R410A 應用于內螺紋強化管的蒸發實驗研究

黃理浩陶樂仁鄭志皋王 偉張建國張慶鋼王金鋒

(1上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093; 2上海海洋大學食品學院 上海 201306)

R410A是由R32/R125兩種工質按1:1組成的近共沸混合工質[1]，溫度滑移小，約0.2K，無毒不可燃，其主要有氫，氟和碳元素組成(表示為HFC)，由于不含有氯元素，所以不會與臭氧發生反應，即不會破壞臭氧層。目前R410A是國際公認的用來替代R22最合適的的冷媒之一[2]，并在歐美，日本等國家得到普及。

另外隨著工業技術的不斷發展，行業內的競爭日漸激烈，人們對換熱設備的緊湊化、高效化和低成本化的要求越來越高。許多公司紛紛開發出了一系列高效的換熱管，但對于R410A在高效換熱管內的傳熱理論和實驗研究還比較少。高克聯管件(上海)有限公司的武永強、羅忠[3]等人對幾種內螺紋管的管內冷凝研究，比較了不同齒形對換熱的影響，上海交通大學的胡海濤、丁國良[4]等人對R410A和油在7mm強化管內的流動沸騰換熱特性分析并開發出了關聯式，James Bogat[5]等人對R410A和R22在一種強化換熱管和光管內的蒸發、冷凝的換熱做了試驗對比。

這里主要對9.52mm的一種內螺紋管管內蒸發換熱做了一些研究，分析了不同的制冷劑質量流速、管外側冷水流量對換熱的影響。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

設計了一臺集蒸發和冷凝為一體的管內蒸發、冷凝實驗臺，采用隔膜泵為實驗裝置的循環動力，既可以適用各種不同的制冷劑又可以避免潤滑油對實驗結果準確性的影響。蒸發循環流程如圖1所示(冷凝循環流程未畫出)，包括制冷劑循環、實驗段前冷水循環，通過換熱器1把制冷劑冷卻成液態、實驗段水循環，通過套管和制冷劑進行換熱使出口的制冷劑達到蒸氣狀態、冷水循環,含有50%乙二醇的水溶液，由電熱水箱通過換熱器3為實驗段水循環進行換熱，為蒸發制冷劑提供熱量。

圖1 蒸發系統流程Fig.1 Evaporation system

1.2 測控系統

表1 測量儀器Tab.1 Measuring instruments

制冷劑循環和實驗段水循環分別裝一個質量流量計和一個電磁流量計用來測量制冷劑和水的流量，在測試段制冷劑的進出口各裝一個Pt100鉑電阻、壓力變送器和一個差壓變送器，在實驗段水循環的進出口也各裝一個Pt100鉑電阻，(測試儀器型號及規格見表1)各個測點都與PLC連接，在實驗過程中，PLC把采集到的溫度、壓力、流量等信號通過RS232串口傳到上位機組態軟件中實現上位機的數據采集，并通過內部計算程序對實驗數據進行處理，反映在控制界面上，上位機再通過RS232串口把調整的控制信號發送到PLC中，PLC接收到上位機的信號后通過事先編好的程序對實驗臺進行自動控制，當實驗達到穩定狀態時自動記錄實驗過程中的數據。

1.3 實驗工況及測試樣管

冷凝溫度分別設定在35 和40 兩種實驗工況，制冷劑流量為100～400kg/(s.m2)，進口蒸汽過熱度為6 ，出口液體的過冷度為2 ，管外冷卻水的流量分別為0.8m3/s，0.6m3/s。測試部分是一個水平布置的套管式換熱器，測試管布置在套管內，制冷劑與冷卻水采用逆流換熱方式，實驗過程中制冷劑側和水側的換熱量誤差為10%以內。

圖2 內螺紋管齒形橫斷面Fig.2 Cross-section of internal thread tube

實驗樣管(如圖2所示)選用內螺紋強化管長度為5.2m，直徑為9.52mm，齒高0.17mm，底壁厚0.3mm，齒頂角30°，槽寬0.23mm，螺旋角18°，齒數70。

2 實驗結果與分析

2.1 管內蒸發換熱特性

圖3 不同水流量下，蒸發換熱系數隨質量流量的變化Fig.3 Different water flows, evaporation heat transfer coef fi cient changes with the mass flow

R410A和R22兩種制冷劑工質在蒸發溫度為10 的工況下比較了其在9.52mm內螺紋管內的蒸發換熱情況，如圖3所示，換熱系數hr都隨質量流速Gr的增大而增大，這主要也是因為質量流速Gr的增加使工質與管壁間的對流換熱得到加強從而使hr增大。在冷卻水流量為0.8m3/h和1.0m3/h的工況下，質量流速Gr在150kg/(s.m2)～300kg/(s.m2)時，R410A與R22的換熱系數hr基本一致，但當質量流速增大到300kg/(s.m2)～400kg/(s.m2)時，R410A的換熱系數hr略有減小，但R22的換熱系數hr增加的非常快。在冷卻水量為1.0m3/h的工況下，R410A和R22的換熱曲線基本一致，在小質量流速的情況下R22比R410A的換熱系數hr稍高，說明冷卻水流速的增大可能更有利于工質R22的換熱。

