(高清版)GBT 41872-2022 制冷系统及热泵用换热器 温度、压力和速度三场协同的性能测试和评价方法

制冷系统及热泵用换热器温度、压力和速度三场协同的性能测试和评价方法2022-10-12发布 I1范围 2规范性引用文件 l3术语和定义 4测试要求 35评价方法 附录A(资料性)表征换热器三场协同性流动阻力与传热综合性能评价示例 附录B(规范性)表征换热器三场协同性流动阻力与传热综合性能评价图基本要素 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国冷冻空调设备标准化技术委员会(SAC/TC238)归口。本文件起草单位：西安交通大学、合肥通用机械研究院有限公司、广东美的暖通设备有限公司、浙江英特科技股份有限公司、广东芬尼克兹节能设备有限公司、上海理工大学、华南理工大学、上海冷冻空调行业协会、宁波奥克斯电气股份有限公司、广东纽恩泰新能源科技发展有限公司、冰轮环境技术股份有限公司、合肥通用机电产品检测院有限公司、合肥通用环境控制技术有限责任公司。1制冷系统及热泵用换热器温度、压力和速度三场协同的性能测试和评价方法本文件规定了制冷系统及热泵用换热器内流体的温度场、压力场与速度场三场协同的性能测试和评价方法。本文件适用于制冷系统及热泵用、至少一侧为单相换热的换热器流动阻力与传热综合性能的评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T10870—2014蒸气压缩循环冷水(热泵)机组性能试验方法GB/T23130—2008房间空调器用热交换器GB/T25862—2010制冷与空调用同轴套管式换热器JB/T7249制冷设备术语3术语和定义JB/T7249界定的以及下列术语和定义适用于本文件。最小横截面积minimumcross-sectionalareaA。沿流动方向，换热器内流体在最小流通截面处的面积。用以计算雷诺数的流速，取为在换热器内最小横截面积处流体的平均流速。注：单位为米每秒(m/s)。换热器深度depthofheatexchangerinflowdirectionL换热器内所比较侧的流体流动方向的总体长度。注：单位为米(m)。2特征温度characteristictemperatureT换热器所比较侧的流体进、出口的算术平均温度。D。依据4倍的换热表面总流截面积除以润湿周长得出的物理量。f依据流体的压降除以流体密度和特征速度平方的乘积的一半，再乘以当量直径与换热器深度的比值得出的无量纲系数。注：计算公式参见附录A中的式(A.6)。特征长度characteristiclengthl计算换热表面雷诺数、努塞尔数的几何尺度。努塞尔数NusseltnumberNu依据流体的换热系数和特征长度的乘积，再除以流体的导热系数得出的无量纲参数。P依据流体压降与体积流量的乘积得出的物理量。等泵功identicalpumpingpower所评价换热器与基准换热器在所比较侧流体消耗的泵功保持相同。等压降identicalpressuredrop所评价换热器与基准换热器在所比较侧流体的压降保持相同。等流量identicalflowrate所评价换热器与基准换热器在所比较侧流体的质量流量保持相同。换热器内流体的温度场、压力场与速度场之间的协同性。3注：流体温度梯度与速度方向的夹角用以表征温度场与速度场间的协同性。流体被加热时，该夹角越小，表征流体同性越好，换热性能越好。压力梯度与速度间的夹角用以表征流体压力场与速度场间的协同性。压力场与速表征三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价图transferperformanceevaluationplotindicatingsynergyofthreefields定量反映出温度场、压力场和速度场三场协同性的流动阻力与传热综合性能优劣的四象限图。注：采用对数坐标系(坐标轴是对数划分，坐标值未取对数),以所评价的换热器换热表面与基准换热器对应的换热表面流体阻力系数的比值为横坐标，以所评价换热器换热表面与基准换热器对应的换热表面流体努塞尔数的比值为纵坐标。