R404A和R407C在水平强化管外的凝结换热实验研究

欧阳新萍 刘超 林梦

（上海理工大学制冷与低温工程研究所 上海 200093）

R404A和R407C在水平强化管外的凝结换热实验研究

欧阳新萍 刘超 林梦

（上海理工大学制冷与低温工程研究所 上海 200093）

实验研究了近共沸制冷工质R404A与非共沸制冷工质R407C在水平强化换热管管外的凝结换热性能。采用“Wilson图解法”对实验数据进行处理。结果表明：对于R404A和R407C，强化管外的凝结换热系数随着壁面过冷度的增加而增大，呈现出与纯工质冷凝时不同的变化趋势，这主要是近共沸或非共沸工质凝结过程中，某些组分的凝结会遇到其它组分的凝结气膜热阻所造成的；随着过冷度增加，易挥发组分开始凝结，气膜变薄，冷凝传热系数增大。R407C在强化换热管管外的凝结换热系数比R404A要小70%左右，这是由于R407C的温度滑移较R404A要大，管外形成的凝结扩散气膜造成的影响更大。R407C在高热流密度工况下的换热效果提升明显，故应尽量工作在高热流密度区域。

强化传热；凝结换热；R404A；R407C

出于对环境的保护，HCFC类制冷工质将逐步被替代。目前在多种场合替换R22、R502的常用工质有R407C、R404A、R410A、R290和R32等［1］。国内外学者已对R404A、R407C和R410A的性能做了许多实验研究［2－5］，但对于R404A和R407C等新型工质在水平强化管外的凝结换热实验研究不多。Bois⁃sieux X等［6］对R404A在光管外的凝结换热性能进行了实验研究，并选出了预测精度较好的换热关联式；南晓红等［7］对R404A在水平螺纹管中的局部凝结换热系数进行了实验研究以及关联式的理论研究，从而确定了适用于R404A的计算关联式；Cavallini A等［8］对管内的压降及凝结换热关联式进行了综述和总结；成昌锐等［9］对R407C在光管和两种双侧强化管管外的凝结换热性能进行了实验研究，得出R407C在光管和两种双侧强化管管外换热系数随着热流密度的增加而增加，强化管的凝结换热系数增长的程度要比光管的强烈，R407C凝结时换热系数随冷凝温度的上升而上升，呈现出与纯工质冷凝时不同的变化趋势。Jung D等［10］在39℃的饱和蒸汽温度下测试了R22、R407C和R410A在光管、低肋管和Turbe⁃C管的管外凝结换热系数，得出 R407C的凝结现象与R22和R410A不同，凝结传热系数比R22低50%左右。

冷凝强化换热管从上世纪60年代的低翅管发展到各种形式的三维低肋管，如Hitachi的Thermoexcel⁃C管、Wolerine的Turbo⁃C管、Wieland的 GEWA⁃SC管等［11］。国内外学者针对不同工质在不同管型的冷凝传热问题进行了大量研究［12－13］，并取得了丰富的成果。对于一维和二维表面的单管冷凝传热已经有了基本的求解模型［14－16］，但对于三维强化管，由于表面结构的复杂性，其管外冷凝传热问题主要还是以实验研究为主，尚未建立完善的理论求解模型。此外，一些新型替代工质在各种强化管中的相变换热研究还不够充分，还需进行大量的实验研究。R404A和R407C作为R22的可选替代工质，对其在强化管的冷凝实验研究具有重要意义。

本文对R407C和R404A在水平强化管管外的冷凝进行实验研究。

1 实验装置与管件

实验装置的原理图如图1所示。整个系统主要由四部分组成：制冷剂循环系统、水循环系统、乙二醇循环系统和数据采集系统。该系统用于换热管管内通水、管外制冷剂冷凝或蒸发的换热实验。

