矩形管內(nèi)R134a兩相流動壓降特性分析

劉猛洪

（濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，山東濟(jì)寧272037）

矩形管內(nèi)R134a兩相流動壓降特性分析

劉猛洪*

（濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，山東濟(jì)寧272037）

為研究水力工況、換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱管內(nèi)制冷劑功耗的影響，本實(shí)驗(yàn)選用了R134a為工質(zhì)，以干度、質(zhì)量流量、飽和溫度、熱流密度、換熱管水力半徑為影響因素，以壓降為制冷劑在換熱管內(nèi)功耗損失的衡量指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：R134a在換熱管內(nèi)的壓降隨著干度值、質(zhì)量流量的增加而增加，隨著換熱管管徑的減小、飽和溫度的降低而增大；熱流密度對制冷劑在換熱管內(nèi)的影響并不大。

流動冷凝；R134a；熱流密度；質(zhì)量流量；干度

0 引言

隨著能源危機(jī)的加深、環(huán)境污染的加重，能源的高效利用逐漸成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。由早期的二維矩形、梯形低肋管發(fā)展到現(xiàn)在的三維強(qiáng)化管（如Thermoexcel-C管、Turbo-C管等）[1-2]，各種強(qiáng)化管憑借其換熱效率高、占地面積小、工質(zhì)充注量低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種換熱器中，但換熱效果的提高一般伴有能耗的增加，為進(jìn)一步降低制冷劑在換熱管內(nèi)的能量損失，諸多研究者從實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算模型兩個(gè)方面著手分析了高效換熱管內(nèi)的功耗機(jī)理。

理論計(jì)算中假定兩相換熱壓降是單相換熱壓降的倍數(shù)，并在此基礎(chǔ)上延伸出適用于各工況及新型換熱管道的預(yù)測模型[3-6]。此外，HOSSAIN 等[7]選用R1234ze(E)、R32和R410A這3種制冷劑在光管內(nèi)進(jìn)行了冷凝實(shí)驗(yàn)，分析了質(zhì)量流量、飽和溫度、制冷劑物性對壓降的影響，并把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓降關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對比，進(jìn)而對關(guān)聯(lián)式的實(shí)用性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。CAVALLINI等[8]同樣選用一些新型氫氟烴制冷劑為工質(zhì)在水平光管內(nèi)進(jìn)行了流動冷凝實(shí)驗(yàn)，除了對干度、質(zhì)量流量、飽和溫度、溫差等因素對換熱特性的影響進(jìn)行分析外，還在實(shí)驗(yàn)工況對流型影響的基礎(chǔ)上對換熱預(yù)測模型進(jìn)行了實(shí)用性驗(yàn)證。ZHANG 等[9]選用冷凝溫度為 30 ℃和 40 ℃、質(zhì)量通量為300 kg/m2s ～600 kg/m2s的實(shí)驗(yàn)工況，在內(nèi)徑為1.088 mm和1.289 mm的微型管進(jìn)行了 R22、R410A、R407C的冷凝換熱研究，除了分析外界工況對換熱系數(shù)、壓降的影響外，還將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對比。

國內(nèi)許多相關(guān)研究[10-15]取得了一定成就。寧靜紅等[10]對R290在水平管內(nèi)的冷凝換熱和壓降的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了匯總。張雪東等[11]也對替代工質(zhì)在水平管內(nèi)的流動冷凝換熱進(jìn)行了綜述研究。鮑偉等[12]對低沸點(diǎn)工質(zhì)在微通道內(nèi)的流動沸騰壓降特性進(jìn)行了分析研究。邱金友等[13]以R1234zw(E)為工質(zhì)研究了其在水平圓管內(nèi)的流動沸騰換熱過程中的壓降特性。但是，大多數(shù)分析研究均在沸騰換熱的基礎(chǔ)上進(jìn)行，對冷凝實(shí)驗(yàn)的壓降換熱特性分析較小。

