R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的研究进展

邹思凯，戴源德，何国庚

（1南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031；2华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074）

R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的研究进展

邹思凯1，戴源德1，何国庚2

（1南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031；2华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074）

R290（丙烷）及其混合制冷剂具有优秀的环保性和热物性，是理想的替代制冷剂，但存在可燃的问题。通过对R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的研究，可以优化制冷系统的换热器，减少充灌量，降低R290及其混合制冷剂的可燃性。本文综述了国内外R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的研究，表明R290及其混合制冷剂拥有接近或超越传统合成制冷剂的相变换热性能。列出并对比了相关研究中得到的相变换热关联式，汇总了相关研究中质量流量、热流密度、干度等因素对相变换热的影响。指出当前研究大多在过去常用的传热管进行，为了降低R290及其混合制冷剂的可燃性，减少制冷系统的制冷剂充灌量，必须对R290及其混合制冷剂在小管径（7mm、6mm、5mm，甚至4mm）传热管内相变换热的关联式和影响因素进行深入研究。

丙烷；相变；传热；流动；混合制冷剂；水平管

由于氟利昂R22具有破坏臭氧层和加剧温室效应的环境问题，根据《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议的决定，将被加速淘汰，寻找新的替代制冷剂已经成为制冷界的迫切任务。目前，R22的替代制冷剂主要是HFCs和天然制冷剂，如R410A目前已经被广泛应用于变频空调产品中，但R410A排气压力比R22大，尤其是R410A具有比R22还高的全球变暖潜能值（GWP），并不是R22的理想替代品，而被普遍认为只是过渡替代产品，特别是近年来国际社会对全球变暖问题的重视，HFCs等普遍具有高GWP的替代制冷剂，将面临越来越严格的使用限制。与此同时，天然制冷剂R290及其混合制冷剂由于优越的环保特性越来越受人们关注，其中R290被中国房间空调器HCFCs淘汰管理计划（HPMP）明确为未来中国房间空调器行业首选替代制冷剂。SPATZ等［1］认为，R290的制冷性能要高于R22；何国庚等［2］认为，R290热力性能与环保性能均好于R410A和R407C，是小型房间空调器用R22的理想替代制冷剂；WONGWISES等［3］发现，在相同工况下，R290/R600（60%/40%）能够代替R134a在同一台家用冰箱内工作；TIAN等［4］发现，R32/R290（68%/32%）在房间空调内制冷性能与COP均优于R410A。

由于R290及其混合制冷剂具有与R22不同的热物理性质，为了降低R290及其混合制冷剂的可燃性风险，需要尽可能减少制冷系统中R290及其混合制冷剂的充灌量，这样作为制冷系统中对制冷剂充灌量起关键作用的换热器的设计就显得非常重要。由于R290及其混合制冷剂应用于制冷系统时，在冷凝器和蒸发器中主要换热特性分别为管内凝结和管内沸腾，本文将就R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的最新研究成果作概括性的分析与介绍。

1　R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热性能的研究现状

1.1R290及其混合制冷剂与R22相变换热性能的对比

1987年，国际社会签订的蒙特利尔议定书制定了常用制冷剂CFCs和HCFCs的禁用进程，这促进了对R290及其混合物作为制冷剂工质的初期探索。当时学者们想要替代的主要对象是会破坏臭氧层的R22。因此在对R290及其混合制冷剂的研究初期，与R22的相变换热性能对比研究是研究的重点，能够直观反映R290及其混合制冷剂与R22换热性能的优劣。所以，一些学者进行了与R22相关的实验，对R290及其混合制冷剂换热性能进行了评测。

SHIN等［5］先后对纯工质（R22、R32、R134a、R290、R600a）和不同配比下混合工质（R32/R134a、R290/R600a、R32/R125a）在管径7.7mm的水平光滑管内的强制对流沸腾换热特性进行了研究，在相同测试条件下，R290、R600a的沸腾换热性能相近，皆优于R22，R290/R600a（75%/25%）的沸腾换热系数最高。在CHANG等［6］的研究中，R290等HCs在管径为8mm的水平光滑管内凝结换热性能和沸腾换热性能均优于R22，且HCs液相的黏度也低于R22，表明其强化换热性能潜力更优。LEE等［7-8］对环保工质R600a、R1270、R290和R22在管径9.52mm和12.70mm水平光滑管内进行了相变换热实验，实验结果表明R600a、R1270、R290在各工况下平均沸腾换热系数分别比R22高55.4%、72.3%、67.7%，平均凝结换热系数分别比R22高68%、60%、70%。PARK等［9］发现，在8.8mm的水平强化管内，R290等HCs制冷剂凝结换热系数均比R22高。RAJ等［10］模拟研究了M20（R407C/R290/R600a）与R22在管径9.52mm的翅片管式蒸发器的管内沸腾换热性能，研究者对比模拟结果发现，M20的沸腾换热性能比R22高13.75%～16.53%。肖航等［11］通过对R290与R22在管径2mm的水平光滑管内凝结换热进行研究发现，在饱和温度和质量流速相同的情况下，R290的凝结换热系数总体上大于R22。

