R410A 应用于内螺纹强化管的蒸发实验研究

黄理浩陶乐仁郑志皋王 伟张建国张庆钢王金锋

(1上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093; 2上海海洋大学食品学院 上海 201306)

R410A是由R32/R125两种工质按1:1组成的近共沸混合工质[1]，温度滑移小，约0.2K，无毒不可燃，其主要有氢，氟和碳元素组成(表示为HFC)，由于不含有氯元素，所以不会与臭氧发生反应，即不会破坏臭氧层。目前R410A是国际公认的用来替代R22最合适的的冷媒之一[2]，并在欧美，日本等国家得到普及。

另外随着工业技术的不断发展，行业内的竞争日渐激烈，人们对换热设备的紧凑化、高效化和低成本化的要求越来越高。许多公司纷纷开发出了一系列高效的换热管，但对于R410A在高效换热管内的传热理论和实验研究还比较少。高克联管件(上海)有限公司的武永强、罗忠[3]等人对几种内螺纹管的管内冷凝研究，比较了不同齿形对换热的影响，上海交通大学的胡海涛、丁国良[4]等人对R410A和油在7mm强化管内的流动沸腾换热特性分析并开发出了关联式，James Bogat[5]等人对R410A和R22在一种强化换热管和光管内的蒸发、冷凝的换热做了试验对比。

这里主要对9.52mm的一种内螺纹管管内蒸发换热做了一些研究，分析了不同的制冷剂质量流速、管外侧冷水流量对换热的影响。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

设计了一台集蒸发和冷凝为一体的管内蒸发、冷凝实验台，采用隔膜泵为实验装置的循环动力，既可以适用各种不同的制冷剂又可以避免润滑油对实验结果准确性的影响。蒸发循环流程如图1所示(冷凝循环流程未画出)，包括制冷剂循环、实验段前冷水循环，通过换热器1把制冷剂冷却成液态、实验段水循环，通过套管和制冷剂进行换热使出口的制冷剂达到蒸气状态、冷水循环,含有50%乙二醇的水溶液，由电热水箱通过换热器3为实验段水循环进行换热，为蒸发制冷剂提供热量。

图1 蒸发系统流程Fig.1 Evaporation system

1.2 测控系统

表1 测量仪器Tab.1 Measuring instruments

制冷剂循环和实验段水循环分别装一个质量流量计和一个电磁流量计用来测量制冷剂和水的流量，在测试段制冷剂的进出口各装一个Pt100铂电阻、压力变送器和一个差压变送器，在实验段水循环的进出口也各装一个Pt100铂电阻，(测试仪器型号及规格见表1)各个测点都与PLC连接，在实验过程中，PLC把采集到的温度、压力、流量等信号通过RS232串口传到上位机组态软件中实现上位机的数据采集，并通过内部计算程序对实验数据进行处理，反映在控制界面上，上位机再通过RS232串口把调整的控制信号发送到PLC中，PLC接收到上位机的信号后通过事先编好的程序对实验台进行自动控制，当实验达到稳定状态时自动记录实验过程中的数据。

1.3 实验工况及测试样管

冷凝温度分别设定在35 和40 两种实验工况，制冷剂流量为100～400kg/(s.m2)，进口蒸汽过热度为6 ，出口液体的过冷度为2 ，管外冷却水的流量分别为0.8m3/s，0.6m3/s。测试部分是一个水平布置的套管式换热器，测试管布置在套管内，制冷剂与冷却水采用逆流换热方式，实验过程中制冷剂侧和水侧的换热量误差为10%以内。

图2 内螺纹管齿形横断面Fig.2 Cross-section of internal thread tube

实验样管(如图2所示)选用内螺纹强化管长度为5.2m，直径为9.52mm，齿高0.17mm，底壁厚0.3mm，齿顶角30°，槽宽0.23mm，螺旋角18°，齿数70。

2 实验结果与分析

2.1 管内蒸发换热特性

图3 不同水流量下，蒸发换热系数随质量流量的变化Fig.3 Different water flows, evaporation heat transfer coef fi cient changes with the mass flow

