管內R32流動冷凝換熱特性的研究

范立娜 張聚國

山東魯新設計工程有限公司濟南分公司

0 前言

隨著能源危機的加深、環境污染的加重，制冷行業廣泛應用的HCFCs 制冷劑對大氣環境的破壞作用被引起注意，HCFCs替代制冷劑的研究逐漸成為研究的焦點。林小茁[1]、王朝鑫[2]提出R32是一種和諧兼顧減排、節能、安全、市場和替代物轉軌等諸方面要求、很有前景的替代R22、R410A 的長期制冷劑。王超[3]、秦妍[4]等針對R32制冷系統排氣溫度過高問題均提出相應解決方案，并通過試驗驗證了對應方案的可行性，Xu et al[5]也對R32 熱泵系統的性能進行了分析。

對于R32工質換熱器的換熱特性，楊英英[6]、王歡[7]分別對水平光管內R32 兩相冷凝換熱機制、管內流型受試驗變量的影響規律進行了試驗研究。此外，Belch? et al[8]僅對R32、R410A的冷凝換熱特性進行了對比研究，而Li et al[9]則擴大了制冷劑的驗證范圍，檢測工質主要包含R447A、R1234ze、R134a和R32，根據試驗數據，對不同制冷劑變現出的不同換熱特性進行對比分析。

本文主要對內徑為5 mm、6 mm 和8 mm 的水平光管內R22、R32的流動冷凝換熱特性進行分析，除對工況條件、管徑、制冷劑物性對換熱特性的影響進行分析外，還對換熱器兩側換熱熱阻受工況條件的影響進行了定量分析，進而為換熱器強化換熱提供方向。

1 試驗裝置

管內R32 流動冷凝換熱試驗系統如圖1 所示，系統主要由制冷劑循環、水循環、數據采集系統三部分組成。R32 流動循環過程為：儲存于儲液器的過冷制冷劑在隔膜泵的驅動下經質量流量計流入預熱器，在預熱器內的電加熱管作用下被加熱到過熱狀態，爾后進行換熱管，在換熱管內完全冷凝完成冷凝試驗。然后，經膨脹閥節流后進入冷凝器做進一步過冷處理，最終流入儲液器，完成下一循環。

圖1 試驗系統圖

換熱管有效換熱區域本質上為一套管式冷凝器，制冷劑在試驗管內流動，冷卻水在環形管道內流動。試驗選用內徑分別為5 mm、6 mm、8 mm的光管為換熱管，對應編號為1#、2#和3#。

選用PT100鉑電阻測量系統內流體溫度，選用0.075 級壓力變送器測定系統各處壓力值，選用美國Fisher-Rosemount質量流量計來測量制冷劑循環流量，其精度為0.15 級。試驗選用西門子PLC S7-300 監控系統參數，用三維力控程序編制管內流動冷凝換熱試驗臺數據采集程序，方便觀察系統運行主要參數及參數變化趨勢。

2 數據處理

試驗運行時，首先運行R22 冷凝試驗，待所有工況運行完畢，對R22進行回收，進行抽真空處理，再次沖入R32，在相同試驗工況下運行同樣試驗，R32、R22 的物性參數見表1。試驗設定工況為：制冷劑質量流量500~1 100 kg/(m2·s), 冷凝溫度為35 ℃、40 ℃和45 ℃，冷凍水雷諾數 Re 為10 000、20 000、40 000。

表1 R22、R32的物性參數

選用冷卻水吸熱量為試驗管換熱量的計算標準，即：

選用熱阻分離法對試驗管內外側換熱系數進行計算，并以試驗管外表面積為標準。

試驗管總換熱系數K為：

環形管道內冷卻水并沒有發生相變，因此使用公式Gnielinski[10]對冷卻水換熱系數進行計算，即：

由公式(2)、(3)計算所得總換熱系數、冷卻水換熱系數，即可根據熱阻分離法求得管內制冷劑換熱系數，即：

式中：

tw,in、tw,out——冷卻水進出口溫度，℃；

Cp——冷卻水比熱容；

△t——換熱平均溫差，℃；

Ai/Ao——分別為試驗管內外表面積，分別由試驗管內外徑Di/Do計算而得；

l——有效換熱長度。

最后使用誤差傳遞公式(5)、(6)對換熱系數的可靠性進行分析，即：

經計算，總傳熱系數的不確定度為8.47%，冷卻水換熱系數的不確定度為2.95%，管內制冷劑換熱系數不確定度為9.51%。

3 結果與分析

管內流型與管內換熱特性密切相關，經計算，試驗運行工況下試驗管內制冷劑流型主要為環狀流。

3.1 換熱系數

冷凝溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃，制冷劑質量流量500~1 100 kg/(m2·s)，冷凍水Re為20 000的工況下，1#管內R32換熱系數受工況條件的影響規律如圖2 所示。由圖2 可知，管內換熱系數隨質量流量的增加而增大，這是因為管內兩相流氣相/液相流速均隨質量流量的增加而增大，且氣相密度小于液相密度，致使氣相流速增加比重大于液相流速增加比重，可造成更大的氣液界面剪切力，即質量通量主要通過管內兩相流湍流度增強管內換熱特性。

圖2 工況條件對換熱系數的影響

管內換熱系數隨著冷凝溫度的降低而增大。由表1 可得：管內R32 氣相速度隨著溫度的升高而減小、液相速度隨著溫度的升高而增大，即氣液速度差隨著溫度的升高而減小，進一步降低管內液膜湍流度；此外，R32 液相導熱系數隨著溫度的降低而增大。即：溫度越低，管內液膜導熱系數越高，管內兩相流湍流度越大，均可促進管內換熱效果。