本研究以R134a為制冷劑，在兩種不同孔徑方形管內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以干度、質(zhì)量流量、飽和溫度、熱流密度、強(qiáng)化管結(jié)構(gòu)參數(shù)為研究對象，以壓降為制冷劑在換熱管內(nèi)能耗損失的衡量指標(biāo)，分析了水力工況、管型結(jié)構(gòu)對工質(zhì)流體在不同強(qiáng)化管內(nèi)功耗的影響，為研發(fā)出節(jié)能換熱器提供方向。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

冷凝實(shí)驗(yàn)在一單管換熱實(shí)驗(yàn)平臺上運(yùn)行，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。為避免潤滑油對實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，系統(tǒng)采用隔膜泵代替壓縮機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供循環(huán)動力，通過調(diào)節(jié)隔膜泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率及運(yùn)轉(zhuǎn)行程來調(diào)節(jié)制冷劑循環(huán)流量。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三大部分：制冷劑循環(huán)、冷凍水循環(huán)、測試水循環(huán)。制冷劑循環(huán)中，過冷制冷劑在泵的驅(qū)動下由儲液器流出流向預(yù)熱器，在預(yù)熱器內(nèi)被加熱到測試管要求的進(jìn)口狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱器內(nèi)加熱電壓、電流來調(diào)整其對制冷劑的加熱量。兩相制冷劑在測試管內(nèi)通過與管外的測試水進(jìn)行熱量交換完成冷凝實(shí)驗(yàn)。通過測試管兩側(cè)的視液鏡觀察制冷劑在測試管進(jìn)出口狀態(tài)。兩相制冷劑在冷凝器內(nèi)完全冷凝，達(dá)到過冷狀態(tài)后進(jìn)入儲液器，進(jìn)行下一步循環(huán)。冷凍水循環(huán)、測試水循環(huán)中除配有泵、流量計(jì)外，還配有恒溫水箱，通過調(diào)節(jié)恒溫水箱溫度來模擬恒定的外界實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)段為一逆流套管式冷凝器，具體結(jié)構(gòu)圖見圖 2；制冷劑在測試管內(nèi)流動，測試水在環(huán)形管道內(nèi)流動。在不銹鋼套管外套有保溫層，以減小實(shí)驗(yàn)段漏熱損失、確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測試管選用兩種不同型號矩形管，其截面圖見圖3，具體尺寸參數(shù)見表1。

圖2 實(shí)驗(yàn)段示意圖

圖3 測試管截面圖

表1 測試管尺寸參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用精度為0.1 ℃的PT100鉑電阻測量制冷劑及測試水溫度，所有鉑電阻使用前均進(jìn)行水浴標(biāo)定，所得相對誤差均小于0.1%；選用量程為0～42 bar、測量精度為0.2級的德魯克GE5072型號壓力變送器對制冷劑在測試管進(jìn)出口的壓力及儲液器壓力進(jìn)行測量；采用由RHM03傳感器與RHE14變送器組成的量程為 0.05 kg/min～6 kg/min、測量精度為0.1%的質(zhì)量流量計(jì)測量制冷劑循環(huán)流量；選用控制-顯示一體型電磁流量計(jì)測量測試水流量，精度為0.5級。實(shí)驗(yàn)中，制冷劑壓降由壓力變送器直接測量獲得，因此，所選壓力變送器的精度直接關(guān)系到壓降的測量精度；實(shí)驗(yàn)選用量程為 0～0.06 MPa、精度為±0.1%的EJA110A型壓差變送器對壓降進(jìn)行直接測量，完全符合實(shí)驗(yàn)的測量要求。

實(shí)驗(yàn)選用R134a為測試工質(zhì)，在不同溫度條件下其具體物性參數(shù)見表 2。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，外界水力工況設(shè)定為：質(zhì)量流量 350 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)，熱流密度15 kW/m2～25 kW/m2，飽和溫度35 ℃～45 ℃，干度 0.1～0.8.