R410A和R22两种制冷剂工质在蒸发温度为10 的工况下比较了其在9.52mm内螺纹管内的蒸发换热情况，如图3所示，换热系数hr都随质量流速Gr的增大而增大，这主要也是因为质量流速Gr的增加使工质与管壁间的对流换热得到加强从而使hr增大。在冷却水流量为0.8m3/h和1.0m3/h的工况下，质量流速Gr在150kg/(s.m2)～300kg/(s.m2)时，R410A与R22的换热系数hr基本一致，但当质量流速增大到300kg/(s.m2)～400kg/(s.m2)时，R410A的换热系数hr略有减小，但R22的换热系数hr增加的非常快。在冷却水量为1.0m3/h的工况下，R410A和R22的换热曲线基本一致，在小质量流速的情况下R22比R410A的换热系数hr稍高，说明冷却水流速的增大可能更有利于工质R22的换热。

图4 制冷剂在水平通道中的蒸发示意图Fig.4 Refrigerant evaporation in horizontal channel

如图4所示，制冷剂加热时，在不同区域((1)、(2)、(3))呈现出不同流体形式(即传热形式)。

(1)单相液体的对流传热。其传热形式为单相液体的对流传热。

(2)核沸腾。制冷剂被加热形成气泡，增加紊流和增大传热系数。

(3)通过液膜的强制对流换热。随着气泡的产生，流道中心全部被蒸气占据，由于蒸气流速很高，此时的剪切力足以形成稳定的液膜(薄膜蒸发形成)，流动形式为环状流，传热系数相当高，可达液-液传热时的两三倍[6]。

换热系数的增加主要是因为:

1)制冷剂在进入实验段时干度很小，此时主要传热作用为核态沸腾，随着干度的增加，流型向环状流过渡，形成薄液膜，即热量通过膜态蒸发而快速传递，从而传热系数增大[7]。

2)由于流量的增大，制冷剂的量也增加，使得液膜在测试管段的形成得到保证，不会因为制冷剂的完全蒸发而导致在测试管段中段液膜无法形成，因此在大流量下换热系数更大。

3)测试管的长度较短1.5m左右，不会因为环状流的结束，而向雾状流转化，导致传热系数的降低。

2.2 管内蒸发换热流阻特性

如图5所示R410A和R22两种制冷剂工质在冷却水流量在0.8m3/h 和1.0m3/h两种工况下压降ΔP随质量流速Gr的变化情况，两种制冷剂工质的压降都随质量流速的增大而增大，这也是因为质量流速的增大导致制冷剂与管壁的摩擦压降增大从而导致了压降的增大。冷却水流量为0.8m3/h的工况下，R410A的压降平均要比R22的压降小30%左右，冷却水流量为1.0m3/h的工况下，R410A的压降平均要比R22的压降小40%左右。

图5 不同水流量下，压降随质量流速的变化Fig.5 Different water flows, pressure drop changes with the mass flow

3 结论

在测试管内无润滑油的情况下对R410A、R22两种工质在变制冷剂质量流速，水流量的几种工况下得到的实验数据，从分析比较得出以下结论:

1)铜管的换热系数和压差随着工质质量流量变化影响显著,都随着流量的增加而增大。

2)制冷剂在小流量的情况下，由于液膜的形成在测试管中所占比例较小，因而相比大流量其换热系数较小。

3)R410A比R22有更高的换热效率和更小的压降。

4)冷却水流量的变化对换热系数及压降影响不大。

总之，制冷剂R410A、R22的换热系数和压降随质量流速的增大而增大，当质量流速小于300 kg/(s.m2)时，两者的换热系数hr和压降Δp曲线基本吻合，当质量流速大于300kg/(s.m2)时，R410A的换热系数hr和压降Δp小幅增加，而R22的换热系数hr和Δp增加幅度较大。因此在质量流速要求不太大的情况，R410A比R22有更好的换热效率和较小的压降，可以用来替代R22。

[1] 张萍, 陈光明. R410A替代R22制冷系统的实验与分析[J]. 工程热物理学报, 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, 陈福胜, 朱志伟, 等. HFC161混合物作HCFC22替代制冷剂的实验研究[J].工程热物理学报, 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] 武永强, 罗忠. 一种新型高效传热铜管的冷凝传热性能实验研究[J]. 制冷与空调, 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] 胡海涛,丁国良,王凯建. R410A-油混合物在7mm强化管内流动沸腾的换热特性[J]. 化工学报, 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] 马海燕. 板式升膜蒸发器在离子膜烧碱中的应用[J].中国氯碱, 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] 王维城, 刘志坚, 王补宣, 等. 强化水平管内沸腾换热的实验研究[J]. 工程热物理学报, 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.)