R410A 應(yīng)用于內(nèi)螺紋強(qiáng)化管的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究

黃理浩陶樂仁鄭志皋王 偉張建國(guó)張慶鋼王金鋒

(1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093; 2上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306)

R410A是由R32/R125兩種工質(zhì)按1:1組成的近共沸混合工質(zhì)[1]，溫度滑移小，約0.2K，無毒不可燃，其主要有氫，氟和碳元素組成(表示為HFC)，由于不含有氯元素，所以不會(huì)與臭氧發(fā)生反應(yīng)，即不會(huì)破壞臭氧層。目前R410A是國(guó)際公認(rèn)的用來替代R22最合適的的冷媒之一[2]，并在歐美，日本等國(guó)家得到普及。

另外隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈，人們對(duì)換熱設(shè)備的緊湊化、高效化和低成本化的要求越來越高。許多公司紛紛開發(fā)出了一系列高效的換熱管，但對(duì)于R410A在高效換熱管內(nèi)的傳熱理論和實(shí)驗(yàn)研究還比較少。高克聯(lián)管件(上海)有限公司的武永強(qiáng)、羅忠[3]等人對(duì)幾種內(nèi)螺紋管的管內(nèi)冷凝研究，比較了不同齒形對(duì)換熱的影響，上海交通大學(xué)的胡海濤、丁國(guó)良[4]等人對(duì)R410A和油在7mm強(qiáng)化管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性分析并開發(fā)出了關(guān)聯(lián)式，James Bogat[5]等人對(duì)R410A和R22在一種強(qiáng)化換熱管和光管內(nèi)的蒸發(fā)、冷凝的換熱做了試驗(yàn)對(duì)比。

這里主要對(duì)9.52mm的一種內(nèi)螺紋管管內(nèi)蒸發(fā)換熱做了一些研究，分析了不同的制冷劑質(zhì)量流速、管外側(cè)冷水流量對(duì)換熱的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)了一臺(tái)集蒸發(fā)和冷凝為一體的管內(nèi)蒸發(fā)、冷凝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用隔膜泵為實(shí)驗(yàn)裝置的循環(huán)動(dòng)力，既可以適用各種不同的制冷劑又可以避免潤(rùn)滑油對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。蒸發(fā)循環(huán)流程如圖1所示(冷凝循環(huán)流程未畫出)，包括制冷劑循環(huán)、實(shí)驗(yàn)段前冷水循環(huán)，通過換熱器1把制冷劑冷卻成液態(tài)、實(shí)驗(yàn)段水循環(huán)，通過套管和制冷劑進(jìn)行換熱使出口的制冷劑達(dá)到蒸氣狀態(tài)、冷水循環(huán),含有50%乙二醇的水溶液，由電熱水箱通過換熱器3為實(shí)驗(yàn)段水循環(huán)進(jìn)行換熱，為蒸發(fā)制冷劑提供熱量。

圖1 蒸發(fā)系統(tǒng)流程Fig.1 Evaporation system

1.2 測(cè)控系統(tǒng)

表1 測(cè)量?jī)x器Tab.1 Measuring instruments

制冷劑循環(huán)和實(shí)驗(yàn)段水循環(huán)分別裝一個(gè)質(zhì)量流量計(jì)和一個(gè)電磁流量計(jì)用來測(cè)量制冷劑和水的流量，在測(cè)試段制冷劑的進(jìn)出口各裝一個(gè)Pt100鉑電阻、壓力變送器和一個(gè)差壓變送器，在實(shí)驗(yàn)段水循環(huán)的進(jìn)出口也各裝一個(gè)Pt100鉑電阻，(測(cè)試儀器型號(hào)及規(guī)格見表1)各個(gè)測(cè)點(diǎn)都與PLC連接，在實(shí)驗(yàn)過程中，PLC把采集到的溫度、壓力、流量等信號(hào)通過RS232串口傳到上位機(jī)組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并通過內(nèi)部計(jì)算程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，反映在控制界面上，上位機(jī)再通過RS232串口把調(diào)整的控制信號(hào)發(fā)送到PLC中，PLC接收到上位機(jī)的信號(hào)后通過事先編好的程序?qū)?shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)控制，當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況及測(cè)試樣管

冷凝溫度分別設(shè)定在35 和40 兩種實(shí)驗(yàn)工況，制冷劑流量為100～400kg/(s.m2)，進(jìn)口蒸汽過熱度為6 ，出口液體的過冷度為2 ，管外冷卻水的流量分別為0.8m3/s，0.6m3/s。測(cè)試部分是一個(gè)水平布置的套管式換熱器，測(cè)試管布置在套管內(nèi)，制冷劑與冷卻水采用逆流換熱方式，實(shí)驗(yàn)過程中制冷劑側(cè)和水側(cè)的換熱量誤差為10%以內(nèi)。

圖2 內(nèi)螺紋管齒形橫斷面Fig.2 Cross-section of internal thread tube

實(shí)驗(yàn)樣管(如圖2所示)選用內(nèi)螺紋強(qiáng)化管長(zhǎng)度為5.2m，直徑為9.52mm，齒高0.17mm，底壁厚0.3mm，齒頂角30°，槽寬0.23mm，螺旋角18°，齒數(shù)70。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 管內(nèi)蒸發(fā)換熱特性

圖3 不同水流量下，蒸發(fā)換熱系數(shù)隨質(zhì)量流量的變化Fig.3 Different water flows, evaporation heat transfer coef fi cient changes with the mass flow

