R410A 在内螺纹管内无润滑油沸腾换热实验研究

(上海理工大学制冷与低温研究所 上海 200093)

由于R22对臭氧层破坏和全球变暖的重要影响，《蒙特利尔议定书》明确地规定2020年全面禁用R22。在美国和日本，R410A已成为房间空调和组合空调系统中R22的主要替代物，目前国内也在推广使用 R410A作为替代工质[1]。我国制冷行业也面临着寻找R22的主要替代物的重大课题。R410A是由R32/R125组成的二元近共沸混合工质，温度滑移小，无毒不可燃，是R22理想替代物之一。R410A的ODP=0，GWP=0.29，均优于R22(ODP为0.04～0.06，GWP为0.32～0.37)[2]。

管内沸腾换热强化技术是强化换热领域中非常重要的方面，目的是进一步提高新型环保新工质在换热器管内换热设备的效率，减少能量在传递过程中的不可逆损失，减少换热面积，降低金属材料消耗。国内外学者研究制冷剂在管内的传热特性做了很多实验工作，各科研院所、企业基本上就是在围绕研究制冷剂的传热性能，提高管内的传热效率方面做了很多工作。上海交通大学的胡海涛和丁国良等对R410A润滑油混合物在强化管内的流动沸腾换热特性进行了研究，探索了质流密度、干度和平均油浓度对换热特性的影响，得到纯制冷剂R410A的传热系数随着干度的增大先增大后减小的结论[3]；上海理工大学的马虎根等采用恒热流加热方法，对R410A在水平微翅管内流动沸腾特性进行了实验研究，分析了R410A质量流量、热流密度、质量干度以及微翅管的几何参数对工质的流动沸腾换热性能的影响[4]；西安交通大学的罗昔联等根据两相流动换热理论，建立稳态分布参数模型，用分布参数法求解控制方程，得出在不同流量、不同干度下，R22和R407C在微肋管内的冷凝传热性能，同 还得出它们在微肋管内流动的压降[5]；陈剑波等对一种新型商用表面增强型蒸发强化传热管进行研究，使用R134a作为制冷工质，保持进口水温不变而改变管内水流速，得出这种强化管的总换热性能是普通低翅蒸发强化管的2. 2到2.6倍，管外换热系数是普通低翅蒸发强化管的1.3～1.9倍[6]；James Bogart等人在光滑管与内肋片强化管内用R22与R410A进行蒸发和冷凝实验研究，得出这两种工质在光滑管与内肋片强化管内换热系数的对比结果[7];Man-Hoe Kim，Joeng-Seob Shin通过改变冷却水的流量，使R410A与R22在管径为Φ9.52mm水平微肋管和内光管内冷凝的换热，得出R22和R410A在水平微肋管与光管的平均换热系数分别是普通光管的1.7～3.19和1.7～2.94倍[8]。

作为R22的有效替代物之一，近共沸混合制冷剂R410A 的沸腾换热性能是换热设备设计中必不可少的数据。针对R410A在水平内螺纹管内在无润滑油状态下的沸腾换热性能进行了研究，与R22的试验结果进行了对比，并分析各种影响因素对沸腾换热性能的影响。

1 管内沸腾换热理论

根据沸腾发生的不同条件，可把沸腾分为均相沸腾和非均相沸腾。管内的流动沸腾属于非均相沸腾。在整条管中的流动沸腾换热可以分为:单相流体对流传热区、欠热泡核沸腾区、饱和泡核沸腾区、强制对流蒸发区、缺液区五个部分[9]。在各个阶段中制冷剂的流动状态不同，与管壁的换热性能也有很大的差异。对流区制冷剂液体与管壁的温差基本保持不变；欠热泡核沸腾区制冷剂在靠近壁面的区域产生了少量气泡；当进入饱和泡核沸腾区 ，制冷剂流体的主流温度达到饱和温度，出现大量的气泡；在进入强制对流蒸发区，制冷剂流体处于环状流动状态，壁面与主流之间的温度进一步降低；进入缺液区液膜逐渐变薄最后消失，壁温不断上升，制冷剂蒸汽出现过热现象，从而完成了制冷剂在水平管中的蒸发过程。

