R290和R22在水平细圆管内流动凝结换热的实验研究

肖航　李俊明（清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室　北京　100084）

R290和R22在水平细圆管内流动凝结换热的实验研究

肖航李俊明
（清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084）

实验研究了R290、R22在细圆管中的流动凝结换热特性。实验管内径为1.085 mm，R22的质量流率为200～1200 kg/ （m2.s），R290的质量流率为200～650 kg/（m2.s），饱和温度分别为40℃与50℃。实验结果表明，高质量流率时R22在较高干度下换热系数随干度增加缓慢或略有下降，低质量流率时，R290在较小干度下出现换热系数下降。两种制冷剂蒸气相比，相同条件下R290的凝结换热系数高于R22的。本文的实验结果还与现有典型关联式的计算结果作了对比，其中，Wang et al. （2002）关联式对R290的实验数据预测偏差在17.5％之内，Kim et al.（2013）关联式对R22的实验数据预测偏差在18.4％之内。

微细通道；流动凝结；对流换热；R290

由于HCFCs类制冷剂对臭氧层的破坏且温室效应明显，寻求合适的环保制冷剂是制冷行业近年来的研究热点。由于自然工质具有零 ODP值和极低的GWP值的特点，不存在人工合成工质可能具有的潜在威胁［1］，因此成为了部分学者关注的对象。在拟选用的R22替代物之中，R290（丙烷）的ODP值为0， GWP值小于20，热力学性能优良，是家用空调拟选的重要替代工质之一［2-3］。

选择R290等碳氢化合物类物质用作家用空调制冷剂时，其可燃性是必需应对的重要公共安全问题。目前的主要方向为严格控制其在系统中的充灌量。由于微细通道换热器换热性优异，并可明显减少充灌量［4-5］，且易于适应设备的紧凑化，因而受到广泛关注。在微通道换热器扁管子通道尺寸范围（0.5 ～1.2 mm）内制冷剂蒸气的凝结换热特性研究，具有重要应用价值。

近年来，Kim S M等［6-7］收集了来自36个研究者共7115个关于绝热气液混合物、绝热两相流和两相流凝结换热的压降实验数据，这些实验数据包含17种制冷剂。他们将收集的数据与现有25个关联式的计算结果进行了比较，并提出了一种新的关联式，该关联式对所有数据的绝对偏差在23.3％之内。Park J E等［8］做了一种新型制冷剂R1234ze（E）在水力直径为1.45 mm多通道管中的凝结换热实验，并与R134a和R236fa的实验结果进行了比较，之后提出了一种新的换热关联式。

Nema G等［9］根据现有R134a的凝结流型数据提出了一种新流型转变条件，其中包括间歇流、波状流、环状流、雾状流和弥散流。Wu J等［10］和Chen Y等［11］进行了蒸气在微通道矩形和三角形管中凝结的可视化实验，实验中观测到了雾状流、环状流、间歇流及弹状流，并发现在矩形管中，间歇流出现的位置随着雷诺数的增加而延后；在三角形管中，质量流率的增加和水力直径的增大会导致间歇流的出现延后；在这两种管型中，间歇流的频率随雷诺数和韦伯数增加而增加。

Del Col D等［12］使用R134a和R32通过实验研究了微通道管的倾斜对凝结换热的影响，管道的倾斜范围为与水平夹角15°～90°，流动分为上升流和下降流。他们的结论为：上升流动时，管道倾斜对凝结换热的减弱有较小的影响；下降流动时，质量流率较低时，管道倾斜对凝结换热的减弱有很大的影响。

本文以R290和R22在细圆管内的流动凝结换热规律对比作为主要内容进行了实验研究，并采用本文的实验数据与现有关联式进行了比较。

1　实验系统及数据处理

1.1实验系统

实验系统的流程如图1所示。实验时，储液灌中的加热器将制冷剂的压力提高至设定工况的压力，制冷剂通过磁力齿轮泵驱动，流经过滤器、质量流量计和预热器，在预热器中被加热至设定的温度，此时制冷剂为饱和蒸气或具有一定干度的气液两相混合物，在实验段中被冷却水冷却。通过控制预热器加热功率，保证制冷剂在实验段出口不为过冷液体。制冷剂流出实验段后，在过冷段中继续冷却为过冷液体，随后回到储液罐。

