R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱的研究進展

鄒思凱，戴源德，何國庚

（1南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031；2華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074）

R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱的研究進展

鄒思凱1，戴源德1，何國庚2

（1南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031；2華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074）

R290（丙烷）及其混合制冷劑具有優秀的環保性和熱物性，是理想的替代制冷劑，但存在可燃的問題。通過對R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱的研究，可以優化制冷系統的換熱器，減少充灌量，降低R290及其混合制冷劑的可燃性。本文綜述了國內外R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱的研究，表明R290及其混合制冷劑擁有接近或超越傳統合成制冷劑的相變換熱性能。列出并對比了相關研究中得到的相變換熱關聯式，匯總了相關研究中質量流量、熱流密度、干度等因素對相變換熱的影響。指出當前研究大多在過去常用的傳熱管進行，為了降低R290及其混合制冷劑的可燃性，減少制冷系統的制冷劑充灌量，必須對R290及其混合制冷劑在小管徑（7mm、6mm、5mm，甚至4mm）傳熱管內相變換熱的關聯式和影響因素進行深入研究。

丙烷；相變；傳熱；流動；混合制冷劑；水平管

由于氟利昂R22具有破壞臭氧層和加劇溫室效應的環境問題，根據《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議的決定，將被加速淘汰，尋找新的替代制冷劑已經成為制冷界的迫切任務。目前，R22的替代制冷劑主要是HFCs和天然制冷劑，如R410A目前已經被廣泛應用于變頻空調產品中，但R410A排氣壓力比R22大，尤其是R410A具有比R22還高的全球變暖潛能值（GWP），并不是R22的理想替代品，而被普遍認為只是過渡替代產品，特別是近年來國際社會對全球變暖問題的重視，HFCs等普遍具有高GWP的替代制冷劑，將面臨越來越嚴格的使用限制。與此同時，天然制冷劑R290及其混合制冷劑由于優越的環保特性越來越受人們關注，其中R290被中國房間空調器HCFCs淘汰管理計劃（HPMP）明確為未來中國房間空調器行業首選替代制冷劑。SPATZ等［1］認為，R290的制冷性能要高于R22；何國庚等［2］認為，R290熱力性能與環保性能均好于R410A和R407C，是小型房間空調器用R22的理想替代制冷劑；WONGWISES等［3］發現，在相同工況下，R290/R600（60%/40%）能夠代替R134a在同一臺家用冰箱內工作；TIAN等［4］發現，R32/R290（68%/32%）在房間空調內制冷性能與COP均優于R410A。

由于R290及其混合制冷劑具有與R22不同的熱物理性質，為了降低R290及其混合制冷劑的可燃性風險，需要盡可能減少制冷系統中R290及其混合制冷劑的充灌量，這樣作為制冷系統中對制冷劑充灌量起關鍵作用的換熱器的設計就顯得非常重要。由于R290及其混合制冷劑應用于制冷系統時，在冷凝器和蒸發器中主要換熱特性分別為管內凝結和管內沸騰，本文將就R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱的最新研究成果作概括性的分析與介紹。

1　R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱性能的研究現狀

1.1R290及其混合制冷劑與R22相變換熱性能的對比

1987年，國際社會簽訂的蒙特利爾議定書制定了常用制冷劑CFCs和HCFCs的禁用進程，這促進了對R290及其混合物作為制冷劑工質的初期探索。當時學者們想要替代的主要對象是會破壞臭氧層的R22。因此在對R290及其混合制冷劑的研究初期，與R22的相變換熱性能對比研究是研究的重點，能夠直觀反映R290及其混合制冷劑與R22換熱性能的優劣。所以，一些學者進行了與R22相關的實驗，對R290及其混合制冷劑換熱性能進行了評測。

