R410A 在內螺紋管內無潤滑油沸騰換熱實驗研究

(上海理工大學制冷與低溫研究所 上海 200093)

由于R22對臭氧層破壞和全球變暖的重要影響，《蒙特利爾議定書》明確地規定2020年全面禁用R22。在美國和日本，R410A已成為房間空調和組合空調系統中R22的主要替代物，目前國內也在推廣使用 R410A作為替代工質[1]。我國制冷行業也面臨著尋找R22的主要替代物的重大課題。R410A是由R32/R125組成的二元近共沸混合工質，溫度滑移小，無毒不可燃，是R22理想替代物之一。R410A的ODP=0，GWP=0.29，均優于R22(ODP為0.04～0.06，GWP為0.32～0.37)[2]。

管內沸騰換熱強化技術是強化換熱領域中非常重要的方面，目的是進一步提高新型環保新工質在換熱器管內換熱設備的效率，減少能量在傳遞過程中的不可逆損失，減少換熱面積，降低金屬材料消耗。國內外學者研究制冷劑在管內的傳熱特性做了很多實驗工作，各科研院所、企業基本上就是在圍繞研究制冷劑的傳熱性能，提高管內的傳熱效率方面做了很多工作。上海交通大學的胡海濤和丁國良等對R410A潤滑油混合物在強化管內的流動沸騰換熱特性進行了研究，探索了質流密度、干度和平均油濃度對換熱特性的影響，得到純制冷劑R410A的傳熱系數隨著干度的增大先增大后減小的結論[3]；上海理工大學的馬虎根等采用恒熱流加熱方法，對R410A在水平微翅管內流動沸騰特性進行了實驗研究，分析了R410A質量流量、熱流密度、質量干度以及微翅管的幾何參數對工質的流動沸騰換熱性能的影響[4]；西安交通大學的羅昔聯等根據兩相流動換熱理論，建立穩態分布參數模型，用分布參數法求解控制方程，得出在不同流量、不同干度下，R22和R407C在微肋管內的冷凝傳熱性能，同 還得出它們在微肋管內流動的壓降[5]；陳劍波等對一種新型商用表面增強型蒸發強化傳熱管進行研究，使用R134a作為制冷工質，保持進口水溫不變而改變管內水流速，得出這種強化管的總換熱性能是普通低翅蒸發強化管的2. 2到2.6倍，管外換熱系數是普通低翅蒸發強化管的1.3～1.9倍[6]；James Bogart等人在光滑管與內肋片強化管內用R22與R410A進行蒸發和冷凝實驗研究，得出這兩種工質在光滑管與內肋片強化管內換熱系數的對比結果[7];Man-Hoe Kim，Joeng-Seob Shin通過改變冷卻水的流量，使R410A與R22在管徑為Φ9.52mm水平微肋管和內光管內冷凝的換熱，得出R22和R410A在水平微肋管與光管的平均換熱系數分別是普通光管的1.7～3.19和1.7～2.94倍[8]。

作為R22的有效替代物之一，近共沸混合制冷劑R410A 的沸騰換熱性能是換熱設備設計中必不可少的數據。針對R410A在水平內螺紋管內在無潤滑油狀態下的沸騰換熱性能進行了研究，與R22的試驗結果進行了對比，并分析各種影響因素對沸騰換熱性能的影響。

1 管內沸騰換熱理論

根據沸騰發生的不同條件，可把沸騰分為均相沸騰和非均相沸騰。管內的流動沸騰屬于非均相沸騰。在整條管中的流動沸騰換熱可以分為:單相流體對流傳熱區、欠熱泡核沸騰區、飽和泡核沸騰區、強制對流蒸發區、缺液區五個部分[9]。在各個階段中制冷劑的流動狀態不同，與管壁的換熱性能也有很大的差異。對流區制冷劑液體與管壁的溫差基本保持不變；欠熱泡核沸騰區制冷劑在靠近壁面的區域產生了少量氣泡；當進入飽和泡核沸騰區 ，制冷劑流體的主流溫度達到飽和溫度，出現大量的氣泡；在進入強制對流蒸發區，制冷劑流體處于環狀流動狀態，壁面與主流之間的溫度進一步降低；進入缺液區液膜逐漸變薄最后消失，壁溫不斷上升，制冷劑蒸汽出現過熱現象，從而完成了制冷劑在水平管中的蒸發過程。

