R404A小管徑冷凝換熱與壓降關聯(lián)式的適配性

王學東 柳建華 宋 吉 高屹峰 朱立珺

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093；2 國際銅業(yè)協(xié)會(中國) 上海 200020)

R404A小管徑冷凝換熱與壓降關聯(lián)式的適配性

王學東1柳建華1宋 吉2高屹峰2朱立珺1

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093；2 國際銅業(yè)協(xié)會(中國) 上海 200020)

針對R404A的冷凝換熱與壓降關聯(lián)式有很多，但均為基于7 mm或者9.52 mm等大管徑光管或者強化管，針對5 mm管徑的關聯(lián)式也都是適用于其它制冷劑，沒有R404A小管徑冷凝直接適用的關聯(lián)式。本文采用實驗測試與理論計算結合論證的方法，利用控制變量法、性質相似制冷劑優(yōu)先法篩選出一批關聯(lián)式，大量對比由關聯(lián)式計算與由實驗數(shù)據(jù)計算得出的換熱系數(shù)與壓降的偏差，研究關聯(lián)式的適用性及可修正性。結果表明：M.K.Dobson等提出的冷凝換熱關聯(lián)式乘以修正系數(shù)2.13，能很好預測R404A在內螺紋管中的冷凝換熱系數(shù)，與實驗值正偏差為+15.51%，負偏差為-14.13%。X.C.Huang等提出的摩擦壓降關聯(lián)式能很好預測R404A在小管徑內螺紋管內冷凝的摩擦壓降，與實驗值的正偏差為+12.56%，負偏差為-13.58%，兩者均可為換熱器設計計算提供較準確的理論指導。

關聯(lián)式；小管徑；冷凝；換熱系數(shù)；壓降；R404A

小管徑銅管換熱器技術是行業(yè)內的研究熱點。通過實現(xiàn)房間空調換熱器銅管的小管徑化，在保持銅管優(yōu)秀換熱品質的同時，可大幅度降低空調成本，實現(xiàn)消費者利益與行業(yè)發(fā)展共贏。

目前科研人員針對小管徑銅管換熱器技術進行了大量研究[1-3]，在小管徑冷凝換熱理論研究方面，X.C.Huang等[4-5]針對R410A在小管徑管內冷凝的熱換和壓降特性進行了深入研究，給出了適用的關聯(lián)式。在技術應用方面，丁煒堃等[6]對小管徑空調冷凝器做了數(shù)值模擬并給出流路設計思路，認為在相同換熱管數(shù)下，應增加并行支路數(shù)目，適當減小各支路長度。王春[7]對5 mm小管徑換熱器在空調系統(tǒng)中應用的冷凝性能進行了實測，各項指標對比得出變頻R410A空調器冷凝效果較好，應用前景看好。但是沒有針對R404A在相關方面的研究。

將小管徑銅管換熱器技術從空調領域推廣應用到冷藏集裝箱的冷凝器上發(fā)現(xiàn)，原來用于制冷機組的換熱器管內制冷劑流動與換熱關聯(lián)式都是基于大管徑開發(fā)的，如針對R22，R134a等在管徑為7 mm和9.52 mm的光管或者強化管中換熱與壓降性能的研究有很多[8-12]，針對5 mm管徑的關聯(lián)式也都是適用于其它制冷劑，并沒有直接適用的針對R404A在外徑為5 mm的內螺紋管中冷凝可用的關聯(lián)式。

本文對空調領域已經提出的管內冷凝關聯(lián)式進行檢查驗證，利用控制變量法、性質相似制冷劑優(yōu)先法篩選出一批關聯(lián)式，研究其能否匹配到冷藏運輸制冷機組上，重點研究R404A在外徑為5 mm的內螺紋管中冷凝的換熱與壓降性能，通過實驗測試與理論計算相結合的方式，驗證已經提出的并不直接適配的換熱與壓降關聯(lián)式的適用性及可修正性，為設計制冷工質為R404A的小管徑換熱器提供理論指導。

