R134a在水平微通道內的壓降特性分析

汪愛麗 賽慶毅 賈志彬

1濟寧職業技術學院汽車工程系

2上海理工大學能源與動力工程學院

3上海瑞晨環保科技有限公司

0 引言

隨著能源危機的加深、環境污染的加重，能源的高效利用逐漸成為大家關注的焦點。各種微通道換熱管，已由早期的二維矩形、梯形低肋管發展到現在的三維強化管（如Thermoexcel-C管、Turbo-C管等）[1-2]，憑借其換熱效率高、占地面積小、工質充注量低等優點被廣泛應用于各種換熱器中，大大節約了能源在汽車、化工、微電子等諸多領域的消耗。為進一步擴展高效換熱管的應用領域，對各種新型工質與強化換熱管仍需大量研究。

R134a是一種不含氯元素的制冷劑，不僅具有不易燃、不爆炸、無毒、無刺激性、無腐蝕性等安全性能，還對臭氧層無任何破壞作用，因其與R12具有相近的制冷量及制冷效率，而長期被看作優秀的替代制冷劑。翁文兵等[3]研究了R134a、R417A余與R22在熱泵熱水器內的使用，從制冷劑物性上分析了不同制冷劑之間換熱性能的差別；劉杰等[4]同樣對R134a在車用空調中的使用進行了詳細的評述。為實現原有制冷劑和新開發高效傳熱管之間的配合性，迄今為止，國外對R134a在高效換熱管內的換熱特性作了大量研究并取得一定成果[5-9]。

為比較R134a制冷劑在不同尺寸強化管內的功耗特性，在兩種孔徑強化管內，實驗以干度、質量流量、飽和溫度、熱流密度、強化管結構參數為影響因子，以壓降為評價指標，分析了在不同水力工況下，工質流體流過不同強化管內的功耗，為換熱器中的節能措施提供了方向。

1 實驗裝置

實驗在一單管換熱平臺上運行，具體實驗裝置見圖1。為避免潤滑油對實驗結果準確性的影響，系統采用隔膜泵代替壓縮機為整個系統提供循環動力，通過調節隔膜泵的運轉頻率來調節制冷劑流量。

圖1 實驗裝置原理圖

試驗系統主要包括三大循環：制冷劑循環、冷凍水循環、測試水循環。在制冷劑循環中，過冷制冷劑在泵的驅動下流向預熱器，通過調節預熱器加熱電壓、電流來調整其對制冷劑的加熱量，進而使制冷劑在測試管進口處達到預定的干度狀態。兩相制冷劑在測試管內與管外的測試水進行熱量交換，完成冷凝試驗。通過視液鏡觀察制冷劑在測試管進出口狀態。兩相制冷劑在冷凝器內完全冷凝，達到過冷狀態后進入儲液器，進行下一步循環。冷凍水循環、測試水循環中都配有恒溫水箱，通過調節恒溫水箱溫度來模擬恒定的外界實驗環境。

實驗段實質上為一套管式冷凝器，具體原理圖見圖2，制冷劑在測試管內流動，測試水在環形管道內流動，為避免試驗段漏熱，確保實驗數據的準確性，在不銹鋼套管外套有保溫層。測試管選用兩種不同型號矩形管，其截面圖見圖3，具體尺寸參數見表1。

圖2 試驗段示意圖

圖3 測試管截面圖

表1 測試管尺寸參數

對于理論分析所需測量參數，系統除選用額定流量范圍為0～200 L/h，型號為SJ3-M-200/2.8的隔膜泵提供系統的循環動力外，還選用精度為0.1℃的PT100鉑電阻測量所有溫度參數，使用前均進行了水浴標定，其所得相對誤差均小于0.1%；選用德魯克GE5072型號壓力變送器測量試段段冷凝壓力及儲液器壓力，其測量精度為0.2級，量程為0～42 bar；選用量程為0.05～6 kg/min，測量精度為0.1%，由RHM03傳感器與RHE14變送器組成的質量流量計測量制冷劑循環流量；此外選用精度為0.5級，控制-顯示一體型電磁流量計測量測試水流量。

試驗運行時，外界水力工況設定為：質量流量350～600 kg/m2s；熱流密度15～25 kW/m2；飽和溫度35～45℃；干度0.1～0.8。實驗選用R134為測試工質，在不同條件下其具體物性參數見表2。