表征三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价值comprehensiveflowresistanceandheattransferperformanceevaluationvalueindicatingsynergyofthreefields在表征三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价图中，过任意给定工况下的工作点(给定工况下，评价图中标出的数据点)做与等流量、等压降或等泵功基准线平行的直线，该直线与横坐标值等于1的直线的交点所对应的纵坐标的数值。注：表征的是所评价换热器与基准换热器在等泵功、等压降或等流量约束条件下换热量提升的倍数，其中等流量条件下表征的是换热量提升倍数与所比较侧流体阻力系数增加倍数的比值。4测试要求4.1一般规定4.1.1排除换热器试验系统内的不凝性气体，并确认无制冷剂泄漏。4.1.2试验系统应设置温度计套管和压力表引出接头等。4.1.3换热器的水侧应清洗干净。4.2试验技术要求4.2.1风冷式换热器的传热和流动阻力性能试验技术要求与方法应符合GB/T规定。4.2.2水冷式换热器的传热和流动阻力性能试验技术要求与方法应符合GB/T规定。23130—200825862—2010附录B的附录B的4.3仪器仪表4.3.1试验用仪器仪表应经计量检定合格，并在有效期内。4.3.2试验用仪器仪表的型式及准确度应符合GB/T10870—2014中表C.1的规定。在试验过程中，应保持所评价换热器与基准换热器的测试工况一致，所测试的换热器不应包括节流部分。冷凝器冷凝温度取制冷剂入口压力对应的饱和温度；蒸发器蒸发温度取制冷剂出口压力对应的饱和温度。44.4.2风冷式换热器空气侧传热与流动阻力性能试验风冷式换热器传热和流动阻力性能试验所测参数应包括：a)所评价换热器与基准换热器空气侧的流量，入口、出口的干球温度、湿球温度和压力；b)冷凝器制冷剂侧的流量，入口过热蒸气温度、压力，出口过冷液温度、压力，或蒸发器制冷剂侧c)所评价换热器与基准换热器空气侧与制冷剂侧的换热量；d)所评价换热器与基准换热器空气侧的压降等。4.4.3水冷式换热器水侧传热与流动阻力性能试验水冷式换热器的传热和流动阻力性能试验所测参数应包括：a)所评价换热器与基准换热器水侧的流量，入口、出口的温度和压力；b)冷凝器制冷剂侧的流量，入口过热蒸气温度、压力，出口过冷液温度、压力，或蒸发器制冷剂侧c)所评价换热器与基准换热器冷热流体两侧的换热量；d)所评价换热器与基准换热器水侧的压降等。4.5数据处理4.5.1在数据处理过程中，未经特殊说明，流体物性取特征温度下流体的物性，特征长度取当量直径。特征流速取最小横截面积处流体的流速，换热器深度取所比较侧流体流动方向的总体长度。4.5.2风冷式换热器的传热和流动阻力性能试验数据处理应符合GB/T23130—2008附录B的规定。4.5.3水冷式换热器的传热和流动阻力性能试验数据处理应符合GB/T25862—2010附录B的规定。5评价方法5.1性能参数5.1.1流体阻力系数5.1.1.1在给定工况下，分别获得基准换热器对应不同流速下、所比较侧流体的阻力系数f₀,以及所评价换热器在某一特征速度u。下、所比较侧流体的阻力系数f。,参考附录A的式(A.6)计算。注1:下角标0和e分别表示基准换热器和所评价换热器相关的物理量。注2:换热器评价方法的具体实施参考附录A给出的示例。5.1.1.2在给定工况下，建立基准换热器所比较侧流体的阻力系数f。与雷诺数Re间的准则关系式f₀=c₁Re”¹(c₁、m₁为常数)。5.1.2流体传热性能5.1.2.1在给定工况下，分别获得基准换热器对应不同流速下、所比较侧流体的努塞尔数Nu₀,以及所评价换热器在某一特征速度u。下、所比较侧流体的努塞尔数Nu。,参考附录A中的式(A.4)、式(A.5)5.1.2.2在给定工况下，建立基准换热器所比较侧流体的努塞尔数Nu₀与雷诺数Re间的准则关系式Nu₀=c₂Re₂(c₂,m₂为常数)。5GB/T41872—20225.2综合性能评价图应按附录B的规定绘制表征换热器三场协同性流动阻力与传热综合性能评价图，其中：a)特征关系式应符合B.1;b)在等泵功、等压降、等流量三种约束条件下，按B.2的规定绘制三条基准线；c)按B.3的规定用直将表征三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价图和划分为4个象限；d)按B.4的规定用等泵功、等压降、等流量三种典型约束条件下的三条基准线，将第I象限划分成标号为1、2、3、4的四个区域。