SHIN等［5］先后對純工質（R22、R32、R134a、R290、R600a）和不同配比下混合工質（R32/R134a、R290/R600a、R32/R125a）在管徑7.7mm的水平光滑管內的強制對流沸騰換熱特性進行了研究，在相同測試條件下，R290、R600a的沸騰換熱性能相近，皆優于R22，R290/R600a（75%/25%）的沸騰換熱系數最高。在CHANG等［6］的研究中，R290等HCs在管徑為8mm的水平光滑管內凝結換熱性能和沸騰換熱性能均優于R22，且HCs液相的黏度也低于R22，表明其強化換熱性能潛力更優。LEE等［7-8］對環保工質R600a、R1270、R290和R22在管徑9.52mm和12.70mm水平光滑管內進行了相變換熱實驗，實驗結果表明R600a、R1270、R290在各工況下平均沸騰換熱系數分別比R22高55.4%、72.3%、67.7%，平均凝結換熱系數分別比R22高68%、60%、70%。PARK等［9］發現，在8.8mm的水平強化管內，R290等HCs制冷劑凝結換熱系數均比R22高。RAJ等［10］模擬研究了M20（R407C/R290/R600a）與R22在管徑9.52mm的翅片管式蒸發器的管內沸騰換熱性能，研究者對比模擬結果發現，M20的沸騰換熱性能比R22高13.75%～16.53%。肖航等［11］通過對R290與R22在管徑2mm的水平光滑管內凝結換熱進行研究發現，在飽和溫度和質量流速相同的情況下，R290的凝結換熱系數總體上大于R22。

從對比研究的結果來看，R290及其混合制冷劑的管內相變換熱系數要高于R22，這使得R290及其混合制冷劑制冷系統能夠采用比R22制冷系統換熱面積更小的換熱器。

1.2R290及其混合制冷劑與現有R22替代制冷劑相變換熱性能的對比

由于R290具有可燃性，在過去幾十年內都未在房間空調器等常規空調系統中實際使用。而在這幾十年里，也誕生了很多新的人工合成制冷劑，如R134a、R410A等，這些制冷劑雖然不會破壞臭氧層，但是卻都有著很高的GWP，會加劇全球變暖。R290及其混合制冷劑雖然有著良好的環保性能，但是其換熱性能是否能夠接近或超越現有R22替代制冷劑將決定對其深入研究的價值。部分學者為了得到答案進行了R290及其混合制冷劑與現有R22替代制冷劑相變換熱性能的對比研究。

韓曉霞［12］在對R290和R404A在管徑9.52mm的水平光滑管和內螺紋管內沸騰換熱特性的研究發現，R290在光滑管內的沸騰換熱系數要高于R404A，但R404A的內螺紋管內強化沸騰換熱性能更佳。WEN等［13-14］研究了對R134a、R290、R600及R290/R600（50%/50%）在管徑2.46mm的水平蛇形微通道內凝結換熱，研究表明，在相同工況下，R290、R600和R290/R600的凝結換熱系數分別比R134a的高89%、124%、155%。同時，研究者還研究了R134a、R290、R600及R290/R600（55%/45%）在管徑2.46mm水平蛇形微通道內的沸騰換熱，在相同工況下，R290、R600和R290/R600的沸騰換熱系數分別比R134a的高71%、33%、67%。CHO等［15］在對CO2純工質及不同配比下CO2/R290在4.00mm的光滑管和4.13mm微肋管內的沸騰換熱特性研究發現，無論在光滑管或是微肋管內，純的CO2工質沸騰換熱性能要略高于CO2/R290工質，但采用CO2/R290混合工質既能有效避免制冷系統在使用CO2純工質時產生的較高壓力，又能夠大大降低R290的可燃性。而在所有CO2/R290工質配比里，CO2/R290（75%/25%）的沸騰換熱系數最高。劉芳［16］和韓北鯤［17］在對R32/R290（68%/32%）和R410A管徑6mm的水平光滑管和微肋管內相變換熱特性的研究中發現，R32/R290（68%/32%）在光管和微肋管內的沸騰換熱系數高出R410A達15.7%～66.8%，R32/R290（68%/32%）在光管和微肋管內的凝結換熱系數也大于R410A。