2 系統原理圖和實驗裝置

為得到R410A的在管內無潤滑油狀態下的沸騰換熱特性，選用JYZ型液壓隔膜泵為制冷劑循環提供動力，搭建了單管實驗裝置。實驗采用的是一種新開發的三維內螺紋高效強化銅管，管徑分別為Φ5mm和Φ9.52mm，是研究中非常普遍使用的管，其換熱能力是普通光管的2～3倍，結構示意圖如圖1所示，部分主要結構參數如表1所示。

圖1 強化管的結構示意圖Fig.1 The structure sketch map of enhanced tubes

表1 強化管尺寸數據表Tab.1 Geometry data of enhanced tubes

系統原理圖如圖2所示，管內沸騰換熱實驗臺由制冷劑系統、測試試驗段、冷水系統和試驗段前加熱系統四部分組成。測試試驗段采用套管式換熱器，制冷劑與水在套管中逆流換熱。在蒸發實驗工況下，套管中的水起加熱作用，把制冷劑加熱成過熱蒸汽，制冷劑的入口過冷度一般保持在在2℃～4℃，出口過熱度控制在3℃～7℃，制冷劑的流速為100～400kg/(m2.s)變化，壓力、溫度等信號由壓差傳感器、壓力變送器以及Pt100鉑電阻進行采集，再經過RS232C傳輸到計算機，在基于組態軟件開發的人機界面上實 顯示并處理。

圖2 實驗系統原理圖Fig.2 Experimental system diagram

3 實驗結果與分析

3.1 R410A和R22在Φ9.52mm 管內沸騰換熱實驗性能比較

3.1.1 蒸發溫度為5℃管內沸騰換熱傳熱系數hr的 比較

圖3反映了管內的表面傳熱系數hr的變化。表面傳熱系數hr在制冷劑流量Gm為150kg/(m2.s)～400kg/(m2.s)之間 ，R22明顯高于R410A。在150kg/(m2.s)～250kg/(m2.s)之間 ，R22的hr變化與R410A一樣較為平穩，隨著Gm增加，可以看出R22的hr明顯增加較快，說明流量的大小對R410A的換熱效果沒有那么明顯。R410A的hr的變化較為平穩，主要可能是R410A的兩種工質在蒸發過程中出現分層現象導致換熱效率不高，換熱不夠充分使得制冷劑狀態的改變，同 也不排除是因為R410A由于存在著溫度滑移在大質量流量下不容易被完全蒸干，汽化潛熱沒有完全被釋放從而導致換熱系數的減小。

圖3 管內傳熱系數hr的 隨流量Gm變 化曲線Fig.3 The heat transfer coef fi cient(hr) changes with the flow(Gm)

3.1.2 蒸發溫度為5℃管內總換熱系數K的比較

圖4 總換熱系數K 隨流量Gm變 化曲線Fig.4 The total heat transfer coef fi cient K changes with the flow Gm

如圖4所示，隨著制冷劑單位面積流量的增加，R22和R410A換熱系數K總體呈增加的趨勢。R22的K值曲線高于R410A，并且在Gm一定的前提下，平均增加400W/(m2.K)左右，而R410A增加的比例幅度沒有R22大，在300W/(m2.K)左右。K值大小取決于換熱量與對數平均溫差的比值，對數平均溫差受進出口過熱度的大小的影響，R410A是近共沸制冷劑，在測試段出口段的制冷劑保證完全蒸發的狀態下，需要增加換熱量。由于兩種制冷劑的沸點差異性，造成溫度差值大，對數平均溫差升高，K值減小，R22的K值大于R410A。3.1.3 管內壓降性能的比較

圖5反映了在蒸發溫度5℃ 壓降的變化曲線。分析壓降曲線，可以得出壓降曲線是呈現上升的拋物線，但是從圖上可以看出，該曲線并不是上升的拋物線，而是呈現出線性的狀態。這是由于沸騰換熱過程是兩相態的轉化過程，制冷劑液態在向汽態轉化中，流阻逐步減少，造成曲線趨于平和，呈現出線性的狀態。在管內壓降總體上呈現線性的變化，隨著Gm的增加，壓降逐步的增大，并且R22的壓降值要大于R410A。擬合成方程式:R22:ΔP=0.1451Gm-15.792，R410A:ΔP=0.1141Gm-10.624，R22的斜率大于R410A。壓降隨著Gm的增加而增加，并且增加值在2kPa～8kPa。