1 制冷工質性質及用途簡介

冷藏集裝箱常用制冷工質為R404A，因此實驗測試研究的制冷工質是R404A(R125：44% R134a：4% R143a：52%)，它是一種近共沸制冷劑混合物，溫度滑移約0.6 ℃。ODP=0，GWP=3 750，沸點-46.2 ℃，沸點下蒸發(fā)潛能200.1 kJ/kg。在相同溫度下，R404A飽和壓力比R22高約5%～10%，容積制冷量比R22高約5%，但COP比R22低約5%～10%，在低蒸發(fā)溫度的情況下應用比較多。R404A是R502可行的替代物，具有較好的環(huán)境特性和熱力學特性。實驗測試冷凝溫度為40 ℃，由REFPROP9.0查得R404A在冷凝溫度為40 ℃時的熱力性質，見表1。

表1 冷凝溫度為40 ℃ R404A熱力性質

由表1可知，R404A在40 ℃時的冷凝熱為120.26 kJ/kg。在大型商用制冷設備、交通運輸制冷設備及所有R502可正常動作的環(huán)境中，R404A均有應用。R404A與礦物油不互溶，壓縮機生產商建議使用POE多元醇酯潤滑劑作為與R404A適配的潤滑劑。

2 實驗裝置和測試方法

2.1實驗裝置

實驗研究對象為外徑為5 mm的內螺紋銅管，結構見圖1，具體參數(shù)見表2。測試系統(tǒng)裝置見圖2，從圖中可以看出，測試系統(tǒng)由兩個主要的循環(huán)構成：1)制冷劑循環(huán)包括預冷段、測試段、過冷段等；2)冷卻水循環(huán)用于R404A-油混合物的冷凝。制冷劑和冷卻水的流率通過變頻器改變泵的轉速來調節(jié)。冷卻水回路包括預冷段水回路和測試段水回路。預冷段冷卻水回路用于調節(jié)測試段入口的R404A-油混合物的干度，而測試段冷卻水回路用于研究各種熱流密度條件下R404A-油混合物的冷凝換熱特性與壓降特性。冷卻水回路的換熱量通過調節(jié)冷卻水流量和冷卻水溫度實現(xiàn)。冷卻水流量由冷卻水泵和調節(jié)閥控制，而冷卻水溫度通過合理調節(jié)冷卻水循環(huán)中的電加熱來控制。

表2 內螺紋管結構參數(shù)

d內徑；TWT總壁厚；W槽底寬圖1 內螺紋管結構Fig.1 Structure of microfin tube

圖2 測試系統(tǒng)裝置圖Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

圖3 測試段局部圖(單位：mm)Fig.3 Schematic diagram of test section

測試段局部圖見圖3，測試段由1 m長的內外逆流套管換熱器組成，制冷劑在內管流動，冷卻水在內管周圍外管內側流動來冷卻制冷劑。測試在入口飽和冷凝溫度為40 ℃的條件下進行。實驗測試為兩相狀態(tài)，R404A為近共沸制冷劑混合物，溫度和壓力近似一一對應，因此制冷劑-油混合物的冷凝溫度只需要通過控制冷凝壓力即可。外管采用PVC管，內管為紫銅管，導熱系數(shù)為398 W/(m·K)，在套管冷卻水進出口處布置熱電偶來測量冷卻水的進出口溫度。

圖4 測試段套管局部剖面圖Fig.4 Cutaway view of the casing tube

測試段長度設計的原則為可有效合理地考察局部換熱系數(shù)和壓降特性，且滿足L/D>60，使平均表面換熱系數(shù)不受入口段的影響，從而測定充分發(fā)展段的換熱特性和壓降特性。測試段PVC管外的保溫材料內層為PEF保溫材料(新型高分子保溫材料-聚乙烯泡沫塑料)，導熱系數(shù)≤0.04 W/(m·K)，外層為玻璃棉，導熱系數(shù)為0.052 W/(m·K)，結構如圖4所示。