從上述研究可以看出，R290及其混合制冷劑都有接近或者超越傳統人工合成制冷劑的相變換熱系數。深入研究R290及其混合制冷劑是有必要且有價值的工作，能夠對R290及其混合制冷劑替代目前市場上使用的高GWP人工合成制冷劑起到指導作用。

2　R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱關聯式的研究現狀

2.1適用于R290及其混合制冷劑的通用相變換熱關聯式

在對R290及其混合制冷劑管內相變換熱特性的理論研究中，換熱關聯式的研究和改進非常重要。由于實驗條件的局限性，研究者不可能對所有的工況點進行實驗研究，但通過精確可靠的關聯式能夠對范圍工況內的任意工況下R290及其混合制冷劑相變換熱系數進行預測。近年來，有部分學者對R290的管內相變換熱關聯式進行了深入的研究。

CHANG等［6］采用線性回歸的方法對SHAH關聯式進行改進，得到了HCs類通用的管內凝結換熱關聯式。研究者將所得的凝結換熱關聯式預測結果與實驗結果進行比對得出關聯式預測HCs純工質時平均偏差為8.6%。THOME等［18］總結了包括R290在內的15種制冷工質的管內凝結換熱的實驗數據，建立了新的換熱模型，得到了適用于質量流量為24～1022kg/（m2·s）、干度0.03～0.97、管徑3.1～21.4mm內純工質和混合工質的泛用型管內凝結換熱關聯式。研究者將新的換熱關聯式預測數據與所選取的HCs類2771個實驗數據點進行對比驗證，結果表明，有75%的實驗數據預測偏差在20%以內，其中對R290預測平均偏差為12%，標準偏差為13%。CAVALLINI等［19］結合了傳統HCFCs和CFCs關聯式的優點，對THOME［18］和CAVALLINI［20］等關聯式進行了改進，建立了新的換熱模型，得到了能適用于HFCs和HCs的泛用型管內凝結換熱關聯式，并通過與HFCs和HCs的1007個實驗數據點對比進行了驗證，結果表明，新關聯式對HFCs和HCs預測平均偏差為5%，標準偏差為19%。WEN等［14］整合了DITTUS和BOELTER［21］、STEPHAN和ABDELSALAM［22］的關聯式的優缺點，使用迭代的方法，結合THOME和SHAKIR［23］所得到的修正因子FM，改進并得出了一個適用于HCs的新型管內沸騰換熱關聯式。研究者先將實驗結果同修正因子修正后的GUNGOR和WINTERTON［24-25］關聯式進行了對比，發現所有的數據均在±20%之間。并將實驗結果和所得的新關聯式預測結果進行比對發現，新關聯式預測平均偏差為11.5%。

2.2R290及其混合制冷劑的專用相變換熱關聯式

由于早期的研究者在對R290及其混合制冷劑相變換熱特性的研究中所采取的換熱關聯式多為通用換熱關聯式，研究者在對其進行改進的時候，通常也針對的是大類的制冷劑，而非單一制冷劑，所以這些換熱關聯式對R290及其混合制冷劑的預測精度不高。隨著對HCs工質研究的深入，人們發現R290及其混合制冷劑對R22有著優秀的替代性能，這也吸引了一些學者對R290及其混合制冷劑的專用關聯式進行了研究。

CHOI等［26］根據CHEN［27］、JUNG［28］等的研究，得出了一個新的核態沸騰抑制因子S，即管內流動沸騰和池沸騰的比例h/hnb。利用核態沸騰抑制因子可以對COOPER的核態沸騰關聯式［29］進行優化，得到可用于預測R290在水平光滑微通道內沸騰換熱系數的新關聯式。研究者將實驗結果和關聯式預測結果進行比對，結果表明，新關聯式對R290預測平均偏差為-2.42%，標準偏差為9.93%。MACDONALD等［30］在THOME［18］、DITTUS和BOELTER［21］及EDWARDS［31］等關聯式的基礎上，對低壓降、大管徑、高飽和溫度下的R290管內凝結換熱過程建立了新的兩相流換熱模型，提出了新的關聯式。研究者將關聯式預測結果進行比對，得出新關聯式對R290預測平均偏差為-1%，標準偏差為12%。ZHU等［32］通過實驗研究，在COOPER核態沸騰關聯式［29］的基礎上，發展了能夠適用于CO2、R290及兩者混合物在管徑2mm光滑管內沸騰換熱的關聯式。研究者將新關聯式的預測結果與實驗結果及現有研究數據的613個數據點進行對比，發現超過70%數據點在±30%之間，新關聯式對CO2/R290預測平均偏差為-13.1%，標準偏差為27.6%。表1列出了上述研究者所得到的新型換熱關聯式。

