(kg/s);h,;——入口制冷劑的焓值，單位為千焦每千克(kJ/kg);hr——出口制冷劑的焓值，單位為千焦每千克(kJ/kg)。A.2.5.3換熱器換熱量冷凝器的換熱量按式(A.3)計算。Q.——冷凝器的換熱量，單位為千瓦(kW)。A.2.5.4表面?zhèn)鳠嵯禂邓容^側流體對流換熱系數按式(A.4)計算?！環(huán)冷凝器所比較側流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?，單位為瓦每平方米開爾文[W/(m2·K)]Q——取冷凝器的換熱量，單位為瓦(W);η.——冷凝器所比較側表面總效率A——冷凝器所比較側表面計算換熱面積，單位為平方米(m2);△T——冷凝器所比較側換熱溫差，取對數平均溫差，單位為攝氏度(℃)。A.2.5.5努塞爾數冷凝器所比較側流體努塞爾數按式(A.5)計算。9GB/T41872—2022式中：Nu——冷凝器所比較側流體努塞爾數；h——冷凝器所比較側流體表面?zhèn)鳠嵯禂?，單位為瓦每平方米開爾文[W/(m2·K)];λ——冷凝器所比較側流體的導熱系數，單位為瓦每米開爾文[W/(m·K)]。A.2.5.6阻力系數冷凝器所比較側流體阻力系數按式(A.6)計算?！?A.6)f——冷凝器所比較側流體的阻力系數；△p——冷凝器所比較側流體進出口壓差，單位為帕(Pa);p——冷凝器所比較側流體密度，單位為千克每立方米(kg/m3);u?！淠魉容^側流道最小截面處流速，單位為米每秒(m/s);D。——換熱管外徑，單位為米(m);L——換熱器內所比較側流體的換熱器深度，單位為米(m)。A.2.5.7雷諾數冷凝器所比較側流體雷諾數按式(A.7)計算。Re——冷凝器所比較側流體雷諾數；p——冷凝器所比較側流體密度，單位為千克每立方米(kg/m2);u、——冷凝器所比較側流道最小截面處流速，單位為米每秒(m/s);μ——冷凝器所比較側流體動力黏性系數，單位為牛頓秒每平方米(N·s/m2)。A.3性能評價A.3.1測試結果整理根據試驗數據，計算得出兩種換熱器空氣側的Nu和f隨Re的變化，繪制成圖A.2。Re圖A.2兩種換熱器Nu和f隨Re的變化A.3.2綜合性能評價方法A.3.2.1以波紋翅片管式換熱器為基準換熱器，總結Nu和f關聯式，構建綜合性能評價圖，根據所評價換熱器(波紋凹槽翅片管式換熱器)的工作點在綜合性能評價圖中的位置，對其在所比較側的流動阻力與傳熱綜合性能進行評價。A.3.2.2以相同結構參數的平片換熱器為基準換熱器，查詢合適的平片關聯式，構建三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價圖，通過比較兩種所評價換熱器(波紋凹槽翅片管式換熱器和波紋翅片管式換熱器)的工作點在綜合性能評價圖中的相對位置，同樣能對其性能進行比較與評價。注：本示例采用A.3.2.1的方法實施。A.3.3擬合關聯式根據圖A.2,擬合出基準換熱器(波紋翅片管式換熱器)空氣側f。和Nu?隨Re變化的關聯式：f?=79.63Re-0.620和Nu?=2.19Re°.255A.3.4繪制綜合性能評價圖A.3.4.1根據m?=—0.62,m?=0.255,計算獲得等泵功、等壓降和等流量三條基準直線的斜率：為橫坐標，為縱坐標；過點(1,1),作斜率分別為kp、ka和k的三條基準直線，繪制流動阻力與傳熱綜合性能評價圖。A.3.4.3以等泵功、等壓降和等流量三條基準直線的斜率為分界線，將流動阻力與傳熱綜合性能評價圖的第I象限劃分為4個分區(qū)，逆時針方向分布標注1、2、3、4,如圖A.3所示。f圖A.3以波紋片為基準的綜合性能評價圖A.3.5空氣側流動阻力與換熱性能評價A.3.5.1根據試驗數據，計算獲得迎面風速1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s和3.0m/s對應的所評價換熱器(波紋凹槽翅片管式換熱器)與基準換熱器空氣側流體阻力系數f和努塞爾數Nu,得到工作,分別為a(1.059,1.091),b(1.078,1.094),c(1.097,1.067),d(1.104,1.083)和e(1.113,A.3.5.2在三場協同性的流動阻力與傳熱綜合性能評價圖中標出工作點，如圖A.4所示。A.3.5.3根據工作點在分區(qū)圖中的位置，對不同流速下波紋凹槽翅片的性能進行評估：對于圖A.4中的五個工作點，點a和點b位于綜合性能評價圖的4區(qū)，表示其空氣側傳熱和壓降綜合性能最優(yōu)，其次是點e,點c和點d對應的傳熱和壓降綜合性能最差。GB/T41872—2022/A圖A.4綜合性能評價圖求取綜合性能評價值A.3.6綜合性能評價值以本示例中迎面風速3.0m/s對應的工作點(點e)為例，過