表2 R134a物性參數

2 數據分析

制冷劑在測試管內的壓降主要由摩擦壓降、加速壓降、重力壓降三部分組成[10]，由于實驗裝置的局限性，本實驗利用壓差變送器直接測量制冷劑流過測試管的壓力損失，即總壓降，對其不再進行細化分析研究。

制冷劑在測試管進口焓值：

式中：il是制冷劑在預熱器進口處焓值，根據所測溫度、壓力值計算得到；Q為在預熱器內對制冷劑的加熱量；mr為制冷劑在系統的質量流量。

式中：in為制冷劑在對應飽和壓力下的液體焓值；iv為制冷劑在對應飽和壓力下的氣化潛熱值。

制冷劑在試驗段出口焓值：

式中：QT為制冷劑在試驗段與管外水循環之間的換熱量。

可得制冷劑在試驗段出口處干度值：

實驗中，以制冷劑在測試管進出口干度的平均值作為制冷劑在測試管內換熱干度值的計算標準，即：

3 實驗結果

本實驗主要目的在于研究外界水力工況、管型尺寸對換熱功耗的影響，因此實驗數據分析時：選用制冷劑質量流量、飽和溫度、熱流密度、干度值四個參數來表征外界水力工況的干擾，選用管徑來表征管型尺寸的干擾，選用壓降為換熱功耗的評介指標。

3.1 水力工況

圖4所示為1#管中在熱流密度為25 kW/m2、飽和溫度為40℃的工況下，壓降在不同干度、質量流量下的曲線變化。由圖可知隨著干度值的增加、制冷劑質量流量的增大，制冷劑在測試管內壓降逐漸增大，這主要是由管內制冷劑氣液剪切力隨著干度的增加、質量流量的增大而增大造成的。在相同質量流量下，制冷劑氣液速度差隨著干度的增加而增加；在相同干度工況下，制冷劑氣液速度差同樣隨著質量流量的增加而增加，這兩者的增加均會造成較大的剪切力，進而增加制冷劑在管內的流動功耗[11-12]。

圖4 壓降與質量流量的關系

飽和溫度對換熱壓降的影響如圖5所示，在350 kg/m2s、15 kW/m2的工況條件下，隨著冷凝溫度的升高換熱壓降逐漸降低。對比R134a物性參數隨飽和溫度的變化關系可知：R134a的氣液粘度比隨著飽和溫度的增加而增加，氣液密度比隨著飽和溫度的增加而增大，這些均會導致較大的剪切力，造成更大的壓力損失[12]。

圖5 壓降與飽和溫度的關系

冷凝試驗中，制冷劑蒸汽與管內壁之間的換熱必須通過液膜，換熱言之，液膜的換熱特性直接影響到整體的換熱特性。1#管內40℃飽和溫度、500 kg/m2s質量流量的水力條件下，壓降與熱流密度之間的關系如6圖所示。由圖可得：在相同干度值、不同熱流密度值的條件下，壓降的區別并不大，即熱流密度對壓降的影響極小。這就預示著熱流密度對管內液膜的粘度、密度、導熱系數等理化參數的影響較小。

圖6 壓降與熱流密度的關系

3.2 管型尺寸

數據分析時同樣比較了相同水力條件下兩種不同尺寸的測試管內的壓降，如圖7所示為在40℃飽和溫度、500 kg/m2s質量流量、25 kW/m2熱流密度的水力條件下壓降在不同管型尺寸內的變化關系，由圖可得：1#管壓降明顯高于2#管，且進行計算發現1#管壓降約為2#管壓降的1.19倍。雖然制冷劑在兩種管型內具有相同的質量速度[13]，但在水力半徑的影響下，制冷劑在1#管流動時消耗更多能量。

圖7 壓降與管型尺寸的關系

4 結論

本實驗使用R134a為制冷劑，主在研究水力工況（干度、質量流量、熱流密度、飽和溫度）、管型尺寸等因素對制冷劑在管內的流動功耗的影響，實驗結果發現：

1）制冷劑在1#管內的壓降隨著干度、質量流量的增加而增加，隨著飽和溫度的增大而降低，并發現熱流密度對管內壓降的影響并不大；

2）在研究管型尺寸對壓降的影響時發現，制冷劑在小管徑測試管內的流動功耗更大，即壓降隨著測試管管徑的減小而增大。