2.3R290及其混合制冷劑相關相變換熱關聯式的精度對比

圖1　各相變換熱關聯式平均偏差對比

表1　R290及其混合制冷劑相關相變換熱關聯式

表1　R290及其混合制冷劑相關相變換熱關聯式 （續表）

圖1反映的是各關聯式的平均偏差，從圖1中可以看出，由于通用換熱關聯式適用范圍較廣，能夠簡單地預測R290及其混合制冷劑的管內相變換熱系數。但是，通用關聯式在經過研究者通過實驗和理論研究改進成為R290及其混合制冷劑專用換熱關聯式后，預測精度得到了較大的提高，能夠較好地反映R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱時各部分具體的換熱參數。

3　R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱影響因素的研究現狀

在對制冷劑的管內相變流動換熱的研究時發現，流型能夠反映某工況下的換熱特性。通過對制冷劑管內相變流動的流型研究，學者們發現干度、質量流量會對流型產生影響，進而影響到制冷劑的管內相變流動換熱；而熱流密度和流動參數也會對制冷劑的管內相變流動換熱產生影響，所以在對R290及其混合制冷劑的相變換熱的影響因素研究中，主要對干度、質量流量、熱流密度等參數進行分析［33-35］。

3.1R290及其混合制冷劑沸騰換熱的影響因素

從部分研究來看［12，36］，整體上R290及其混合制冷劑的管內沸騰換熱系數是隨干度和質量流量增大而增大的，但這并不全面。根據沸騰換熱機理，在沸騰換熱的初期，核態沸騰占據沸騰換熱的主要地位。此時，隨著干度增大，汽液邊界層開始發生對流換熱，使得R290及其混合制冷劑的沸騰換熱系數增大。之后，在沸騰換熱過程中，對流換熱占據沸騰換熱的主要地位，隨著干度增大，在管壁面的液膜厚度降低，對流換熱得到強化，R290及其混合制冷劑的沸騰換熱系數繼續增大。當干度增大超過一定的數值之后，管壁壁面將難以形成液膜，對流換熱性能急劇降低，使得R290及其混合制冷劑的沸騰換熱系數急劇減小。CHOI等［26］發現，干度的變化會導致質量流量對與R290的沸騰換熱的影響不同：在低干度區域，核態沸騰換熱占據沸騰換熱的主要地位，質量流量的變化對R290的沸騰換熱系數幾乎無影響；在中高干度區域，而此時對流換熱占據沸騰換熱的主要地位，質量流量的增加會強化對流換熱作用，導致了R290的沸騰換熱系數的增加；在高干度區域，高質量流量會促使流體在管內形成霧狀流，使得管壁難以形成液膜，導致R290對流換熱系數降低，從而導致R290的沸騰換熱系數降低。CHO［15］、劉芳［37］等則分別在對CO2/R290、R32/R290混合制冷劑管內沸騰換熱特性研究中發現了與R290類似的沸騰換熱規律。

吳曉敏等［38］通過對CO2/R290在內徑2mm的水平光滑管內流動沸騰換熱實驗發現，質量流速、熱流密度和初始蒸發溫度的增加均會使沸騰換熱系數增加，但隨著CO2/R290中R290比例的上升，熱流密度和初始蒸發溫度的變化對沸騰換熱系數的影響會減弱。