从对比研究的结果来看，R290及其混合制冷剂的管内相变换热系数要高于R22，这使得R290及其混合制冷剂制冷系统能够采用比R22制冷系统换热面积更小的换热器。

1.2R290及其混合制冷剂与现有R22替代制冷剂相变换热性能的对比

由于R290具有可燃性，在过去几十年内都未在房间空调器等常规空调系统中实际使用。而在这几十年里，也诞生了很多新的人工合成制冷剂，如R134a、R410A等，这些制冷剂虽然不会破坏臭氧层，但是却都有着很高的GWP，会加剧全球变暖。R290及其混合制冷剂虽然有着良好的环保性能，但是其换热性能是否能够接近或超越现有R22替代制冷剂将决定对其深入研究的价值。部分学者为了得到答案进行了R290及其混合制冷剂与现有R22替代制冷剂相变换热性能的对比研究。

韩晓霞［12］在对R290和R404A在管径9.52mm的水平光滑管和内螺纹管内沸腾换热特性的研究发现，R290在光滑管内的沸腾换热系数要高于R404A，但R404A的内螺纹管内强化沸腾换热性能更佳。WEN等［13-14］研究了对R134a、R290、R600及R290/R600（50%/50%）在管径2.46mm的水平蛇形微通道内凝结换热，研究表明，在相同工况下，R290、R600和R290/R600的凝结换热系数分别比R134a的高89%、124%、155%。同时，研究者还研究了R134a、R290、R600及R290/R600（55%/45%）在管径2.46mm水平蛇形微通道内的沸腾换热，在相同工况下，R290、R600和R290/R600的沸腾换热系数分别比R134a的高71%、33%、67%。CHO等［15］在对CO2纯工质及不同配比下CO2/R290在4.00mm的光滑管和4.13mm微肋管内的沸腾换热特性研究发现，无论在光滑管或是微肋管内，纯的CO2工质沸腾换热性能要略高于CO2/R290工质，但采用CO2/R290混合工质既能有效避免制冷系统在使用CO2纯工质时产生的较高压力，又能够大大降低R290的可燃性。而在所有CO2/R290工质配比里，CO2/R290（75%/25%）的沸腾换热系数最高。刘芳［16］和韩北鲲［17］在对R32/R290（68%/32%）和R410A管径6mm的水平光滑管和微肋管内相变换热特性的研究中发现，R32/R290（68%/32%）在光管和微肋管内的沸腾换热系数高出R410A达15.7%～66.8%，R32/R290（68%/32%）在光管和微肋管内的凝结换热系数也大于R410A。

从上述研究可以看出，R290及其混合制冷剂都有接近或者超越传统人工合成制冷剂的相变换热系数。深入研究R290及其混合制冷剂是有必要且有价值的工作，能够对R290及其混合制冷剂替代目前市场上使用的高GWP人工合成制冷剂起到指导作用。

2　R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热关联式的研究现状

2.1适用于R290及其混合制冷剂的通用相变换热关联式

在对R290及其混合制冷剂管内相变换热特性的理论研究中，换热关联式的研究和改进非常重要。由于实验条件的局限性，研究者不可能对所有的工况点进行实验研究，但通过精确可靠的关联式能够对范围工况内的任意工况下R290及其混合制冷剂相变换热系数进行预测。近年来，有部分学者对R290的管内相变换热关联式进行了深入的研究。