表2 R134a物性參數(shù)

2 數(shù)據(jù)分析

制冷劑在測試管內(nèi)的壓降主要由摩擦壓降、加速壓降、重力壓降三部分組成[16]，由于實(shí)驗(yàn)中測試管水平放置，故重力壓降可以忽略不計(jì)；考慮制冷劑在測試管與實(shí)驗(yàn)臺管道之間流動孔徑的突變，制冷劑壓降考慮了突變壓降（包括突漲壓降、突縮壓降兩部分）。由于實(shí)驗(yàn)裝置的局限性，本實(shí)驗(yàn)利用壓差變送器直接測量的制冷劑流過測試管的壓力損失為總壓降，數(shù)據(jù)分析中加速壓降及突變壓降均經(jīng)計(jì)算獲得。

制冷劑在測試管進(jìn)口焓值：

式中：

il——制冷劑在預(yù)熱器進(jìn)口處焓值；

Q——在預(yù)熱器內(nèi)對制冷劑的加熱量；

mr——制冷劑在系統(tǒng)的質(zhì)量流量。

制冷劑在測試管出口焓值：

公式(2)中，QT為制冷劑在測試管與管外水循環(huán)之間的換熱量[17]：

制冷劑在測試管進(jìn)口干度值：

公式(4)中，iTl為制冷劑在對應(yīng)飽和壓力下的液體焓值；iv為制冷劑在對應(yīng)飽和壓力下的氣化潛熱值。

制冷劑在測試管出口處干度值：

實(shí)驗(yàn)中，以制冷劑在測試管進(jìn)出口干度的平均值作為制冷劑在測試管內(nèi)換熱干度值的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，即：

突擴(kuò)壓降[11]：

突縮壓降[11]：

加速壓降：

公式(9)中，ρl、ρv分別為制冷劑在飽和壓力下的液體、氣體密度；α可由公式(10)計(jì)算可得：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)旨在研究外界水力工況、管型尺寸對制冷劑在測試管內(nèi)壓降的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)選用制冷劑質(zhì)量流量、飽和溫度、熱流密度和干度值來表征外界水力工況，選用管徑來表征管型尺寸，選用壓降作為換熱功耗的衡量指標(biāo)。

3.1 壓降組分比重

在 350 kg/m2s質(zhì)量流量和 40 ℃飽和溫度下，壓降各組成成分在不同熱流密度下所占比重如圖 4所示。結(jié)果顯示摩擦壓降約占實(shí)驗(yàn)所測總壓降的90%左右，突變壓降、加速壓降所占比重之和小于總壓降的10%。所以，水力工況及管型尺寸對壓降的影響可以通過兩者對摩擦壓降的影響進(jìn)行解釋。

3.2 水力工況下對壓降的影響

實(shí)驗(yàn)中，在對水力工況對壓降的影響進(jìn)行研究時(shí)，選擇1#測試管為研究對象。在熱流密度為25 kW/m2、飽和溫度為40 ℃的工況下，探究干度和質(zhì)量流量對壓降的影響，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖可知，制冷劑在測試管內(nèi)的壓降隨著干度值的增加、制冷劑質(zhì)量流量的增大而增大，且對應(yīng)干度值越大，其質(zhì)量流量對壓降的影響比值越大。這主要是因?yàn)橹评鋭┑臍庖核俣炔铍S著干度的增加、質(zhì)量流量的增大而增大，進(jìn)而導(dǎo)致管內(nèi)制冷劑氣液界面剪切力的增大，這不僅會導(dǎo)致氣液界面間摩擦壓降的增大，還導(dǎo)致制冷劑液膜與內(nèi)壁面之間摩擦壓降的增加，進(jìn)而增加制冷劑在管內(nèi)的流動功耗[18-19]。

圖4 壓降成分比重與熱流密度的關(guān)系

飽和溫度對換熱壓降的影響如圖6所示，在350 kg/m2s和15 kW/m2的實(shí)驗(yàn)工況下，換熱壓降隨著冷凝溫度的升高而逐漸降低。可能的原因分析如下：R134a的液體粘度隨著飽和溫度的降低而增加，導(dǎo)致制冷劑液膜與管內(nèi)壁之間摩擦壓降的增加；R134a氣液密度比隨著飽和溫度的增加而增大，進(jìn)而引起氣液速度差隨著飽和溫度的增大而減小，這些均會導(dǎo)致較大的剪切力，造成氣液界面間更大的摩擦損失。

