换热器管内关联式文献整理之第二篇——5mm铜管内R410A含油制冷剂流动沸腾流型及换热特性研究

实验研究了R410A-油混合物在5.0mm光管内流动沸腾的流型及换热特性。实验结果表明，润滑油延迟流型向环状流和干涸流的转化，实验得出的流型与基于混合物性的流型图吻合较好；纯制冷剂R410A的换热系数随干度的增大先增大后减小，峰值出现在干度为0.7-0.8左右；对于R410A-油混合物，在干度小于0.6的工况下，油的存在总是增强换热，在干度为0.7时，换热系数随油浓度的增大先增加后减小；在干度大于0.8情况下，换热系数随油浓度和干度的增大迅速降低。在本文得出的5.0mm光管实验数据和已有文献关于7.0mm光管内的实验数据基础上，开发了基于流型和混合物性的流动沸腾换热关联式，新关联式可以很好地预测不同管径光管内的流动沸腾换热特性。

   

引言

   

环保替代工质R410A为近共沸混合物，温度滑移微小，是R22的理想替代物，正成为国际上空调器的主流制冷工质。在制冷系统中，由于制冷剂对油有较好的溶解性，当压缩机开始运行时，势必有一定量的润滑油随制冷剂循环进入制冷系统，从而影响管内流动沸腾的换热特性。为了节能和节材，目前换热器的设计越来越小型化，换热管的管外径从9.52mm开始，朝着8.0mm、7.0mm、6.35mm的方向发展，现在外径为5mm的铜管已经开始在小型换热器中试用，并成为国内各大空调公司研究开发的重点。因此，需要了解R410A-油混合物在5mm换热管内流动沸腾的换热特性。

   

按照Mehendal等对换热管径尺度的定义，管径为100μm-6mm的换热管为中尺度类型，介于常规尺度（管径大于6mm）和微尺度（管径为1μm-100μm）之间。相对于微尺度换热管，这种中尺度换热管更有可能被应用于实际的小型紧凑式换热器中，被称之为小管径换热管。由于毛细作用的存在，小管径换热管与常规尺度换热管内的换热特性是不相同的。目前已有文献对R410A-油混合物在管径大于6mm的常规尺度换热管内的流动沸腾换热特性进行了研究。但是到目前为止，尚未有R410A-油混合物在小管径换热管内流动沸腾换热特性的研究报道，已有的常规换热管内的研究结果，可能不适用于小管径。

   

因此，需要通过实验研究，分析润滑油对小管径内流型及换热特性的影响，并开发适用于小管径换热管的换热关联式。

   

1 实验装置与测试工况

   

1.1 实验装置    

   

实验装置如图1所示。实验装置共包括三个回路：制冷剂主回路、制冷剂旁通回路和润滑油回路。

   

 

图1 实验台示意图    

   

   

1.2 实验对象与测试工况    

   

实验对象为水平直光管，总长为1400mm，外径为5mm，内径为4.18mm。测试管外均匀布置电加热带，有效加热长度为1300mm，电加热带外包有隔热层和隔气层，经漏热分析表明，漏热量小于加热量的2%，可以认为测试段与环境绝热。实验所用制冷剂为R410A，润滑油为酯类油RB68EP。实验工况的蒸发温度为5℃，质流密度为（200-400）kg·m-2·s-1，热流密度为（6.91-13.81）kW·m-2，测试段入口的干度为0.1-0.8，平均油浓度为0-5%。

   

2 数据导出

   

2.1 换热系数    

   

纯制冷剂R410A和R410A-油混合物管内流动沸腾的换热系数，可分别根据下式导出：

   

 

   

考虑实验设备的测量精度，对换热特性的不确定性进行分析，换热系数的最大误差为±10.4%。      
   

   

2.2 平均油浓度    

   

平均油浓度定义为润滑油的质量流量与制冷剂-油混合物的质量流量的比值：

   

 

   

3 实验结果分析与关联式的开发

   

3.1 润滑油对小管径换热器管内流型的影响分析    

   

图2给出了实验观测得出的R410A-油混合物在小管径换热管内流动沸腾的流型，并给出了基于混合物物性、参照Wojtan流型开发的R410A-油混合物在小管径换热管内的流型图。

   

由图2可以看出，实验得出的流型与基于混合物物性的Wojtan流型图吻合较好。润滑油延迟环状流和干涸流的出现；在小干度工况下，润滑油的存在对流型的影响较小；在高干度工况下，润滑油的存在对流型的影响较大；在所测试的工况范围内，R410A-油混合物不存在雾状流型。