圖4 制冷劑在水平通道中的蒸發示意圖Fig.4 Refrigerant evaporation in horizontal channel

如圖4所示，制冷劑加熱時，在不同區域((1)、(2)、(3))呈現出不同流體形式(即傳熱形式)。

(1)單相液體的對流傳熱。其傳熱形式為單相液體的對流傳熱。

(2)核沸騰。制冷劑被加熱形成氣泡，增加紊流和增大傳熱系數。

(3)通過液膜的強制對流換熱。隨著氣泡的產生，流道中心全部被蒸氣占據，由于蒸氣流速很高，此時的剪切力足以形成穩定的液膜(薄膜蒸發形成)，流動形式為環狀流，傳熱系數相當高，可達液-液傳熱時的兩三倍[6]。

換熱系數的增加主要是因為:

1)制冷劑在進入實驗段時干度很小，此時主要傳熱作用為核態沸騰，隨著干度的增加，流型向環狀流過渡，形成薄液膜，即熱量通過膜態蒸發而快速傳遞，從而傳熱系數增大[7]。

2)由于流量的增大，制冷劑的量也增加，使得液膜在測試管段的形成得到保證，不會因為制冷劑的完全蒸發而導致在測試管段中段液膜無法形成，因此在大流量下換熱系數更大。

3)測試管的長度較短1.5m左右，不會因為環狀流的結束，而向霧狀流轉化，導致傳熱系數的降低。

2.2 管內蒸發換熱流阻特性

如圖5所示R410A和R22兩種制冷劑工質在冷卻水流量在0.8m3/h 和1.0m3/h兩種工況下壓降ΔP隨質量流速Gr的變化情況，兩種制冷劑工質的壓降都隨質量流速的增大而增大，這也是因為質量流速的增大導致制冷劑與管壁的摩擦壓降增大從而導致了壓降的增大。冷卻水流量為0.8m3/h的工況下，R410A的壓降平均要比R22的壓降小30%左右，冷卻水流量為1.0m3/h的工況下，R410A的壓降平均要比R22的壓降小40%左右。

圖5 不同水流量下，壓降隨質量流速的變化Fig.5 Different water flows, pressure drop changes with the mass flow

3 結論

在測試管內無潤滑油的情況下對R410A、R22兩種工質在變制冷劑質量流速，水流量的幾種工況下得到的實驗數據，從分析比較得出以下結論:

1)銅管的換熱系數和壓差隨著工質質量流量變化影響顯著,都隨著流量的增加而增大。

2)制冷劑在小流量的情況下，由于液膜的形成在測試管中所占比例較小，因而相比大流量其換熱系數較小。

3)R410A比R22有更高的換熱效率和更小的壓降。

4)冷卻水流量的變化對換熱系數及壓降影響不大。

總之，制冷劑R410A、R22的換熱系數和壓降隨質量流速的增大而增大，當質量流速小于300 kg/(s.m2)時，兩者的換熱系數hr和壓降Δp曲線基本吻合，當質量流速大于300kg/(s.m2)時，R410A的換熱系數hr和壓降Δp小幅增加，而R22的換熱系數hr和Δp增加幅度較大。因此在質量流速要求不太大的情況，R410A比R22有更好的換熱效率和較小的壓降，可以用來替代R22。

[1] 張萍, 陳光明. R410A替代R22制冷系統的實驗與分析[J]. 工程熱物理學報, 2008, 29(5): 741-746. (Zhang Ping, Chen Guangming. Experiment and analysis on refrigeration system of R410A replacing R22[J]. Journalof Engineering Thermophysics, 2008, 29(5): 741-746.)

[2] 王勤, 陳福勝, 朱志偉, 等. HFC161混合物作HCFC22替代制冷劑的實驗研究[J].工程熱物理學報, 2009, 30(2):202-204.(Wang Qin, Chen Fusheng, Zhu Zhiwei, et al.Experimental study on HFC161 mixture as analternative refrigerant to HCFC22[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2009，30(2):202-204.)

[3] 武永強, 羅忠. 一種新型高效傳熱銅管的冷凝傳熱性能實驗研究[J]. 制冷與空調, 2006, 6(1):75-78.(Wu Yongqiang, Luo Zhong. Experimental study on condensation heat transfer performance of a new copper cube[J].Refrigeration and Air-conditioning, 2006, 6(1): 75-78.)

[4] 胡海濤,丁國良,王凱建. R410A-油混合物在7mm強化管內流動沸騰的換熱特性[J]. 化工學報, 2008, 59(1):32-37.(Hu Haitao, Ding Guoliang, Wang Kaijian. Heat transfer characteristics of flow boiling of R410A-oil mixture in a 7mm enhanced tube[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2008, 59(1): 32-37.)

[5] James Bogart, Petur Thors. In-tube evaporation and condensation of R22 and R410A with plain and internally enhanced tubes[J]. Enhance Heat Transfer, 1999, 6:37-50.

[6] 馬海燕. 板式升膜蒸發器在離子膜燒堿中的應用[J].中國氯堿, 2006, 5: 9-10.(Ma Haiyang. Application of plate-type climbing fi lm evaporation in ionic membrane caustic soda[J]. China Chlor-Aalkali, 2006, 5: 9-10.)

[7] 王維城, 劉志堅, 王補宣, 等. 強化水平管內沸騰換熱的實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 1991, 12(1):54-58.(Wang Weicheng, Liu Zhijing, Wang Buxuan, et al. Experimental research for augmentation of connective boiling in a hotizontal tube[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 1991, 12(1):54-58.)