Φ7mm管内HFC410A蒸发和冷凝性能的实验研究

密洁霞，陶乐仁，郑志皋，张庆钢，魏义平，程建，赵庆霞，高晓凯

(上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093)

Φ7mm管内HFC410A蒸发和冷凝性能的实验研究

密洁霞，陶乐仁，郑志皋，张庆钢，魏义平，程建，赵庆霞，高晓凯

(上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093)

介绍了一种自主研制的基于泵驱动制冷剂循环的管内蒸发和冷凝实验装置，它可以进行各种不同制冷剂、变流量的蒸发和冷凝实验;在该实验装置上进行的Φ7x0.23x0.18和Φ7x0.23x0.11管内HFC410A蒸发和冷凝性能的比较实验表明该实验装置是管内蒸发/冷凝性能研究和铜管开发的有力工具。

HFC410A;铜管;蒸发;冷凝;实验研究

1 引言

当前，如何应对能源危机和环境保护已经成为全社会日益关注的全球性问题，在家用空调行业，一方面，由于节能减排性能优越，高效的变频空调器越来越受到用户的青睐;另一方面，为了减少制冷剂对地球大气臭氧层的破坏，家用空调器正在逐步采用HFC410A等新型制冷剂来替代原来普遍使用的HCFC22。因此，空调器厂商都在竞相开发HFC410A变频空调器，其中，除变频HFC410A压缩机、电子膨胀阀等关键部件的开发外，蒸发器和冷凝器的开发也与采用HCFC22的定频空调器有显著不同:首先，HFC410A是一种近共沸制冷剂，其在管内的蒸发和冷凝特性不同于纯工质HCFC22;其次，制冷剂质量流率变化范围比较大(达到1∶4);这明显地影响到蒸发器和冷凝器的设计及控制，因此，空调器的整机开发需要铜管管内HFC410A蒸发和冷凝特性数据作为参考，所以各种不同制冷剂在管内蒸发和冷凝性能测试成为一个实验研究热点［1］。

原先，铜管管内蒸发和冷凝实验装置原理上基本上是基于压缩机驱动制冷剂循环［5］，当进行不同种类制冷剂的实验时，需要更换不同种类的压缩机，并且即使在压缩机的出口进行油分离处理，也不能保证实验绝对不受润滑油的影响［6］。近年，有研究机构(如ACRC)和厂商(如WOLVERINE［10］)开始采用基于泵驱动制冷剂循环的实验装置，无需更换泵即可以满足多种不同制冷剂的实验要求，同时可以避免油对实验的影响。但是，由于存在下述技术难题，现在应用还比较少。

(1)如何适应各种不同种类的制冷剂;

(2)如何避免泵吸入口的穴蚀而影响泵的正常运行;

(3)如何实现制冷剂质量流量的变化;

(4)如何兼顾蒸发和冷凝性能实验;

(5)如何消除制冷剂循环回路的振荡;

(6)如何有效地控制实验段进出口的过热度或过冷度;

(7)如何平衡宽量程的精确测量。

克服上述各种技术难题，上海理工大学成功研制出基于泵驱动制冷剂循环的单管管内蒸发和冷凝特性实验装置，它能够进行多种不同制冷剂、变质量流率的完全不受润滑油影响的管内蒸发实验和冷凝实验。

2 实验装置

2.1 实验装置原理

如图1所示，实验装置由制冷剂循环系统、冷冻水系统、实验段等组成。

图1 基于泵驱动制冷剂循环的换热器蒸发和冷凝实验装置原理框图

图1中，隔膜泵8、板式换热器13、电子膨胀阀2、实验段1、电子膨胀阀3、冷凝储液罐5和板式换热器6组成制冷剂循环回路，制冷剂流量由隔膜泵8的行程调节，由质量流量计12测量;冷冻水机组15、冷冻水泵16、恒温水箱17和水泵19、电动三通阀20、板式换热器6、板式换热器25、冷凝储液罐5组成冷冻水系统;实验段由3段逆流套管换热器组成，每段长约217cm，内管是待测试的铜管，外管是保温钢管，制冷剂在内管管内流动，水在套环内流动，由板式换热器25、恒温水箱26和水泵21组成套管式换热器的水循环回路，水流量由体积流量计27测量;另外，板式换热器13和水泵24、恒温水箱22组成一个制冷剂预热水回路。蒸发过程:板式换热器25不工作，制冷剂液体从冷凝储液器中出来经过板式换热器6，过冷后被液压隔膜泵8加压，利用恒温水箱22控制制冷剂的过冷度，液体通过电子膨胀阀2节流后在实验段进行蒸发实验，再回到储液器中冷凝;而冷凝过程:制冷剂液体从冷凝储液器中出来经过板式换热器6，过冷后被液压隔膜泵8加压后在板式换热器13中被加热而蒸发，饱和或过热的制冷剂气体在实验段冷凝，再回到储液器中。

制冷剂循环采用隔膜泵驱动，隔膜材料选用聚四氟乙烯，因此，可以适应现有的各种不同的制冷剂;同时由于隔膜的内外隔离效果，可以实现无润滑油影响的纯制冷剂循环。

图2 蒸发和冷凝性能实验的热力过程原理图

如图2所示，蒸发工况热力过程:4－1－5－6－7－3－4;而冷凝工况热力过程:2－3－8－9－10－2。

蒸发和冷凝工况时，控制参数的调节见表1。

表1 实验装置调节

2.2 换热系数计算方法［12］

其中

式中，Φ为换热量，·m为质量流量，cp为定压比容，T为温度，h为制冷剂的焓值，water表示水侧，refri表示制冷剂侧，out表示出口侧，in表示进口侧，error为精度，ΔTm为对数平均温差。