冷凝實(shí)驗(yàn)中，制冷劑蒸汽與管內(nèi)壁之間的換熱必須通過液膜，液膜的換熱特性直接影響到整體的換熱特性。在 40 ℃飽和溫度和 500 kg/m2s質(zhì)量流量的條件下，壓降與熱流密度之間的關(guān)系如圖7所示。由圖可知，在相同干度值、不同熱流密度值的條件下，制冷劑壓降的區(qū)別并不大，即熱流密度對壓降的影響極小。這就表明熱流密度對管內(nèi)液膜的粘度、密度和導(dǎo)熱系數(shù)等理化參數(shù)的影響較小，不足以對制冷劑在管內(nèi)的功耗損失產(chǎn)生較大干擾。

圖5 壓降與質(zhì)量流量的關(guān)系

圖6 壓降與飽和溫度的關(guān)系

圖7 壓降與熱流密度的關(guān)系

3.3 矩形管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓降的影響

由于換熱管均為矩形管，所以選用水力半徑（Hydraulic Radius，hr）來表征測試管內(nèi)徑。為了研究不同尺寸測試管內(nèi)壓降的不同，實(shí)驗(yàn)臺上同樣運(yùn)行了40 ℃飽和溫度、500 kg/m2s質(zhì)量流量、25 kW/m2熱流密度的水力條件下的兩種測試管內(nèi)的壓降實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8所示。1#管壓降明顯高于2#管，且1#管壓降約為2#管壓降的1.19倍。雖然制冷劑在兩測試管內(nèi)具有相同的質(zhì)量速度[20]，但其在測試管90o拐角處，在制冷劑表面張力的作用下，小管徑測試管中的液膜沉積更嚴(yán)重，液膜厚度增大，顯著加大了制冷劑壓降，導(dǎo)致制冷劑在1#管流動時(shí)消耗更多能量。

圖8 壓降與管型尺寸的關(guān)系

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)以R134a為工質(zhì)，在兩種不同尺寸矩形管內(nèi)，以質(zhì)量流量、飽和溫度、熱流密度和測試管結(jié)構(gòu)參數(shù)為研究對象，以壓降為制冷劑在換熱管內(nèi)能耗損失的衡量指標(biāo)，分析了水力工況、管型結(jié)構(gòu)對制冷劑在矩形管內(nèi)壓降特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）制冷劑壓降隨著干度、質(zhì)量流量的增加而增大，隨著飽和溫度的增大而降低，熱流密度對管內(nèi)壓降的影響較??；

2）制冷劑在小管徑測試管內(nèi)的流動壓降更大，當(dāng)水力直徑由1.2 mm減小到1.1 mm時(shí)，壓降增大了19%。

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Analysis on Two-phase Flow Pressure Drop Characteristics of R134a inside Rectangular Tube

LIU Menghong*
(Department of Automotive Engineering, Jining Polytechnic, Jining, Shangdong 272037, China)

To study the influences of working conditions and structural parameters of the heat transfer tube on the refrigerant power consumption inside the heat transfer tube, R134a was selected as the working fluid, and the vapor quality, mass flux, saturation temperature, heat flux and inner diameter of the heat transfer tube were selected as the influence factors; the pressure drop was used as the measurement index of refrigerant power consumption inside heat transfer tube. The experimental results show that pressure drop of R134a inside the heat transfer tube increases with increasing vapor quality and mass flux, and it increases with decreasing saturation temperature and inner diameter of the heat transfer tube; heat flux has little effect on the pressure drop.

Flow condensation; R134a; Heat flux; Mass flux; Vapor quality

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.202

*劉猛洪（1975-），男，副教授。研究方向：汽車設(shè)計(jì)、汽車空調(diào)制冷。聯(lián)系地址：濟(jì)寧市任城區(qū)金宇路3號，郵編：272037。聯(lián)系電話：15216768626。E-mail：jiazhibin152@163.com。