WANG等［39］還在對R290在管徑6mm水平光滑管內低飽和溫度下的沸騰換熱實驗中發現，熱流密度的增加和沸騰換熱系數的增加近乎成線性關系，這是因為隨著熱流密度的增加會使沸騰核心的數量和氣泡分離速度都會迅速增加；在低熱流密度下，飽和溫度對R290沸騰換熱系數的影響較少，而在高熱流密度下，沸騰換熱系數受飽和溫度影響較大；在兩相流液相占比較大的時候，對流換熱占據沸騰換熱的主要地位，干度增加會導致沸騰換熱系數的增加，而在兩相流氣相占比較大的時候，核態沸騰換熱占據沸騰換熱的主要地位，干度增加會導致沸騰換熱系數的減小。

陳偉清等［40］則在對R290在直徑5mm的水平光滑管內沸騰換熱進行模擬時發現，在大多數情況下，干度一定，換熱系數隨飽和溫度的升高而增大，而在高干度區，換熱系數受到飽和蒸發溫度影響不大。

3.2R290及其混合制冷劑凝結換熱的影響因素

與沸騰換熱不同，R290及其混合制冷劑的管內凝結換熱不僅受質量流量和干度的影響，還受重力的影響。而決定各流型下凝結換熱換熱系數大小的關鍵是管壁面液膜的厚度。當兩相流處于受重力影響較為嚴重的流型（層流）時，重力和切應力的平衡程度直接影響管壁面液膜的厚度，此時主要的影響因素是質量流量；而當兩相流處于受重力影響較小的流型（環流）時，汽液兩相間的切應力則決定了管壁面液膜的厚度，此時主要的影響因素則是干度和質量流量。肖航［11］、WEN［13］、COL［41］、寧靜紅［42］、韓北鯤［43］、MACDONALD［44］等也在研究中發現，R290及其混合制冷劑的管內凝結換熱系數隨著干度和質量流量的增加而增加。

此外FERNANDO等［45］在對R290在內徑為1.42mm的鋁管內進行凝結換熱實驗時發現，飽和溫度的增加會導致R290凝結換熱系數的增加。CHANG等［6］發現，在相同工況下，改變R290所占的比例時，R290/R600a和R290/R600的凝結換熱系數先降低后升高，在R290所占比例接近100%時達到最高。

LIU等［46］在研究R290在管徑1.085mm的水平圓形微通道和管徑0.952mm的水平方形微通道內凝結換熱時發現，傳熱管的形狀會影響R290的凝結換熱系數。在相同工況和傳熱管水力直徑下，R290在方形微通道的凝結換熱系數要大于在圓形微通道的凝結換熱系數。這是由于在方管內，受表面張力影響，R290的液膜會向管道的四個角落聚集，從而使傳熱管表面的液膜平均厚度降低，使得凝結換熱系數增加。

4　結 語

綜上，隨著HCFCs制冷劑淘汰的加速和具有高GWP的HFCs的限制日趨嚴格，R290及其混合制冷劑由于其優秀的熱力性能與環保性能越來越受到人們的關注。相關的研究表明，R290及其混合制冷劑擁有接近或超越R22及其現有替代制冷劑的制冷性能與換熱性能。許多研究者對R290及其混合制冷劑在水平管內的相變換熱特性進行了廣泛的研究，分析了不同因素對R290及其混合制冷劑在水平管內相變換熱的影響，得到了一系列的關聯式。然而這些研究大多針對的是過去常用的傳熱管進行的，這些傳熱管的管徑一般均在7mm以上，如8mm、9.52mm、12.7mm甚至更大，雖然也有一些研究者研究了微通道換熱器內的相變傳熱，但微通道換熱器在房間空調器等非常適合于R290及其混合制冷劑的制冷系統中應用很少。由于R290具有可燃性，為了降低這種可燃性的危險，必須減少R290及其混合制冷劑在制冷系統中的充灌量，而傳熱管小徑化（7mm、6mm、5mm甚至4mm）是其關鍵措施。而目前有關R290及其混合制冷劑在小管徑水平管內相變換熱的研究還很少，尤其缺乏R290及其混合制冷劑在小管徑水平管內相變換熱實驗數據，因此，有必要展開以下研究工作。