   

 

 

图2 润滑油对小管径光管内流动沸腾流型的影响      
   

   

3.2 润滑油对流动沸腾换热系数的影响分析    

   

图3给出了R410A-油混合物流动沸腾的换热系数随平均油浓度的变化。

   

由图3可以看出，换热系数随质流密度的增大而增大。在不同的质流密度工况下，纯制冷剂R410A的换热系数随干度的增大先增大，在干度为0.7-0.8左右时达到最大值，干度大于0.8时，换热系数随干度的增大急剧下降。这是因为在干度大于0.8情况下，流型逐渐向干涸流转化，气相制冷剂与管壁接触，液态制冷剂与管壁面的接触面积减少，导致换热系数的急剧减小。

   

在干度小于0.6时，润滑油的存在对换热起到增强作用；在干度为0.7时，换热系数随润滑油浓度的增加先增大后减小，在油浓度3%-4%左右时存在峰值；在干度大于0.8时，R410A-油混合物的换热系数随着油浓度和干度的增大迅速降低。这是由于润滑油的存在对混合物的换热有两方面的影响，一方面由于油的存在增大液相的表面张力，从而增大液相与管壁的接触面积，同时，油的存在增加发泡点，增强核态沸腾，从而增强两相换热；另一方面，由于液相粘度和表面张力的增大，对气泡的长大起到抑制作用，从而恶化换热。两方面影响因素的综合作用，决定了油的存在对混合物换热起增强或弱化作用；在干度小于0.6时，润滑油对换热的增强作用占主导地位，因为增强换热，干度大于0.8时，润滑油对换热的弱化作用占主导地位，从而恶化两相流动的换热特性。

   

 

 

图3 R410A-油混合物在小管径光管内的流动沸腾换热特性    

   

3.3 已有关联式预测值与实验数据的对比    

   

到目前为止，还没有R410A-油混合物在5mm小管径换热管内的换热关联式。文献中给出了预测R410A-油混合物在常规尺度换热管内的换热关联式，其预测值与本人实验数据的对比分析如图4所示。有图可见，已有关联式预测值与实验值的误差大于50%，不能适用于小管径光管。因为，有必要开发新的适用于小管径光管的换热关联式。

   

 

图4 已有关联式预测值与实验数据的对比    

   

3.4 R410A-油混合物在小管径光管内流动沸腾换热关联式的开发    

   

 

 

   

新的换热关联式的开发，关键是要求出式（8）中C和n的表达式。

   

 

   

 

 

   

由图5可以看出，不同油浓度工况下，R410A-油混合物在光管内的实验数据具有不同的斜率和节距，斜率和节距应该是油浓度的函数；而且7.0mm光管和5.0mm光管内的实验数据随 Rer,o,L 的变化趋势一致。因此，由公式（11）可以得出：

   

 

   

   

新的关联式预测值与实验值的对比如图6

   

 

 

图6 新的关联式预测值与实验值的对比      
   

   

   

由图可以看出，对于7mm管，新关联式预测值与96%的实验数据误差在±20%以内；对于5mm管，新关联式预测值与92%的实验数据的误差在±30%以内。关联式可以很好地预测R410A-油混合物在不同管径光管内流动沸腾的换热特性。

   

4 结论

   

（1）润滑油延迟环状流和干涸流的出现；在所测试的工况范围内，R410A-油混合物不存在雾状流型。实验观测出的流型与基于混合物性的流型图吻合较好。

   

（2）对于纯制冷剂的R410A，换热系数随干度的增大而增大，在干度为0.7-0.8左右时达到最大值，干度大于0.8时，由于出现干涸流，换热系数随干度的增大急剧下降。

   

（3）对于R410A-油混合物，在干度小于0.6时，润滑油的存在对换热起到增强作用；在干度为0.7时，换热系数随油浓度的增加先增大后减小，在油浓度为3%-4%左右时存在峰值；在干度大于0.8时，对于R410A-油混合物的换热系数随着平均油浓度的干度的增大迅速降低。

   

（4）基于混合物物性开发了R410A-油混合物在小管径光管内流动沸腾的换热关联式。对于7mm管，新关联式预测值与96%的实验数据误差在±20%以内；对于5mm管，新关联式预测值与92%的实验数据的误差在±30%以内。关联式可以很好地预测R410A-油混合物在不同管径光管内流动沸腾的换热特性。

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