对于管道内的强制对流传热，最普遍的关联式是Dittus－Boelter公式:

(其中，c=0.023，m=0.8，加热流体时n=0.4，冷却流体时n=0.3)

式中，Fo为换热面积，K为传热系数，Re为雷诺数，Nu为努赛尔数，Pr为普朗特数，u为速度，Deo为当量直径，v为粘性系数，λ为导热系数。

3 管内蒸发和冷凝性能实验

为了强化换热器的传热和节约换热器材料，家用空调器用的铜管有不断小型化的趋势，目前，管径Φ7mm的铜管正在逐步替代管径Φ9.52mm铜管，因此，实验选用了新开发的两款Φ7mm铜管进行了管内HFC410A蒸发和冷凝性能的比较实验，铜管的几何参数见表2，图3为铜管的剖面图。

表2 铜管的几何参数

图3 铜管的剖面图

3.1 蒸发过程换热系数和阻力

如图4所示，蒸发工况管内侧换热系数与制冷剂质量流率之间呈上凸的抛物线关系，变化率逐渐减小:当质量流率从 150Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管换热系数从1800W/m2－K 迅速增长到 5200W/m2－s，Φ7x0.23x0.11铜管换热系数从1500W/m2－K迅速增长到4600W/m2－s;而当质量流率从300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管换热系数只从5200W/m2－K增长到约5900W/m2－s，Φ7x0.23x0.11铜管换热系数只从4600W/m2－K增长到约5200W/m2－s。

如图5所示，蒸发工况管内侧单位长度的压力降与制冷剂质量流率之间呈下凸的抛物线关系，变化率逐渐增大:当质量流率从150Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管单位长度的压力降从1.5KPa/m上升到5.7KPa/m，Φ7x0.23x0.11铜管单位长度的压力降从1.7KPa/m上升到6.0KPa/m;而当质量流率从300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管单位长度的压力降从5.7KPa/m上升到9.3KPa/m，Φ7x0.23x0.11铜管单位长度的压力降从6.0KPa/m上升到11.3KPa/m。

3.2 冷凝换热系数和阻力

如图6所示，冷凝工况管内侧换热系数与制冷剂质量流率之间呈上凸的抛物线关系，变化率逐渐减小:当质量流率从 120Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管换热系数从3000W/m2－K 迅速增长到 8700W/m2－s， Φ7x0.23x0.11铜管换热系数从2500W/m2－K迅速增长到7500W/m2－s;而当质量流率从300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管换热系数只从8700W/m2－K增长到约9000W/m2－s，Φ7x0.23x0.11铜管换热系数只从7500W/m2－K增长到约8100W/m2－s。

如图7所示，蒸发工况管内侧单位长度的压力降与制冷剂质量流率之间呈下凸的抛物线关系，变化率逐渐增大:当质量流率从120Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管单位长度的压力降从 0.4KPa/m 上升到 2.2KPa/m，Φ7x0.23x0.11铜管单位长度的压力降从0.3KPa/m上升到2.4KPa/m;而当质量流率从300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s时，Φ7x0.23x0.18铜管单位长度的压力降从2.2KPa/m上升到3.7KPa/m，Φ7x0.23x0.11铜管单位长度的压力降从2.4KPa/m上升到3.9KPa/m。

综上所述，冷凝工况的换热系数高于蒸发工况，而单位长度压力降低于蒸发工况;同时可见，Φ7x0.23x0.18铜管在蒸发和冷凝总体性能上略优于Φ7x0.23x0.11铜管。

4 结论

基于泵驱动制冷剂循环的管内蒸发和冷凝实验装置优于基于压缩机驱动制冷剂循环的实验装置，能够进行多种不同制冷剂、变质量流率的管内蒸发实验和冷凝实验，且可以彻底避免润滑油对蒸发和冷凝性能的影响。从以上的实验数据可以分析得出以下几点结论:

(1)冷凝工况的换热系数高于蒸发工况，而单位长度压力降低于蒸发工况。

(2)蒸发过程的换热系数与质量流率关系呈凸抛物线，变化率逐渐减小;流动阻力呈凹抛物线，变化率逐渐增大。

(3)冷凝过程的换热系数与质量流率关系呈凸抛物线，变化率逐渐减小;流动阻力呈凹抛物线，变化率逐渐增大。

(4)Φ7x0.23x0.18铜管的流动换热性能略优于Φ7x0.23x0.11铜管。

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［12］ JB/T 10503－2005，空调与制冷用高效换热管［S］.

Experimental Study on HFC410A Evaporation and Condensation Performance in Φ7mm Tube

MI Jie－xia，TAO Le－ren，ZHENG Zhi－gao，ZHANG Qing－gang，WEI Yi－ping，CHENG Jian，ZHAO Qing－xia，GAO Xiao－kai
(School of Energy＆Power Engineering，Shanghai University of Science and Technology，Shanghai 200093，China)

This paper introduces an independent research experiment device，which based on evaporation and condensate in pump drive cooling refrigerant cycle tube.This device could be used for different evaporation and condensate test of refrigerant and Variable flow.Through HFC410A evaporation and condensate ability test in Φ7x0.23x0.18 and Φ7x0.23x0.11 tube on this device，the result shows this device a strong ability instrument for copper tube＇s evaporation and condensate ability test.

HFC410A;copper tube;evaporation;condensation;experimental study

book=25,ebook=13

TB61

A

1009－3842(2012)05－0025－04

2012－07－02

国家高技术研究发展谋划项目(2008AA05Z204)

密洁霞(1987－)，女，广东肇庆人，研究生，主要从事单管换热性能实验研究。E－mail:jiexiamilove@163.com