2 系统原理图和实验装置

为得到R410A的在管内无润滑油状态下的沸腾换热特性，选用JYZ型液压隔膜泵为制冷剂循环提供动力，搭建了单管实验装置。实验采用的是一种新开发的三维内螺纹高效强化铜管，管径分别为Φ5mm和Φ9.52mm，是研究中非常普遍使用的管，其换热能力是普通光管的2～3倍，结构示意图如图1所示，部分主要结构参数如表1所示。

图1 强化管的结构示意图Fig.1 The structure sketch map of enhanced tubes

表1 强化管尺寸数据表Tab.1 Geometry data of enhanced tubes

系统原理图如图2所示，管内沸腾换热实验台由制冷剂系统、测试试验段、冷水系统和试验段前加热系统四部分组成。测试试验段采用套管式换热器，制冷剂与水在套管中逆流换热。在蒸发实验工况下，套管中的水起加热作用，把制冷剂加热成过热蒸汽，制冷剂的入口过冷度一般保持在在2℃～4℃，出口过热度控制在3℃～7℃，制冷剂的流速为100～400kg/(m2.s)变化，压力、温度等信号由压差传感器、压力变送器以及Pt100铂电阻进行采集，再经过RS232C传输到计算机，在基于组态软件开发的人机界面上实 显示并处理。

图2 实验系统原理图Fig.2 Experimental system diagram

3 实验结果与分析

3.1 R410A和R22在Φ9.52mm 管内沸腾换热实验性能比较

3.1.1 蒸发温度为5℃管内沸腾换热传热系数hr的 比较

图3反映了管内的表面传热系数hr的变化。表面传热系数hr在制冷剂流量Gm为150kg/(m2.s)～400kg/(m2.s)之间 ，R22明显高于R410A。在150kg/(m2.s)～250kg/(m2.s)之间 ，R22的hr变化与R410A一样较为平稳，随着Gm增加，可以看出R22的hr明显增加较快，说明流量的大小对R410A的换热效果没有那么明显。R410A的hr的变化较为平稳，主要可能是R410A的两种工质在蒸发过程中出现分层现象导致换热效率不高，换热不够充分使得制冷剂状态的改变，同 也不排除是因为R410A由于存在着温度滑移在大质量流量下不容易被完全蒸干，汽化潜热没有完全被释放从而导致换热系数的减小。

图3 管内传热系数hr的 随流量Gm变 化曲线Fig.3 The heat transfer coef fi cient(hr) changes with the flow(Gm)

3.1.2 蒸发温度为5℃管内总换热系数K的比较

图4 总换热系数K 随流量Gm变 化曲线Fig.4 The total heat transfer coef fi cient K changes with the flow Gm

如图4所示，随着制冷剂单位面积流量的增加，R22和R410A换热系数K总体呈增加的趋势。R22的K值曲线高于R410A，并且在Gm一定的前提下，平均增加400W/(m2.K)左右，而R410A增加的比例幅度没有R22大，在300W/(m2.K)左右。K值大小取决于换热量与对数平均温差的比值，对数平均温差受进出口过热度的大小的影响，R410A是近共沸制冷剂，在测试段出口段的制冷剂保证完全蒸发的状态下，需要增加换热量。由于两种制冷剂的沸点差异性，造成温度差值大，对数平均温差升高，K值减小，R22的K值大于R410A。3.1.3 管内压降性能的比较