2.2測試方法

調節(jié)變頻器進而改變制冷劑流率和冷卻水流率，進一步控制質流密度、熱流密度、干度等參數(shù)。需要采集制冷劑溫度Tr，管外壁溫度Two，測試段入口、出口絕對壓力pin、pout，測試段R404A-油混合物壓降Δp，制冷劑質量流量mr，冷卻水質量流量mw等參數(shù)。由這些參數(shù)即可直接得出或間接計算出R404A-油混合物流經測試段的壓降和換熱系數(shù)。制冷劑/油混合物為R404A/Emkarate RL 32RV，測試實驗的工況范圍見表3。

表3 實驗測試工況范圍

3 實驗結果與分析

3.1選用關聯(lián)式的方法及原則

針對內螺紋管換熱性能優(yōu)于光管的機理，不同的科學家得出的結論不盡相同。J. Yu等[13]指出水平內螺紋管的局部換熱性能比同樣內徑的光管的換熱性能的兩倍還高，將換熱的強化作用歸因于換熱面積的增大。M. A. Kedzierski等[14]提出一種內螺紋管內針對四種制冷劑(R134a, R410A, R125和R32)的局部對流冷凝換熱的測量方案?；谏鲜鑫墨I的壓降測量關聯(lián)式，認為強化換熱的作用主要是由于內螺紋增加了表面的粗糙度，內螺紋的方向導致管周圍的流體分布不均勻。強化作用也部分由于內表面有效面積的增大和內螺紋引起的湍流強化了對流換熱。但都證明內螺紋管換熱性能成倍強于光管，因此可以基于光管的換熱性能預測內螺紋管的換熱性能，在篩選關聯(lián)式時針對光管的已有的關聯(lián)式也要加以考察。

利用控制變量法篩選關聯(lián)式，如限定管徑為5 mm和制冷劑為R404A分別篩選關聯(lián)式，其他不予考慮。此外，利用性質相近制冷劑優(yōu)先法，如R502與R404A性質相近，優(yōu)先考慮適用于R502的關聯(lián)式。

L. M. Chamra[15]等提出內螺紋管內純制冷劑的冷凝換熱模型，指出平均絕對偏差(MAD)可作為考查換熱模型是否有效的標準。MAD定義為由關聯(lián)式預測的換熱系數(shù)與通過實驗得出的換熱系數(shù)之間的平均歸一化差值。

(1)

可利用該模型論證已經提出的換熱與壓降關聯(lián)式的可用性，偏差表示為ε=(hcalc-hexp)/hexp，這也是選用關聯(lián)式的原則之一，本實驗選用偏差為20%以內的關聯(lián)式。

3.2 小管徑的冷凝換熱關聯(lián)式

目前提出的大部分局部換熱關聯(lián)式只適用于具體的流動模式，通常經驗或半經驗模型。鑒于兩相流動的復雜性，很難得出一個純理論模型，而且在對比實驗數(shù)據(jù)時，每一個關聯(lián)式的測試條件范圍是尤為重要的。

氣液兩相流動型式已經被廣泛研究來理解冷凝換熱機制。通常氣液兩相流動型式可以分為環(huán)狀流、半環(huán)狀流、波狀流和段塞流。M. K. Dobson等[16]提出一個適用于環(huán)狀流和波狀流的新型換熱關聯(lián)式，這兩種流型覆蓋范圍較廣，環(huán)狀流中重力起主導作用，波狀流中剪切應力起主導作用。M. K. Dobson等[16]模型討論的是R404A在水平光滑管內的兩相換熱系數(shù)，環(huán)狀流的換熱系數(shù)由式(2)～式(5)計算得出。

(2)

(3)

(4)

(5)

波狀流同時考慮了管頂部的膜狀冷凝和管底部的強制對流冷凝。波狀流的換熱系數(shù)可以由式(6)～式(11)計算得出：

(6)