图1　实验系统Fig.1 The experiment system

图2所示为实验段截面图。实验段为不锈钢圆管，内径为1.085 mm，外径为1.98 mm；换热长度为328.2 mm。具体的实验工况由表1中给出。图3所示为实验段凝结换热示意图。细圆管通过变径四通接头与实验台连接，管内的制冷剂被冷却水以逆流的方式冷却。6个T型热电偶均匀的布置于管壁测量壁温。

图2　实验管截面图Fig.2 The cross-section of test tube

图3　实验段示意图Fig.3 Schematic view of teat section

在预热器的进口和实验段的进出口分别使用铂电阻和压力传感器测量制冷剂的温度和压力，并用差压传感器测量实验段的流动压降。在水套的进出口处放置铂电阻测量冷却水的进出口温度，制冷剂的流量通过质量流量计测得。

1.2数据处理

实验段冷却水的换热量为：

式中：Qc为冷却水换热量，W；cp为冷却水定压比热容，J/（kg.K）；mc为冷却水流量，kg/s；tc1为冷却水进入水套的进口温度，℃；tc2为出口温度，℃。

制冷剂进入实验段的进口干度为：

式中：xin为制冷剂进口干度；U为预热段加热电阻丝电压，V；I为电阻丝电流，A；mr为制冷剂流量，kg/s；hp为预热前制冷剂焓值，J/kg；hs为实验前制冷剂焓值，J/kg；hfg为制冷剂汽化潜热，J/kg。

由于冷却水的换热量等于制冷剂在实验段中的换热量，于是制冷剂出口干度xout可以表示如下：

表1　实验工况Tab.1 Experimental conditions

冷却水的换热量同时等于细圆管壁跟制冷剂的换热量。于是有：

式中：Δt为实验管外壁面与制冷剂的温差，℃；h为制冷剂凝结换热系数，W/（m2.K）；A为内壁面换热面积，m2；δ为实验管的壁厚，m；k为实验管的导热系数，W/（m.K）。由此推导出制冷剂凝结换热系数h的计算式为：

2　实验结果及分析

2.1R290和R22的实验结果

图4～图7分别是R22和R290在40℃和50℃饱和温度时的凝结换热系数随质量流率和干度的变化。从图中可看出，对两种制冷剂，Nu数均随质量流率和干度的增加而增加。中低干度时，质量流率一定的情况下，Nu数增长较快；在高干度时，Nu数增加较为平缓。对R22，在质量流率较大的情况下，Nu数甚至出现下降。这可能是质量流率较大时，气液两相的速度差也较大，高干度时，管壁上出现蒸气单相对流换热的区域增大，导致换热能力的下降。

图4　饱和温度40℃时R290的Nu数随干度变化Fig.4 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 40℃for R290

图5　饱和温度50℃时R290的Nu数随干度变化Fig.5 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 50℃for R290

图6　饱和温度40℃时R22的Nu数随干度变化Fig.6 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 40℃ for R22

在R290的实验数据中，质量流率较低时，Nu数并不随干度单调上升，在某一较低干度时，Nu数出现下降现象。这可能是由于在较小的质量流率时，管道中的流型存在弹状流向环状流的转变，转变初期气液两相的接触面积和气相对液相的界面剪切力略有下降，影响了气液两相之间的换热。

图7　饱和温度50℃时R22的Nu数随干度变化Fig.7 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 50℃ for R22

2.2R290与R22换热能力比较

图8和图9是R290与R22在饱和温度为40℃和50℃时换热系数的对比情况。在质量流率范围200～650 kg/（m2.s）的情况下，R290的换热系数在总体上大于R22的换热系数。在40℃饱和温度下，R22与R290的差距明显，但在50℃饱和温度下，换热系数的差距较小。并且换热系数的差距在低质量流率和低干度下较大，而高质量流率和高干度下较小。

图8　R22和R290在40℃饱和温度下凝结换热系数的对比Fig.8 Condensation heat transfer coefficients comparison between R22 and R290 at saturation temperature 40℃

图9　R22和R290在50℃饱和温度下凝结换热系数的对比Fig.9 Condensation heat transfer coefficients comparison between R22 and R290 at saturation temperature 50℃

2.3实验数据与关联式的对比

选取了 Kim et al.（2013）［13］、Koyama et al. （2003）［14］、Bohdal et al.（2011）［15］和 Wang et al. （2002）［16］四种关联式的计算结果与本文的实验结果进行了比较。结果见图10、图11。