CHANG等［6］采用线性回归的方法对SHAH关联式进行改进，得到了HCs类通用的管内凝结换热关联式。研究者将所得的凝结换热关联式预测结果与实验结果进行比对得出关联式预测HCs纯工质时平均偏差为8.6%。THOME等［18］总结了包括R290在内的15种制冷工质的管内凝结换热的实验数据，建立了新的换热模型，得到了适用于质量流量为24～1022kg/（m2·s）、干度0.03～0.97、管径3.1～21.4mm内纯工质和混合工质的泛用型管内凝结换热关联式。研究者将新的换热关联式预测数据与所选取的HCs类2771个实验数据点进行对比验证，结果表明，有75%的实验数据预测偏差在20%以内，其中对R290预测平均偏差为12%，标准偏差为13%。CAVALLINI等［19］结合了传统HCFCs和CFCs关联式的优点，对THOME［18］和CAVALLINI［20］等关联式进行了改进，建立了新的换热模型，得到了能适用于HFCs和HCs的泛用型管内凝结换热关联式，并通过与HFCs和HCs的1007个实验数据点对比进行了验证，结果表明，新关联式对HFCs和HCs预测平均偏差为5%，标准偏差为19%。WEN等［14］整合了DITTUS和BOELTER［21］、STEPHAN和ABDELSALAM［22］的关联式的优缺点，使用迭代的方法，结合THOME和SHAKIR［23］所得到的修正因子FM，改进并得出了一个适用于HCs的新型管内沸腾换热关联式。研究者先将实验结果同修正因子修正后的GUNGOR和WINTERTON［24-25］关联式进行了对比，发现所有的数据均在±20%之间。并将实验结果和所得的新关联式预测结果进行比对发现，新关联式预测平均偏差为11.5%。

2.2R290及其混合制冷剂的专用相变换热关联式

由于早期的研究者在对R290及其混合制冷剂相变换热特性的研究中所采取的换热关联式多为通用换热关联式，研究者在对其进行改进的时候，通常也针对的是大类的制冷剂，而非单一制冷剂，所以这些换热关联式对R290及其混合制冷剂的预测精度不高。随着对HCs工质研究的深入，人们发现R290及其混合制冷剂对R22有着优秀的替代性能，这也吸引了一些学者对R290及其混合制冷剂的专用关联式进行了研究。

CHOI等［26］根据CHEN［27］、JUNG［28］等的研究，得出了一个新的核态沸腾抑制因子S，即管内流动沸腾和池沸腾的比例h/hnb。利用核态沸腾抑制因子可以对COOPER的核态沸腾关联式［29］进行优化，得到可用于预测R290在水平光滑微通道内沸腾换热系数的新关联式。研究者将实验结果和关联式预测结果进行比对，结果表明，新关联式对R290预测平均偏差为-2.42%，标准偏差为9.93%。MACDONALD等［30］在THOME［18］、DITTUS和BOELTER［21］及EDWARDS［31］等关联式的基础上，对低压降、大管径、高饱和温度下的R290管内凝结换热过程建立了新的两相流换热模型，提出了新的关联式。研究者将关联式预测结果进行比对，得出新关联式对R290预测平均偏差为-1%，标准偏差为12%。ZHU等［32］通过实验研究，在COOPER核态沸腾关联式［29］的基础上，发展了能够适用于CO2、R290及两者混合物在管径2mm光滑管内沸腾换热的关联式。研究者将新关联式的预测结果与实验结果及现有研究数据的613个数据点进行对比，发现超过70%数据点在±30%之间，新关联式对CO2/R290预测平均偏差为-13.1%，标准偏差为27.6%。表1列出了上述研究者所得到的新型换热关联式。

2.3R290及其混合制冷剂相关相变换热关联式的精度对比

图1　各相变换热关联式平均偏差对比

表1　R290及其混合制冷剂相关相变换热关联式

表1　R290及其混合制冷剂相关相变换热关联式 （续表）

图1反映的是各关联式的平均偏差，从图1中可以看出，由于通用换热关联式适用范围较广，能够简单地预测R290及其混合制冷剂的管内相变换热系数。但是，通用关联式在经过研究者通过实验和理论研究改进成为R290及其混合制冷剂专用换热关联式后，预测精度得到了较大的提高，能够较好地反映R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热时各部分具体的换热参数。

3　R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热影响因素的研究现状

在对制冷剂的管内相变流动换热的研究时发现，流型能够反映某工况下的换热特性。通过对制冷剂管内相变流动的流型研究，学者们发现干度、质量流量会对流型产生影响，进而影响到制冷剂的管内相变流动换热；而热流密度和流动参数也会对制冷剂的管内相变流动换热产生影响，所以在对R290及其混合制冷剂的相变换热的影响因素研究中，主要对干度、质量流量、热流密度等参数进行分析［33-35］。