图1 冷凝传热系统原理图Fig.1 Schematic diagram of condensation heat transfer system

制冷剂循环系统如图1右半部分所示，蒸发和冷凝在同一筒体内，中间由丁字板隔开，左侧为蒸发侧，右侧为冷凝侧。屏蔽泵驱动制冷剂从筒体底部流经质量流量计和套管式预热器，再由蒸发侧上部的喷淋管喷到下部的蒸发管表面，进行降膜蒸发；部分未蒸发的制冷剂直接落入底部；蒸发的制冷剂绕过丁字板，进入容器右边冷凝侧冷凝为液体落入底部，如此不断循环。

水循环系统分为蒸发侧水循环和冷凝侧水循环。蒸发侧水泵驱动冷剂水流经电磁流量计、在电加热器中被加热并控制到所需温度、随后进入蒸发管，与喷淋在蒸发管外表面的制冷剂液体换热降温，循环往复。冷凝侧水泵驱动冷却水流经板式换热器，与较冷的乙二醇水溶液进行换热，放出热量，再经电磁流量计进入冷凝管，与管外的制冷剂蒸汽换热升温，循环往复。乙二醇泵驱动乙二醇水溶液在板式换热器内吸收冷凝侧水的热量后回到乙二醇水箱，与经过制冷机组冷却的乙二醇水溶液混合冷却，再经乙二醇泵循环。该回路中的加热器辅助调节乙二醇水溶液温度。图1还给出了详细的温度和压力、压差测点。

图2 冷凝管表面结构Fig.2 Surface structure of condenser tub

实验管为一种具有内外双侧强化的冷凝管，管外表面是在低肋管的基础上加工而成的斜翅表面，管内为内螺纹表面。外表面结构形状如图2所示，主要参数如表1所示。

表1 冷凝管的结构参数Tab.1 Structure parameters of condenser tube

2 实验参数及数据处理方法

2.1 实验参数

R407C是一种非共沸制冷剂，其物性与R22非常接近。R22在管内相变换热的制冷设备，不做很大改动，改用R407C后，COP和制冷（热）能力的变化一般不超过8%。R404A是一种三元近共沸混合制冷剂，比较适合替换R502，也可替换R22。在替换R22的机组中其吸气压力和排气压力分别比R22高22% 和18%左右，高出比例不大，压缩机无需重新设计；在蒸发器和冷凝器内的传热性能与R22相近。

R407C与R404A的管外冷凝对比研究很少，本文即对此展开研究。

几种工质主要特性参数如表2所示。

表2 R22、R404A和R407C的特性对照表Tab.2 Characteristics of R22，R404A and R407C com parison table

本文借助实验，研究R407C和R404A在水平强化换热管管外的冷凝换热性能。实验的过程中，分别改变冷凝管的管内水速、热流密度和冷凝温度。测量冷凝侧和蒸发侧管内水的流量和进出口温度，管外冷凝压力和温度；计算总的传热系数、管内外换热系数，分析对比两种工质的换热性能。

2.2 非共沸制冷剂冷凝温度的确定

如图3所示，R407C在冷凝和蒸发过程中，冷凝压力和蒸发压力变化很小，可看作是不变的，但恒温线是倾斜的。冷凝开始的温度为露点温度td，冷凝至饱和状态时滑移至泡点温度tb。在蒸发过程中，因为R125和R32两种较轻的成分较R134a更易于蒸发，所以余下的溶液中R134a的含量升高，沸点从入口温度t1开始逐渐升高至露点td′，直至R407C全部蒸发。

图3 R407C理论循环p⁃h图Fig.3 R407C theory circulating p⁃h diagram

在某一冷凝压力下的冷凝温度tk有以下4种取法：1）露点温度td；2）泡点温度tb；3）等效平均温度ta（等效平均温度为定压下饱和气体和饱和液体的焓差与熵差之比，K）；4）中点温度tm（露点温度td和泡点温度tb的算术平均值）。本实验选用中点温度tm作为制冷剂在水平强化管管外冷凝的冷凝温度tk。

2.3 数据处理方法

为了通过实验得到传热过程各环节的热阻，经常应用Wilson图解法及其修正方案［17］，如制冷蒸发器、冷凝器及各种不同管型的强化换热管的传热实验等［18］。

以管外光滑表面作为传热面积，不计污垢热阻的总的热阻关系式为：

式中：K为总传热系数，W／（m2·K）；hi为管内传热系数，W／（m2·K）；ho为管外冷凝换热系数，W／（m2·K）；di为冷凝管内径，m；do为冷凝管外径，m；Rw为管壁导热热阻，（m2·K）／W。