單一氣相雷諾數(shù)：

(7)

伽利略數(shù)：

(8)

液相Jakob數(shù):

(9)

(10)

式中：c1和c2定義如下:

0

c1=4.172+5.48FrL-1.564FrL2

c2=1.773-0.169FrL

FrL>0.7

c1=7.242

c2=1.655

環(huán)狀流和波狀流的分界可以根據(jù)修正的弗勞德數(shù)Frso來定義:

(11)

Re≤1 250

c3=0.025，c4=1.59

Re>1250

c3=1.26，c4=1.04

環(huán)狀流式(2)適用于G>500 kg/(m2·s)時的所有干度。對于G<500 kg/(m2·s)，式(6)適用于波狀流當Frso<20的情況。

由實驗測試數(shù)據(jù)計算得出不同質流密度和測試段入口干度下，R404A-油混合物在5 mm內螺紋強化管內的換熱系數(shù)，利用Origin Lab畫出在不同質流密度下，換熱系數(shù)隨測試段入口干度變化的曲線圖(圖5)，可知在同一質流密度下，換熱系數(shù)會隨著干度的增大而增大。同一干度下，換熱系數(shù)會隨著質流密度的增大而增大。利用采集的實驗數(shù)據(jù)和乘以修正系數(shù)2.13以后的M. K. Dobson等[16]提出的關聯(lián)式從理論上預測換熱系數(shù)，與實驗測試值進行對比，得出偏差，見圖6。部分實驗的熱流密度較高，只有較高的熱流密度才能保證制冷劑蒸氣在測試段的完全冷凝。在低干度區(qū)會產生較大的實驗誤差，誤差產生的原因是管壁溫與冷卻水溫度差較小。

表4 M. K. Dobson等[16]模型適用測試條件

圖5 冷凝換熱系數(shù)隨干度的變化Fig.5 The change of condensation heat transfer coefficient with quality

圖6 冷凝換熱系數(shù)關聯(lián)式預測值與實驗值偏差Fig.6 Comparison of experimental condensation heat transfer coefficients with the predicted values of correlations

3.3小管徑冷凝壓降關聯(lián)式

上海交通大學X. C.Huang等[4]研究了小管徑強化管內的冷凝壓降特性，提出小管徑內螺紋管內的摩擦壓降關聯(lián)式，其測試工質是R410A-潤滑油RB68EP的混合物，計算模型如下：

(12)

(13)

(14)

Reh,V=Gxr,odh/μr,V

(15)

以上關聯(lián)式的適用范圍為：管外徑5mm,質流密度200～500kg/(m2·s)，熱流密度4.21～7.91kW/m2，蒸氣干度0.3～0.9，油濃度0%～5%。

將其中的物性參數(shù)對應替換為R404A-潤滑油EmkarateRL32RV混合物的參數(shù)，對比實驗數(shù)據(jù)與由該理論模型計算值的偏差，從而論證該摩擦壓降關聯(lián)式的可用性。

通過實驗測試得出不同質流密度和測試段入口干度下，R404A-油混合物在5mm內螺紋強化管內的冷凝摩擦壓降，利用OriginLab畫出在不同質流密度下，冷凝摩擦壓降隨測試段入口干度變化的曲線圖(圖7)，可知在同一質流密度下，冷凝摩擦壓降會隨著干度的增大而增大；同一干度下，冷凝摩擦壓降隨著質流密度的增大而增大。利用采集的實驗數(shù)據(jù)和X.C.Huang等[4]關聯(lián)式從理論上預測冷凝摩擦壓降，與實驗測試值進行對比，得出偏差，如圖8所示。

圖7 摩擦壓降隨干度的變化Fig.7 The change of frictional pressure with quality

圖8 摩擦壓降關聯(lián)式理論預測值與實驗值偏差Fig.8 Comparison of experimental frictional pressure drop with the predicted values of correlations