其中，Kim et al.（2013）关联式基于4045个实验数据拟合得出，数据中包含多种类型的制冷剂；Koyama et al.（2003）关联式依据R134a在多通道管中的实验数据，基于对Haraguchi et al关联式的改进得出；Bohdal et al.（2011）关联式基于作者关于R134a和R404A在微通道管中的实验数据拟合得出；Wang et al.（2002）关联式基于数值模拟与分析得出。

实验数据与关联式的预测值对比时，绝对偏差的定义如下：

由图可见，Kim et al.（2013）关联式对R22的实验数据预测最好，70.9％的数据预测的误差在± 20％之内。在中低干度与中小质量流率工况下，关联式的预测结果较为准确；在高干度、高质量流率的情况下，关联式的预测结果偏高。Koyama et al. （2003）关联式的预测结果总体偏低，最大误差为28.2％。实验数据集中在-20％的误差线上，集中度较好。Bohdal et al.（2011）关联式的预测值明显高于实验值，整体偏差为132.7％。Wang et al. （2002）关联式整体预测较好，79.7％的数据预测误差在±30％之内，在高质量流率和高干度时，关联式预测结果偏高。

图10　R22实验结果与现有主要关联式的对比Fig.10 Comparison of the experimental results from some of the existing correlations

图11　R290实验结果现有主要关联式的对比Fig.11 Comparison of the experimental results from R290 with some of the existing correlations

在质量流率和干度不高的工况下，Kim et al. （2013）关联式对R290的预测结果较好，高质量流率和高干度的情况下，预测结果偏高。整体预测的偏差为25.7％，仅有45.3％的数据预测在±20％之内。相比之下，Koyama et al.（2003）关联式对R290的预测更好，整体预测偏差为 19.8％，有54.8％的数据预测在±20％之内。在中低质量流率和干度时，关联式的预测结果偏低，在高质量流率、干度时，关联式的预测结果较好。Bohdal et al. （2011）关联式的预测结果与R22时的相似，整体偏差为125.0％；Wang et al.（2002）关联式的预测结果最好，整体偏差为17.5％。

3　结论

本文通过实验研究了R290和R22蒸气在细圆管中的凝结换热特性、对比分析了实验结果，得出以下结论：

1）R290和R22蒸气的凝结换热系数均随质量流率和干度的增加而增加。在低质量流率时，R290的凝结换热系数会有所下降；R22在较高质量流率和较高干度时，凝结换热系数出现随干度增加的下降。

2）相同工况下，R290的凝结换热系数总体上大于R22的。

3）Kim et al.（2013）关联式对R22的实验数据预测最好，Wang et al.（2002）关联式对R290的实验数据预测最好，Bohdal et al.（2011）关联式对二者的预测都有较大的偏差。

［1］何国庚，刘璇斐.R290在小型空调器中替代 R22的优势与问题及其解决措施［J］.制冷与空调（北京），2008，8（2）：58-62.（He Guogeng，Liu Xuanfei.The advantages and problems and their solutions of small air-conditioner using R290 to substitute for R22［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2008，8（2）：58-62.）

［2］李廷勋，杨九铭，曾昭顺，等.R290灌注式替代R22空调整机性能研究［J］.制冷学报，2010，31（4）：31-34. （Li Tinxun，Yang Jiuming，Zeng Zhaoshun，et al.Experiment on R290 substituting for R22 in a room air-conditioner ［J］.Journal of Refrigeration，2010，31（4）：31-34.）

［3］常琳，祝伟.制冷剂 R290的国内研究进展［J］.制冷与空调（北京），2011，11（3）：65-68.（Chang Lin，Zhu Wei.Research progress of refrigerant R290 in China［J］. Refrigeration and Air-conditioning，2011，11（3）：65-68.）

［4］钟毅，尹建成，潘晟旻.微通道换热器研究进展［J］.制冷与空调，2009，9（5）：1-4.（Zhong Yi，Yin Jiancheng，Pan Shengmin.Research development of microchannel heat exchanger［J］.Refrigeration and Air Conditioning，2009，9（5）：1-4.）

［5］饶荣水，陈俊伟，蔡宗军，等.微通道换热器在空调器上的应用研究［J］.制冷与空调（北京），2009，9（4）：63-66.（Rao Rongshui，Chen Junwei，Cai Zongjun，et al. Application investigation of micro channel heat exchanger on air conditioner［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2009，9（4）：63-66.）

［6］Kim S M，Mudawar I.Universal approach to predicting two-phase frictional pressure drop for adiabaticand condensing mini/micro-channel flows［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55（11/12）：3246-3261.