圖5 R22和R410A 隨流量Gm的 壓降變化曲線Fig.5 Pressure drop of R22 and R410A changes with the flow Gm

3.2 R410A 在不同蒸發溫度和管徑下管內沸騰換熱實驗性能比較

3.2.1 管徑為9.52mm 在蒸發溫度為5℃和10℃下換熱系數和壓差的比較

圖6 總換熱系數K 隨流量Gm變 化曲線Fig.6 The total heat transfer coef fi cient K changes with the flow Gm

圖7 R410A 隨流量Gm的 壓降變化曲線Fig.7 R410A pressure drop changes with the flow Gm

由圖6、7可知，R410A的換熱系數K受水流量的變化影響很大，水流量越大，換熱系數K越大。而蒸發溫度越低，進行熱交換的熱量越大，換熱系數K越大。在蒸發溫度為5℃和10℃下，水流量對換熱系數的影響決定作用。如圖6所示，R410A壓差的變化是低溫環境對R410A粘度系數影響很大，蒸發溫度越大壓差的變化越大。

3.2.2 在蒸發溫度為5℃時，R410A在管徑5mm和9.52mm下壓差和換熱系數的比較

圖8 總換熱系數K 隨流量Gm變 化曲線Fig.8 The total heat transfer coef fi cient K changes with the flow Gm

如圖8、9所示，R410A在管內的流量增加，換熱系數K逐步增加。在相同的單位面積流量下，9.52mm管的換熱系數是5mm的1.32～7.22倍，5mm管的壓降是9.52mm的1.48～2.68倍。由于5mm管的管徑小，蒸發 氣液兩相態，交織在一起，形成了氣層，導致在管壁與蒸發液之間隔著一層氣膜，增加了熱阻，制冷劑在9.52mm管表面形成的液膜面積大，換熱比較充分，9.52mm管的傳熱效果較為明顯，因此在相同的單位面積流量下，9.52mm管的傳熱系數大。制冷劑在9.52mm管表面形成的液膜面積大，換熱比較充分，9.52mm管的傳熱效果較為明顯。同 ，5mm管內制冷劑的流動阻力也會增加，壓降變大。

圖9 R410A 隨流量Gm的 壓降變化曲線Fig.9 R410A pressure drop changes with the flow Gm

4 結論

制冷劑在不帶潤滑油的情況下，在管內進行沸騰換熱，在相同的測試條件下，由實驗得到R410A、R22在Φ5mm和Φ9.52mm管內沸騰換熱實驗數據，從分析比較可知:

1)當蒸發溫度一定 ，總的傳熱系數K跟管內外的流速都有關系，并且隨著單位面積流速的增加而增大。管內制冷劑單位面積流量相同 ，管外水流量的變化，對傳熱系數以及熱量補償都有很大的影響。管外流體的擾動性，對管壁的熱傳導平衡也有一定的影響，適當的調節管外換熱條件為環保工質R410A代替R22做準備。

2)通過管內的表面傳熱系數hr比較發現，R22明顯高于R410A。內螺紋管有效的強化制冷劑的流動沸騰換熱，不僅增加了換熱面積，也增強了對流體的擾動性，螺紋的旋轉作用提升液膜，增加換熱效率。R410A是近共沸制冷劑，在蒸發過程中形成汽液兩相態，在蒸發層的表面形成氣層，不利于傳熱，R410A的蒸發溫度有滑移，導致R410A的對流換熱效果沒有R22好。

3)通過對不同制冷劑的壓降比較可知，R22的壓降大于R410A，壓降值在相同的Gm下，隨著Gm的增大，逐步增大，并且增加值在2kPa～8kPa。通過測定流體流經換熱管的壓降，一方面比較不同換熱管的阻力特性，并尋求減小壓降的改進措施，另一方面為R410A換熱器設計選擇泵的容量提供依據。

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