5.3所评价换热器流动阻力与传热综合性能评价5.3.1流体物性取特征温度下流体的物性。根据最小横截面积、换热器深度和当量直径等术语的定义，按照基准换热器所比较侧流体阻力系数f和努塞尔数Nu的关联式，计算得到流速u。对应的基准换热器所比较侧流体阻力系数f。和努塞尔数Nuo。5.3.2按照5.1.1和5.1.2获得流速u。对应所评价换热器、所比较侧流体阻力系数f。和努塞尔数Nua,确定某一流速u。对应的工作点5.3.3在表征三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价图中标出工作点，按照工作点在分区图中的位置，可以判定所评价换热器相对于基准换热器，在流速u。下的节能效果。5.3.4过工作点做与等泵功、等压降和等流量基准线平行的直线，这些直线与直线应的纵坐标值，分别是在等泵功、等压降和等流量的约束条件下，表征三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价值。5.3.5根据表征三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价值，即可获得所评价换热器与基准换热器在三种约束条件下换热量的比值(等流量约束条件下，该值为所评价换热器相对于基准换热器换热量提升倍数与所比较侧流体阻力增加倍数的比值)。6(资料性)表征换热器三场协同性流动阻力与传热综合性能评价示例A.1评价对象本示例评价对象为三排管波纹翅片管式换热器和三排管波纹凹槽翅片管式换热器，如图A.1为两种片型及对应的换热器。试验为冷凝器空气侧流动阻力与传热性能测试(制冷剂为R410A)。注：对象换热器不涉及节流部分。a)波纹翅片和波纹凹槽翅片b)换热器实物图图A.1两种片型及其对应的换热器A.2性能测试A.2.1测试装置A.2.1.1空气侧使用符合4.2.1规定的测量装置。A.2.1.2制冷剂侧使用符合4.2.1规定的测量装置。A.2.2测试注意事项A.2.2.1试件宜尽量多设置流路单元。A.2.2.2宜尽量减小制冷剂入口的过热度或过冷度，可在制冷剂入口前设置冷却或加热装置。A.2.2.3宜尽量减小制冷剂出口的过冷度或过热度。A.2.2.4制冷剂流量宜采用液体流量计测试。A.2.2.5同时测量试件的空气侧换热量和制冷剂侧换热量，两者相差不超过±5%,试件的换热量取其算术平均值。A.2.2.6空气侧和制冷剂侧的控制参数与设定值误差符合GB/T23130—2008中表1的规定。A.2.2.7在达到稳定工况后至少保持15min方可开始试验，试验延续不少于40min,在此期间至少记录4组数据，且时间间隔接近相等，取所有读数的平均值为该次测试的测定值。A.2.3测试工况示例中的试件采用表A.1规定的测试工况。7类别单位数值冷凝器空气侧迎面风速入口温度干球℃湿球制冷剂侧入口过热度入口压力对应的冷凝温度出口过冷度示例中试件的测试数据记录在表A.2中。表A.2测试数据记录换热器类型迎面风速空气进口温度T.i/℃空气出口温度空气侧压降制冷剂流量制冷剂入口温度制冷剂温度制冷剂入口压力制冷剂压力波纹翅片波纹凹槽翅片8GB/T41872—2022A.2.5数据处理A.2.5.1冷凝器空气侧换热量冷凝器空气侧换热量按式(A.1)计算。Q=qa(cp,a+cpw·W)·(T-T,)……(A.1)式中：Qa——冷凝器空气侧的换热量，单位为千瓦(kW);qma——通过冷凝器的空气质量流量，单位为千克每秒(kg/s);c,——干空气的比定压热容，单位为千焦每千克开尔文[kJ/(kg·K)];c,w——水蒸气的比定压热容，单位为千焦每千克开尔文[kJ/(kg·K)];Wa.——入口空气的含湿量；Ta.——入口空气的干球温度，单位为摄氏度(℃);Tao——出口空气的干球温度，单位为摄氏度(℃)。注：cp.a=1.00483kJ/(kg·K),cpv=1.84638kJ/(kg·K)。A.2.5.2冷凝器制冷侧换热量冷凝器制冷侧换热量按式(A.2)计算。Qcr=qm.r·|h-e-h-.i|Q.——冷凝器制冷剂侧的换热量，单位为千瓦(kW);qmx——通过冷凝器的制冷剂质量流量，单位为千克每秒(kg/s);h,;——入口制冷剂的焓值，单位为千焦每千克(kJ/kg);hr——出口制冷剂的焓值，单位为千焦每千克(kJ/kg)。A.2.5.3换热器换热量冷凝器的换热量按式(A.3)计算。Q.