4 結論

本文在測試段入口飽和冷凝溫度為40 ℃，制冷劑質流密度200～400 kg/(m2·s)，入口干度0.2～0.8時，進行外徑5 mm內螺紋銅管內R404A的冷凝實驗測試。通過對實驗數(shù)據(jù)進行整合、計算，分析實驗值與理論模型計算值的偏差，結論如下：

1)制冷劑為R404A-油的混合物在外徑為5 mm內螺紋管內的冷凝換熱系數(shù)可由M. K. Dobson等[16]關聯(lián)式乘以修正系數(shù)2.13預測，需要滿足的工況條件為：質流密度25

2)制冷劑為R404A-油的混合物在外徑為5 mm內螺紋管內的冷凝摩擦壓降可由 X. C.Huang等[4]提出的關聯(lián)式進行預測，需要滿足的工況條件為：質流密度200～500 kg/(m2·s)，熱流密度4.21～7.91 kW/m2，干度0.3

3)小管徑在空調領域已有的一些關聯(lián)式進行檢查驗證后可匹配到冷藏運輸制冷機組上應用。

4)針對不同制冷劑的關聯(lián)式進行熱力性質參數(shù)對應替代后也可應用，存在偏差，但在可接受范圍之內，且能加以修正，指導實踐。

本文受上海市教育委員會重點學科資助項目(J50502)資助。(The project was supported by the Key Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. J50502).)

符號說明

Nu——努塞爾數(shù)

Re——Reynolds數(shù)

cp——定壓比熱容，J/(kg·K)

Fr——弗勞德數(shù)

Pr——普朗特數(shù)

ρ——密度，kg/m3

μ——動力黏度，Pa·s

x——蒸氣干度

hfg——汽化潛熱，J/kg

Ga——伽利略數(shù)

g——重力加速度，m2/s

Ja——雅各布數(shù)

λ——導熱系數(shù)，W/(m·K)

D——特征直徑，m

G——質流密度，kg/(m2·s)

l——測試管長，m

h——對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)

f——摩擦系數(shù)

Xtt——Lockhart-Martinelli參數(shù)

Δpr,o,frict——制冷劑油混合物摩擦壓降，Pa

dh——內螺紋管的水力直徑，m

m——質量流量，kg/s

下標

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About the corresponding author

Liu Jianhua, male, professor, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail: lwnlwn_liu@163.com. Research fields: optimization research for refrigeration system, application research for refrigeration test equipment.

Suitability of R404A Condensation Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Small Diameter Tube

Wang Xuedong1Liu Jianhua1Song Ji2Gao Yifeng2Zhu Lijun1

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. International Copper Association Shanghai Office, Shanghai, 200020, China)

Many correlations have been proposed about R404A condensation heat transfer and pressure drop, but all of them apply for smooth tubes or microfin tubes with big diameter. Some correlations are based on 5 mm diameter tube, but the refrigerant is not R404A. Up to now, there is no correlation for R404A condensation heat transfer and pressure drop with 5 mm diameter tube. In this paper, a number of correlations were selected by variable-controlling and giving priority to refrigerant with similar properties, combining experimental test and theoretical calculation, deviation between the calculated and experimentally measured values have been compared through a large amount of data to demonstrate the applicability and revisability of the correlations. The research results indicate that modified condensation heat transfer correlation proposed by M.K.Dobson et al(multiplied by the correction factor 2.13) shows good predictability of condensation heat transfer coefficient of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -14.13% to +15.51%. The friction pressure drop correlation proposed by X.C. Huang et al can well predict the friction pressure drop of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -13.58% to +12.56%. Both correlations can provide more accurate theoretical guidance for the calculation and design of heat exchanger.

correlations; small diameter tube; condensation; heat transfer coefficient; pressure drop; R404A

0253- 4339(2017) 02- 0022- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.022

2016年7月13日

TK124；TB61+1

A

柳建華，男，教授，上海理工大學能源與動力工程學院，13817757889，E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向：制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配研究，制冷測試設備的應用研究。

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