图5反映了在蒸发温度5℃ 压降的变化曲线。分析压降曲线，可以得出压降曲线是呈现上升的抛物线，但是从图上可以看出，该曲线并不是上升的抛物线，而是呈现出线性的状态。这是由于沸腾换热过程是两相态的转化过程，制冷剂液态在向汽态转化中，流阻逐步减少，造成曲线趋于平和，呈现出线性的状态。在管内压降总体上呈现线性的变化，随着Gm的增加，压降逐步的增大，并且R22的压降值要大于R410A。拟合成方程式:R22:ΔP=0.1451Gm-15.792，R410A:ΔP=0.1141Gm-10.624，R22的斜率大于R410A。压降随着Gm的增加而增加，并且增加值在2kPa～8kPa。

图5 R22和R410A 随流量Gm的 压降变化曲线Fig.5 Pressure drop of R22 and R410A changes with the flow Gm

3.2 R410A 在不同蒸发温度和管径下管内沸腾换热实验性能比较

3.2.1 管径为9.52mm 在蒸发温度为5℃和10℃下换热系数和压差的比较

图6 总换热系数K 随流量Gm变 化曲线Fig.6 The total heat transfer coef fi cient K changes with the flow Gm

图7 R410A 随流量Gm的 压降变化曲线Fig.7 R410A pressure drop changes with the flow Gm

由图6、7可知，R410A的换热系数K受水流量的变化影响很大，水流量越大，换热系数K越大。而蒸发温度越低，进行热交换的热量越大，换热系数K越大。在蒸发温度为5℃和10℃下，水流量对换热系数的影响决定作用。如图6所示，R410A压差的变化是低温环境对R410A粘度系数影响很大，蒸发温度越大压差的变化越大。

3.2.2 在蒸发温度为5℃时，R410A在管径5mm和9.52mm下压差和换热系数的比较

图8 总换热系数K 随流量Gm变 化曲线Fig.8 The total heat transfer coef fi cient K changes with the flow Gm

如图8、9所示，R410A在管内的流量增加，换热系数K逐步增加。在相同的单位面积流量下，9.52mm管的换热系数是5mm的1.32～7.22倍，5mm管的压降是9.52mm的1.48～2.68倍。由于5mm管的管径小，蒸发 气液两相态，交织在一起，形成了气层，导致在管壁与蒸发液之间隔着一层气膜，增加了热阻，制冷剂在9.52mm管表面形成的液膜面积大，换热比较充分，9.52mm管的传热效果较为明显，因此在相同的单位面积流量下，9.52mm管的传热系数大。制冷剂在9.52mm管表面形成的液膜面积大，换热比较充分，9.52mm管的传热效果较为明显。同 ，5mm管内制冷剂的流动阻力也会增加，压降变大。

图9 R410A 随流量Gm的 压降变化曲线Fig.9 R410A pressure drop changes with the flow Gm

4 结论

制冷剂在不带润滑油的情况下，在管内进行沸腾换热，在相同的测试条件下，由实验得到R410A、R22在Φ5mm和Φ9.52mm管内沸腾换热实验数据，从分析比较可知:

1)当蒸发温度一定 ，总的传热系数K跟管内外的流速都有关系，并且随着单位面积流速的增加而增大。管内制冷剂单位面积流量相同 ，管外水流量的变化，对传热系数以及热量补偿都有很大的影响。管外流体的扰动性，对管壁的热传导平衡也有一定的影响，适当的调节管外换热条件为环保工质R410A代替R22做准备。

2)通过管内的表面传热系数hr比较发现，R22明显高于R410A。内螺纹管有效的强化制冷剂的流动沸腾换热，不仅增加了换热面积，也增强了对流体的扰动性，螺纹的旋转作用提升液膜，增加换热效率。R410A是近共沸制冷剂，在蒸发过程中形成汽液两相态，在蒸发层的表面形成气层，不利于传热，R410A的蒸发温度有滑移，导致R410A的对流换热效果没有R22好。

3)通过对不同制冷剂的压降比较可知，R22的压降大于R410A，压降值在相同的Gm下，随着Gm的增大，逐步增大，并且增加值在2kPa～8kPa。通过测定流体流经换热管的压降，一方面比较不同换热管的阻力特性，并寻求减小压降的改进措施，另一方面为R410A换热器设计选择泵的容量提供依据。

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