R410A和R22兩種制冷劑工質(zhì)在蒸發(fā)溫度為10 的工況下比較了其在9.52mm內(nèi)螺紋管內(nèi)的蒸發(fā)換熱情況，如圖3所示，換熱系數(shù)hr都隨質(zhì)量流速Gr的增大而增大，這主要也是因?yàn)橘|(zhì)量流速Gr的增加使工質(zhì)與管壁間的對(duì)流換熱得到加強(qiáng)從而使hr增大。在冷卻水流量為0.8m3/h和1.0m3/h的工況下，質(zhì)量流速Gr在150kg/(s.m2)～300kg/(s.m2)時(shí)，R410A與R22的換熱系數(shù)hr基本一致，但當(dāng)質(zhì)量流速增大到300kg/(s.m2)～400kg/(s.m2)時(shí)，R410A的換熱系數(shù)hr略有減小，但R22的換熱系數(shù)hr增加的非?？臁Ｔ诶鋮s水量為1.0m3/h的工況下，R410A和R22的換熱曲線基本一致，在小質(zhì)量流速的情況下R22比R410A的換熱系數(shù)hr稍高，說明冷卻水流速的增大可能更有利于工質(zhì)R22的換熱。

圖4 制冷劑在水平通道中的蒸發(fā)示意圖Fig.4 Refrigerant evaporation in horizontal channel

如圖4所示，制冷劑加熱時(shí)，在不同區(qū)域((1)、(2)、(3))呈現(xiàn)出不同流體形式(即傳熱形式)。

(1)單相液體的對(duì)流傳熱。其傳熱形式為單相液體的對(duì)流傳熱。

(2)核沸騰。制冷劑被加熱形成氣泡，增加紊流和增大傳熱系數(shù)。

(3)通過液膜的強(qiáng)制對(duì)流換熱。隨著氣泡的產(chǎn)生，流道中心全部被蒸氣占據(jù)，由于蒸氣流速很高，此時(shí)的剪切力足以形成穩(wěn)定的液膜(薄膜蒸發(fā)形成)，流動(dòng)形式為環(huán)狀流，傳熱系數(shù)相當(dāng)高，可達(dá)液-液傳熱時(shí)的兩三倍[6]。

換熱系數(shù)的增加主要是因?yàn)?

1)制冷劑在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段時(shí)干度很小，此時(shí)主要傳熱作用為核態(tài)沸騰，隨著干度的增加，流型向環(huán)狀流過渡，形成薄液膜，即熱量通過膜態(tài)蒸發(fā)而快速傳遞，從而傳熱系數(shù)增大[7]。

2)由于流量的增大，制冷劑的量也增加，使得液膜在測(cè)試管段的形成得到保證，不會(huì)因?yàn)橹评鋭┑耐耆舭l(fā)而導(dǎo)致在測(cè)試管段中段液膜無法形成，因此在大流量下?lián)Q熱系數(shù)更大。

3)測(cè)試管的長(zhǎng)度較短1.5m左右，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)狀流的結(jié)束，而向霧狀流轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致傳熱系數(shù)的降低。

2.2 管內(nèi)蒸發(fā)換熱流阻特性

如圖5所示R410A和R22兩種制冷劑工質(zhì)在冷卻水流量在0.8m3/h 和1.0m3/h兩種工況下壓降ΔP隨質(zhì)量流速Gr的變化情況，兩種制冷劑工質(zhì)的壓降都隨質(zhì)量流速的增大而增大，這也是因?yàn)橘|(zhì)量流速的增大導(dǎo)致制冷劑與管壁的摩擦壓降增大從而導(dǎo)致了壓降的增大。冷卻水流量為0.8m3/h的工況下，R410A的壓降平均要比R22的壓降小30%左右，冷卻水流量為1.0m3/h的工況下，R410A的壓降平均要比R22的壓降小40%左右。

圖5 不同水流量下，壓降隨質(zhì)量流速的變化Fig.5 Different water flows, pressure drop changes with the mass flow

3 結(jié)論

在測(cè)試管內(nèi)無潤(rùn)滑油的情況下對(duì)R410A、R22兩種工質(zhì)在變制冷劑質(zhì)量流速，水流量的幾種工況下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從分析比較得出以下結(jié)論:

1)銅管的換熱系數(shù)和壓差隨著工質(zhì)質(zhì)量流量變化影響顯著,都隨著流量的增加而增大。

2)制冷劑在小流量的情況下，由于液膜的形成在測(cè)試管中所占比例較小，因而相比大流量其換熱系數(shù)較小。

3)R410A比R22有更高的換熱效率和更小的壓降。

4)冷卻水流量的變化對(duì)換熱系數(shù)及壓降影響不大。

總之，制冷劑R410A、R22的換熱系數(shù)和壓降隨質(zhì)量流速的增大而增大，當(dāng)質(zhì)量流速小于300 kg/(s.m2)時(shí)，兩者的換熱系數(shù)hr和壓降Δp曲線基本吻合，當(dāng)質(zhì)量流速大于300kg/(s.m2)時(shí)，R410A的換熱系數(shù)hr和壓降Δp小幅增加，而R22的換熱系數(shù)hr和Δp增加幅度較大。因此在質(zhì)量流速要求不太大的情況，R410A比R22有更好的換熱效率和較小的壓降，可以用來替代R22。

[1] 張萍, 陳光明. R410A替代R22制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 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.)

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