对于管内旺盛湍流状态，一般认为管内换热系数hi与流速u0.8成正比，即：

保持各工况管外冷凝压力和壁面过冷度基本不变，即保持管外冷凝换热系数基本不变，改变管内水速，式（1）可表示为：

以u－0.8为横坐标，以1／K为纵坐标，根据变水速的各工况点绘制并拟合成威尔逊图，按照式（3）可以拟合得到a，b两个常数，得到管内换热系数及对流换热关联式。然后进行变化管外冷凝换热热阻的实验，采用直接热阻分离的方法，求得管外的冷凝换热系数。

对管外凝结换热而言，其关联式一般整理成管外凝结换热系数ho与壁面过冷度（tk－tw）的某次方的函数关系，即：

式中：tk为冷凝温度，℃；tw为冷凝管外壁温度，℃。

3 实验结果与分析

3.1 强化换热管管内换热性能

图4所示为根据强化换热管分别在制冷工质R407C和R404A下的两组实验数据拟合的关于强化管管内换热系数的Wilson图。

图4 强化管的W ilson图Fig.4 W ilson graph of enhanced tube

实验数据的工况为：对应恒定冷凝压力的冷凝温度为34.5℃（泡点温度和露点温度的平均值），恒定的热流密度为q＝23000 W／m2，管内水的流速从u ＝1 m／到u＝3 m／s变化若干个工况点。

图4中图线的斜率即为式（3）中的系数a，由此可得到管内水对流换热系数及其简单关联式。管外R404A冷凝时：

管7C冷凝时：

管外制冷剂的品种对管内的性能应该没有影响，但式（5）和式（6）得到的管内换热系数略有，这是实验的误差造成的。可将两者取平均值作为管内的换热性能的最终结果。即：

经过与光管管内的经典换热计算式对比，其管内换热系数的增强倍率为2.13。这是由于管内的螺纹凹凸结构可以使靠近壁面的一部分流体沿着螺旋线做旋转流动。这种螺旋流动增大了流体微团参与换热过程的行程，增强了流体对近壁面区的扰动。而且突起的内齿可迫使流体在齿后形成二次流动，增强了对管内流动的扰动，减小了边界层厚度，能在较小的流速下达到紊流，增强了流体与壁面间的热交换能力。

3.2 强化换热管管外换热性能

图5和图6所示为制冷工质R404A和R407C在水平强化换热管管外的凝结换热系数与壁面过冷度的关系图。

图5 管外换热系数与壁面过冷度的关系Fig.5 Relations between heat transfer coefficient outside tube and the wall supercoiling degree

图6 管外换热系数与壁面过冷度的关系Fig.6 Relations between heat transfer coefficient outside tube and the wall supercooling degree

从图5和图6中分析可知，对于近共沸制冷剂R404A和非共沸制冷剂R407C，其管外凝结换热系数随着壁面过冷度的增加而增加，都呈现出与纯工质冷凝时不同的变化趋势。这一现象是由R404A和R407C所特有的特殊的热物理性质所决定的。对于非共沸制冷工质，在蒸汽凝结过程中，气⁃液界面形成一层未凝结气体层，因为气膜阻力远大于液膜阻力，气膜阻力占主导地位，大大降低了管外凝结换热效率；随着壁面过冷度的增大，这层未凝结的气膜开始凝结，气膜厚度开始变薄，管外的凝结换热阻力降低，凝结传热系数增大。