［7］Kim S M，Mudawar I.Review of databases and predictive methods for pressure drop in adiabatic，condensing and boiling mini/micro-channel flows［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，77：74-97.

［8］Park J E，Vakili-Farahani F，Consolini L，et al.Experimental study on condensation heat transfer in vertical minichannels for new refrigerant R1234ze（E）versus R134a and R236fa［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2011，35（3）：442-454.

［9］Nema G，Garimella S，Fronk B M.Flow regime transitions during condensation in microchannels［J］.International Journal of Refrigeration，2014，40：227-240.

［10］Wu J，Shi M，Chen Y，et al.Visualization study of steam condensation in wide rectangular silicon microchannels ［J］.International Journal of Thermal Sciences，2010，49 （6）：922-930.

［11］Chen Y，Wu R，Shi M，et al.Visualization study of steam condensation in triangular microchannels［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52（21）：5122-5129.

［12］Del Col D，Bortolato M，Azzolin M，et al.Effect of inclination during condensation inside a square cross section minichannel［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，78：760-777.

［13］Kim S M，Mudawar I.Universal approach to predicting heat transfer coefficient for condensing mini/micro-channel flow［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，56（1）：238-250.

［14］Koyama S，Kuwahara K，Nakashita K.Condensation of refrigerant in a multi-port channel［C］//ASME 2003 1st International Conference on Microchannels and Minichannels.American Society of Mechanical Engineers，2003：193-205.

［15］Bohdal T，Charun H，Sikora M.Comparative investigations of the condensation of R134a and R404A refrigerants in pipe minichannels［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2011，54（9）：1963-1974.

［16］Wang W W W，Radcliff T D，Christensen R N.A condensation heat transfer correlation for millimeter-scale tubingwith flow regime transition［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26（5）：473-485.

About the corresponding author

Li Junming，male，Ph.D.，professor，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，+86 10-62771001，E-mail：lijm @mail.tsinghua.edu.cn.Research fields：flow and heat transfer in micro and mini channels，renewable energy application and energy conservation in air conditioning and refrigeration engineering.

Experimental Study on the Flow Condensation Heat Transfer of R290 and R22 in a Horizontal Circular Minitube

Xiao Hang Li Junming

（Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084，China）

The condensation heat transfer characteristics of R290 and R22 were investigated experimentally in a horizontal circular minitube with 1.085 mm diameter.The mass flow rate of R22 is 200-1200 kg/（m2.s），and that of R290 is 200-650 kg/（m2.s）.The saturation temperature is 40℃ and 50℃ respectively during the experiment.The experimental results show that at the higher mass flow rate of R22，the condensation heat transfer coefficient increases slowly or even decreases little with the vapor quality increasing，for the R290 at a less mass flow rate，the heat transfer coefficient will decreases slightly at a low vapor quality.The condensation heat transfer coefficient of R290 is higher than that of the R22 at the same experimental conditions.The experimental results are also compared with some of the existing correlations，which shows that the Wang et al.（2002）correlation predicts the experimental data of R290 very well，with an overall mean absolute error of 17.5％，while Kim et al.（2013）correlation makes the best prediction to the R22's data，with an overall mean absolute error of 18.4％.

minichannel；flow condensation；convective heat transfer；R290

TK124；TB61+2；TB657.5

A

0253-4339（2015）05-0022-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.022

国家自然科学基金创新研究群体项目 （51321002）、环境保护部环境保护对外合作项目和国家科技支撑计划项目（2012BAA13B02）资助。（The project was supported by the Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China（No.51321002），the Foreign Economic Cooperation Office （FECO），Ministry of Environmental Protection of China and Key Technologies R&D Program of China（No.2012BAA13B02）.）

2015年2月7日

简介

李俊明，男，博士，教授，清华大学热能工程系，（010）62771001，E-mail：lijm@mail.tsinghua.edu.cn。研究方向：微细流动与传热，空调制冷系统可再生能源利用与节能。