——冷凝器的换热量，单位为千瓦(kW)。A.2.5.4表面传热系数所比较侧流体对流换热系数按式(A.4)计算。………………h冷凝器所比较侧流体的表面传热系数，单位为瓦每平方米开尔文[W/(m²·K)]Q——取冷凝器的换热量，单位为瓦(W);η.——冷凝器所比较侧表面总效率A——冷凝器所比较侧表面计算换热面积，单位为平方米(m²);△T——冷凝器所比较侧换热温差，取对数平均温差，单位为摄氏度(℃)。A.2.5.5努塞尔数冷凝器所比较侧流体努塞尔数按式(A.5)计算。9GB/T41872—2022式中：Nu——冷凝器所比较侧流体努塞尔数；h——冷凝器所比较侧流体表面传热系数，单位为瓦每平方米开尔文[W/(m²·K)];λ——冷凝器所比较侧流体的导热系数，单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)]。A.2.5.6阻力系数冷凝器所比较侧流体阻力系数按式(A.6)计算。………(A.6)f——冷凝器所比较侧流体的阻力系数；△p——冷凝器所比较侧流体进出口压差，单位为帕(Pa);p——冷凝器所比较侧流体密度，单位为千克每立方米(kg/m³);u。——冷凝器所比较侧流道最小截面处流速，单位为米每秒(m/s);D。——换热管外径，单位为米(m);L——换热器内所比较侧流体的换热器深度，单位为米(m)。A.2.5.7雷诺数冷凝器所比较侧流体雷诺数按式(A.7)计算。Re——冷凝器所比较侧流体雷诺数；p——冷凝器所比较侧流体密度，单位为千克每立方米(kg/m²);u、——冷凝器所比较侧流道最小截面处流速，单位为米每秒(m/s);μ——冷凝器所比较侧流体动力黏性系数，单位为牛顿秒每平方米(N·s/m²)。A.3性能评价A.3.1测试结果整理根据试验数据，计算得出两种换热器空气侧的Nu和f随Re的变化，绘制成图A.2。Re图A.2两种换热器Nu和f随Re的变化A.3.2综合性能评价方法A.3.2.1以波纹翅片管式换热器为基准换热器，总结Nu和f关联式，构建综合性能评价图，根据所评价换热器(波纹凹槽翅片管式换热器)的工作点在综合性能评价图中的位置，对其在所比较侧的流动阻力与传热综合性能进行评价。A.3.2.2以相同结构参数的平片换热器为基准换热器，查询合适的平片关联式，构建三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价图，通过比较两种所评价换热器(波纹凹槽翅片管式换热器和波纹翅片管式换热器)的工作点在综合性能评价图中的相对位置，同样能对其性能进行比较与评价。注：本示例采用A.3.2.1的方法实施。A.3.3拟合关联式根据图A.2,拟合出基准换热器(波纹翅片管式换热器)空气侧f。和Nu₀随Re变化的关联式：f₀=79.63Re-0.620和Nu₀=2.19Re°.255A.3.4绘制综合性能评价图A.3.4.1根据m₁=—0.62,m₂=0.255,计算获得等泵功、等压降和等流量三条基准直线的斜率：为横坐标，为纵坐标；过点(1,1),作斜率分别为kp、ka和k的三条基准直线，绘制流动阻力与传热综合性能评价图。A.3.4.3以等泵功、等压降和等流量三条基准直线的斜率为分界线，将流动阻力与传热综合性能评价图的第I象限划分为4个分区，逆时针方向分布标注1、2、3、4,如图A.3所示。f图A.3以波纹片为基准的综合性能评价图A.3.5空气侧流动阻力与换热性能评价A.3.5.1根据试验数据，计算获得迎面风速1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s和3.0m/s对应的所评价换热器(波纹凹槽翅片管式换热器)与基准换热器空气侧流体阻力系数f和努塞尔数Nu,得到工作,分别为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在三场协同性的流动阻力与传热综合性能评价图中标出工作点，如图A.4所示。A.3.5.3根据工作点在分区图中的位置，对不同流速下波纹凹槽翅片的性能进行评估：对于图A.4中的五个工作点，点a和点b位于综合性能评价图的4区，表示其空气侧传热和压降综合性能最优，其次是点e,点c和点d对应的传热和压降综合性能最差。GB/T41872—2022/A图A.4综合性能评价图求取综合性能评价值A.3.6综合性能评价值以本示例中迎面风速3.0m/s对应的工作点(点e)为例，过