根据公式（4）拟合求得，在实验范围内采用制冷工质R404A，强化管管外凝结换热系数：

在实验范围内采用制冷工质R407C，强化管管外凝结换热系数：

此外，从图5和图6中可知，R407C在强化换热管管外的凝结换热系数比R404A要小很多，这是由于R407C的温度滑移较R404A要大，管外形成的凝结扩散气膜造成的影响更大。当然，凝结扩散气膜对不同的强化管影响会有差异，有可能此实验强化管不太适合R407C，更适合于R404A，这方面还有待研究。减小凝结扩散气膜所带来的热阻成为强化R407C和R404A管外冷凝换热的关键。从理论上讲，应该尽可能地破坏、干扰气膜。从实验的结果来看，随着壁面过冷度增加，热流密度也增加，管外冷凝换热系数随之提高，这一点与纯工质的趋势正好相反，R407C的这一表现尤其突出。可见，采用R407C时最好运行在高热流密度工况。可以预见，通过提高蒸汽流速来强化换热，对R407C和R404A的强化效果比纯工质的强化效果更明显。因为，这样不仅拉薄了凝结液膜，而且破坏了凝结气膜。对于粘性较小的凝结气膜中的气体，蒸汽流速的影响将会比对凝结液膜的影响更显著。因此，提高蒸汽流速将会更强烈地扰动和破坏凝结气膜，提升传热效果。

4 结论

本文采用R404A和R407C工质在外表面斜翅、内表面螺纹形状的强化换热管管外进行了冷凝换热实验，管内通水。实验得出以下结论：

1）对于R404A和R407C，在强化管外的凝结换热系数随着壁面过冷度的增加而增大，呈现出与纯工质冷凝时不同的变化趋势。这主要是近共沸或非共沸工质凝结过程中会遇到其它组分的凝结气膜热阻所造成的。分析认为，随着过冷度的增加，易挥发组分开始凝结，气膜变薄，冷凝传热系数增大。

2）R407C在强化换热管管外的凝结换热系数比R404A要小70%左右，这是由于R407C的温度滑移较R404A要大，管外形成的凝结扩散气膜造成的影响更大，提高蒸汽流速将会改善换热效果。

3）与光管相比，此强化换热管管内换热系数强化倍率平均为2.13。

4）采用R407C制冷剂冷凝时，高热流密度工况下的换热效果提升明显，故应尽量工作在高热流密度区域。

［1］ Cavallini A.Working fluids for mechanical refrigeration ［J］.International Journal of Refrigeration，1996，19（8）：485⁃496.

［2］ Chen J，Kiuse H.Concentration shift simulation the mixed re⁃frigerants R404A，R32／R134a and R407C in an air condi⁃tioning system［J］.International Journal of HVAC＆R Re⁃search，1997，3（2）：149⁃157.

［3］ 刘一民，胡丽英，巢龙兆.混合工质R407C的实验研究［J］.流体机械，2003，31（Suppl.）：114⁃116.（Liu Yimin，Hu Liying，Chao Longzhao.Experimental study of the mixed refrigerant R407C［J］.Fluid Machinery，2003，31（Suppl.）：114⁃116.）

［4］ 陈九法.关于R407C用于替代R22的研究［J］.流体机械，2004，32（8）：69⁃72.（Chen Jiufa.About R407C used to replace R22 research［J］.Fluid Machinery，2004，32（8）：69⁃72.）

［5］ 陈斌，陈光明.R407C、R410A制冷系统相关特性研究进展［J］.流体机械，2003，31（2）：42⁃45.（Chen Bin，Chen Guangming.Recent researches on the related proper⁃ties of R407C and R410A system［J］.Fluid Machinery，2003，31（2）：42⁃45.）

［6］ Boissieux X，Heikal，Johns R A.Two⁃phase heat transfer coefficients of three HFC refrigerants inside a horizontal smooth tube part：condensation［J］.International Journal of Refrigeration，2000，23（5）：345⁃352.

［7］ 南晓红，罗昕岚，C A Infante Ferreira.R404A在水平内螺纹管中的冷凝传热研究［J］.化学工程，2008，36 （5）：16⁃19.（Nan Xiaohong，Luo Xinlan，C A Infante Ferreira.Condensation heat transfer studies of R404A in a horizontal thread tube［J］.Chemical Engineering，2008，36（5）：16⁃19.）

［8］ Cavallini A，Delcol D，Doretti L，et al.Heat transfer and pressure drop during condensation of refrigeration inside horizontal enhanced tubes［J］.International Journal of Re⁃frigeration，2000，23（1）：4⁃25.