雖然針對管內換熱特性受換熱管結構參數影響的研究已有很多，但是，對于管徑對管內換熱機制的影響，部分學者的試驗研究與理論結論相悖。理論上，相同工況下，雖然管內氣液相流速相同，但在小管徑試驗管內液膜厚度較小，使管內氣相制冷劑與管內壁之間換熱熱阻減小，管內換熱特性可通過管徑的減小得到強化，而在Baird[11]的研究中，管徑的變化對管內R123 換熱系數的影響很小。因此，為明確管徑對管內換熱機制的影響，本文對35 ℃冷凝溫度、20 000 測試水Re 工況下，試驗管內R32 流動冷凝換熱系數隨管徑的變化關系進行了研究，實驗結果如圖3所示：管內R32換熱系數隨著管徑的減小而增大，其中，1#管內換熱系數約是2#管內換熱系數的1.083~0.152倍，約是3#管內換熱系數的1.263~1.349倍。

圖3 管徑對換熱系數的影響

R32 作為R22 的替代性制冷劑，大量學者對兩者的制冷系統性能進行了對比研究。除王超[12]對空調系統內R32和R22的制冷量、COP進行對比分析外，史琳[13]則從減排、安全、市場、性能方面對R32的可替代性進行了對比分析。

本文主要對管內R32 和R22 的流動冷凝換熱特性進行了對比，具體對比結果見圖4。由圖4 可知，R32的換熱系數約是R22的換熱系數的1.576~1.718倍，高約2.68~ 5.59 kW/(m2·K)，且換熱強化倍率、換熱系數提高幅度均隨著質量流量的增加而增大。制冷劑物性間的差異決定了管內不同制冷劑表現出不同的換熱效果。由表1 可得，R32 的氣液密度比大于R22 的氣液密度比，說明在相同工況下，R32 具有更大的氣液界面剪切力，此外，R32 的液相密度小于R22，表征管內液膜較大的流速，兩者均可增強液膜內湍流效果；冷凝換熱中，液膜熱阻是管內側換熱主要熱阻，而R32 較大的液相導熱系數使管內液膜換熱熱阻降低。物性上的優勢，使R32 表現出較好的換熱特性。

圖4 制冷劑物性對換熱系數的影響

3.2 換熱熱阻

在確定換熱器強化換熱措施時，需首先明確換熱熱阻的主要部分，只有首先削弱主導熱阻才能使換熱效果得到有效強化。因此，為獲得不同工況下換熱器強化換熱的改進方向，試驗對換熱器兩側熱阻在不同工況下占總熱阻比重進行了定量分析，定義為：

冷卻水熱阻占總熱阻比重：

制冷劑熱阻占總熱阻比重：

以制冷劑熱阻占總熱阻比重Rhr為指標，對不同工況下試驗管兩側熱阻變化進行分析，進而針對不同工況采取的換熱強化措施提供指導方向。當Rhr>50%時，說明制冷劑熱阻在總熱阻中占據主要部分，強化換熱需從制冷劑側采取強化措施；當Rhr<50%時，說明冷卻水熱阻在總熱阻中占據主要部分，強化換熱需從冷卻水側采取強化措施。

質量流量為500~1100 kg/(m2·s)、冷凝溫度為35 ℃、冷卻水Re為10 000、20 000、40 000的工況下，1#試驗管內R22、R32冷凝換熱過程中制冷劑熱阻占總熱阻比值Rhr隨試驗工況的變化如圖5 所示。由圖5可知：1）制冷劑熱阻占總熱阻比值Rhr隨質量流量的增加而減小，隨冷卻水Re 的增加而增大；在試驗工況范圍內，試驗管換熱的主導熱阻隨工況的改變而改變，隨著制冷劑質量流量的增大，主導熱阻由冷卻水熱阻逐漸變為制冷劑熱阻。制冷劑換熱系數隨質量流量的增加而增大，而冷凍水換熱系數隨冷卻水Re 的增加而增大，試驗管換熱量保持恒定時，試驗管一側換熱特性增強時，另一側換熱特性必定減弱，即兩側換熱熱阻此消彼長；2)相同工況下，R32熱阻占總熱阻比值Rhr小于R22熱阻占總熱阻比值Rhr，兩者相差值約為0.077~0.103，這主要是R32、R22兩種制冷劑物性(主要為氣化潛熱值、氣液密度比、導熱系數等)的差異導致不同的換熱效果的宏觀體現。

圖5 制冷劑熱阻比重受工況條件的影響關系

綜上可得：在對換熱強化措施進行研究時，需根據不同制冷劑在具體工況表現出的特定效果進行具體分析。

4 結論

在5 mm、6 mm、8 mm 內徑光管內運行R22、R32 流動冷凝換熱試驗，除對工況條件、管徑、制冷劑物性對管內換熱系數的影響進行分析外，并對試驗管兩側熱阻變化進行了定量分析，為換熱強化提供方向，主要結論如下：

1）管內R32換熱系數隨著質量流量的增加、冷凝溫度的降低而增大；管內換熱特性可通過管徑的減小進行強化，其中，1#管內換熱系數約是2#、3#管內換熱系數的1.083～0.152倍、1.263～1.349倍。

2）相同工況下，R32的換熱系數約是R22的換熱系數的1.576~1.718倍，高約2.68～5.59 kW/(m2·K)，且質量流量的增加對兩者的換熱強化倍率、換熱系數提高幅度均起到促進效果。

3）對換熱器換熱熱阻進行分析時發現：制冷劑熱阻占總熱阻比值Rhr隨質量流量的增加而減小，隨著測試水Re 的減小而增大；隨著制冷劑質量流量的增大，試驗管換熱主導熱阻由冷卻水熱阻逐漸變為制冷劑熱阻；R32 熱阻占總熱阻比值Rhr小于R22，兩者相差值約為0.077～0.103。