（1）R290及其混合制冷劑在小管徑水平光滑管和強化管內凝結換熱實驗，利用所獲得的研究數據對現有關聯式進行改進和優化，以獲得適用于小管徑水平管內的R290及其混合制冷劑凝結換熱規律。

（2）R290及其混合制冷劑在小管徑水平光滑管和強化管內沸騰換熱實驗，利用所獲得的研究數據對現有關聯式進行改進和優化，以獲得適用于小管徑水平管內的R290及其混合制冷劑沸騰換熱規律。

（3）分析研究R290及其混合制冷劑在小管徑水平光滑管和強化管內凝結換熱特性和沸騰換熱特性，探索影響小管徑水平光滑管和強化管內相變換熱的因素，為R290及其混合制冷劑換熱管的優化設計提供依據。

符 號 說 明

Bo —— 沸騰數

bd —— 脫離直徑，m

CT—— 過渡因子

cpl—— 比熱容，J/（kg·K）

D —— 管徑，m

E —— 關聯式強化因子

FM—— 修正因子

Fr —— Froude數

fi—— 摩擦因子

G —— 質量流速，kg/（m2·s）

g —— 重力加速度，m/s2

h —— 換熱系數，W/（m2·K）

hlv—— 汽化潛熱，J/kg

JG，—— 量綱為1的氣流速度

M —— 分子量

P —— 壓力，Pa

Pr —— Prandtl數

q —— 熱通量，W/m2

Re —— 雷諾數

r —— 內管半徑，m

S —— 抑制因子

T —— 溫度，K

Xc——關聯式過渡值

Xtt——Martinelli參數

x——干度

β——關聯式定義角，（°）

δ——液膜厚度，m

ε——空隙率

θ——分層角，（°）

κE——夾帶凝結傳熱增強因子

κi——液膜界面傳熱增強因子

λ——導熱系數，W/（m·K）

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg/m3

σ——表面張力，N/m

τ——切應力，N/m2

ω——CO2質量分數

下角標

A——ΔT- independent流型

al——環流

b——氣泡

bob——泡點

c——對流凝結

crit——臨界

D——ΔT-dependent流型

DB——Dittus and Boelter池態沸騰關聯式

dew——露點

f——膜狀凝結

ff——降膜

g——氣體

H——水平

l——液體

nb——Cooper核態沸騰關聯式

p——池態沸騰

START——完全分層流

SA——Stephan-Abdelsalam關聯式

s——飽和

V——垂直

v——蒸汽

w——壁面

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Studies on phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube

ZOU Sikai1，DAI Yuande1，HE Guogeng2
（1School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，Jiangxi，China；2School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China）

R290（propane）and its refrigerant mixtures have been treated as ideal alternative refrigerants due to their favourable environmental and thermo-physical properties. However，they are flammable. The heat exchangers of the refrigeration system can be optimized，and the charge amount of R290 and its refrigerant mixtures can be reduced by studying the phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube. In this paper，studies on phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube were review. The results showed that the heat transfer performance of R290 and its refrigerant mixtures can be comparable to or above synthetic refrigerants. The phase change heat transfer correlations of R290 and its refrigerant mixtures obtained in related research were listed and compared，and the influence of mass flow，heat flux，vapor quality and other factors on phase change heat transfer from relevant researches were summarized. Finally，it is pointed out that all above researches have been conducted mainly on the traditional heat transfer pipes，the phase change heat transfer correlations and factors of R290 and its refrigerant mixtures in small tube（with the diameters of 7mm、6mm、5mm or even 4mm） should be studied in order to reduce the charge amount and flammability.

propane；phase change；heat transfer；flow；refrigerant mixture；horizontal tube

TB 61+1

A

1000-6613（2016）11-3413-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.004

2016-04-14；修改稿日期：2016-05-30。

國家教育部博士點基金（20110142110052）及江西省自然科學基金（20161BAB206124）項目。

鄒思凱（1993—），男，碩士研究生。聯系人：戴源德，工學博士，副教授，主要研究方向為制冷劑替代、暖通空調系統節能。E-mail ydncu@163.com。