［9］ 成昌锐，王秋旺.R407C在水平单管外凝结换热的实验研究［J］.工程热物理学报，2001，22（3）：35⁃42.（Cheng Changrui，Wang Qiuwang.Experimental investigation on condensation heat transfer of R407C outside horizontal en⁃hanced tubes［J］.Engineering Thermophysics，2001，22 （3）：35⁃42.）

［10］Jung D，Kim C B，Hwang S M，et al.Condensation heat transfer coefficients of R22，R407C，and R410A on a hori⁃zontal plain，low fin，and turbo⁃C tubes［J］.International Journal of Refrigeration，2003，26（4）：485⁃491.

［11］Nakayama W.High⁃flux heat transfer surface“Thermoex⁃cel”［J］.Hitachi Review，1975，24（8）：329⁃333.

［12］Browne M W，Bansal P K.An overview of condensation heat transfer on horizontal tube bundles［J］.Applied Ther⁃mal Engineering，1999，19（6）：565⁃594.

［13］Cavaliini A，Censi G，Col D D，et al.Condensation inside and outside smooth and enhanced tubes⁃a review of recent research［J］.International Journal of Refrigeration，2003，26（4）：373⁃392.

［14］Nusselt W.The condensation of steam on cooled surface ［J］.Journal of the Association of German Engineer，1916，60（2）：541⁃546，569⁃575.

［15］Beatty K O，Katz D L.Condensation of vapours on outside of finned tubes［J］.Chemical Engineering Progress，1948，44（1）：55⁃70.

［16］Honda H，Nozu S.A prediction method for heat transfer during film condensation on horizontal low integral⁃fin tubes ［J］.Journal of Heat Transfer，1987，109（3）：218⁃225.

［17］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［18］西安交通大学热工教研室.在换热器传热试验中用威尔逊图解法确定给热系数［J］.化工及通用机械，1974 （7）：24⁃30.（Thermal Enineering Department of Xi’an Jiaotong University.Determine heat transfer coefficient with Wilson graphical method in heat exchanger［J］.Chemicals and General Machinery，1974（7）：24⁃30.）

刘超，男，硕士研究生，上海理工大学制冷与低温工程研究所，13761066075，E⁃mail：994320576＠qq.com。研究方向：换热器与强化传热。

About the corresponding author

Liu Chao，male，master，Institute of Refrigeration and Cryogenics，U⁃niversity of Shanghai for Science and Technology，＋86 13761066075，E⁃mail：994320576＠qq.com.Research fields：heat exchanger and heat transfer enhancement.

Experimental Investigation on Condensation Heat Transfer of R404A and R407C outside Horizontal Enhanced Tubes

Ouyang Xinping Liu Chao Lin Meng

（Institute of Refrigeration and Cryogenics，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Water The condensation heat transfer performance outside horizontal enhanced tubes of near⁃azeotropic refrigerant R404A and zeotropic refrigerant R407C was investigated in this study.The experimental data were analyzed using W ilson graphical method.The results show that the coefficients of condensation heat transfer outside horizontal enhanced tubes of R404A and R407C increase with the increase of supercooling degree of tube wall，which is different from pure refrigerant.For near⁃azeotropic or zeotropic refrigerant，some components will encounter the gas film resistance caused by the condensation of other components.With the increase of super⁃cooling degree of tube wall，the volatile components begin to condense and the gas film becomes thin，thus the coefficient of conden⁃sation heat transfer will increase.The coefficient of condensation heat transfer outside horizontal enhanced tubes of R407C is 70% lower than R404A，which is due to the fact that the temperature glide of R407C is larger than R404A，and the impact of gas film outside tubes is greater.The heat transfer coefficient of R407C is improved obviously at higer heat flux condition，which is suitable for practical application.

enhanced heat transfer；condensation heat transfer；R404A；R407C

TB657.5；TB64；TK124

A

0253－4339（2015）04－0072－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.072

简介

2015年1月5日