3.1R290及其混合制冷剂沸腾换热的影响因素

从部分研究来看［12，36］，整体上R290及其混合制冷剂的管内沸腾换热系数是随干度和质量流量增大而增大的，但这并不全面。根据沸腾换热机理，在沸腾换热的初期，核态沸腾占据沸腾换热的主要地位。此时，随着干度增大，汽液边界层开始发生对流换热，使得R290及其混合制冷剂的沸腾换热系数增大。之后，在沸腾换热过程中，对流换热占据沸腾换热的主要地位，随着干度增大，在管壁面的液膜厚度降低，对流换热得到强化，R290及其混合制冷剂的沸腾换热系数继续增大。当干度增大超过一定的数值之后，管壁壁面将难以形成液膜，对流换热性能急剧降低，使得R290及其混合制冷剂的沸腾换热系数急剧减小。CHOI等［26］发现，干度的变化会导致质量流量对与R290的沸腾换热的影响不同：在低干度区域，核态沸腾换热占据沸腾换热的主要地位，质量流量的变化对R290的沸腾换热系数几乎无影响；在中高干度区域，而此时对流换热占据沸腾换热的主要地位，质量流量的增加会强化对流换热作用，导致了R290的沸腾换热系数的增加；在高干度区域，高质量流量会促使流体在管内形成雾状流，使得管壁难以形成液膜，导致R290对流换热系数降低，从而导致R290的沸腾换热系数降低。CHO［15］、刘芳［37］等则分别在对CO2/R290、R32/R290混合制冷剂管内沸腾换热特性研究中发现了与R290类似的沸腾换热规律。

吴晓敏等［38］通过对CO2/R290在内径2mm的水平光滑管内流动沸腾换热实验发现，质量流速、热流密度和初始蒸发温度的增加均会使沸腾换热系数增加，但随着CO2/R290中R290比例的上升，热流密度和初始蒸发温度的变化对沸腾换热系数的影响会减弱。

WANG等［39］还在对R290在管径6mm水平光滑管内低饱和温度下的沸腾换热实验中发现，热流密度的增加和沸腾换热系数的增加近乎成线性关系，这是因为随着热流密度的增加会使沸腾核心的数量和气泡分离速度都会迅速增加；在低热流密度下，饱和温度对R290沸腾换热系数的影响较少，而在高热流密度下，沸腾换热系数受饱和温度影响较大；在两相流液相占比较大的时候，对流换热占据沸腾换热的主要地位，干度增加会导致沸腾换热系数的增加，而在两相流气相占比较大的时候，核态沸腾换热占据沸腾换热的主要地位，干度增加会导致沸腾换热系数的减小。

陈伟清等［40］则在对R290在直径5mm的水平光滑管内沸腾换热进行模拟时发现，在大多数情况下，干度一定，换热系数随饱和温度的升高而增大，而在高干度区，换热系数受到饱和蒸发温度影响不大。

3.2R290及其混合制冷剂凝结换热的影响因素

与沸腾换热不同，R290及其混合制冷剂的管内凝结换热不仅受质量流量和干度的影响，还受重力的影响。而决定各流型下凝结换热换热系数大小的关键是管壁面液膜的厚度。当两相流处于受重力影响较为严重的流型（层流）时，重力和切应力的平衡程度直接影响管壁面液膜的厚度，此时主要的影响因素是质量流量；而当两相流处于受重力影响较小的流型（环流）时，汽液两相间的切应力则决定了管壁面液膜的厚度，此时主要的影响因素则是干度和质量流量。肖航［11］、WEN［13］、COL［41］、宁静红［42］、韩北鲲［43］、MACDONALD［44］等也在研究中发现，R290及其混合制冷剂的管内凝结换热系数随着干度和质量流量的增加而增加。

此外FERNANDO等［45］在对R290在内径为1.42mm的铝管内进行凝结换热实验时发现，饱和温度的增加会导致R290凝结换热系数的增加。CHANG等［6］发现，在相同工况下，改变R290所占的比例时，R290/R600a和R290/R600的凝结换热系数先降低后升高，在R290所占比例接近100%时达到最高。

LIU等［46］在研究R290在管径1.085mm的水平圆形微通道和管径0.952mm的水平方形微通道内凝结换热时发现，传热管的形状会影响R290的凝结换热系数。在相同工况和传热管水力直径下，R290在方形微通道的凝结换热系数要大于在圆形微通道的凝结换热系数。这是由于在方管内，受表面张力影响，R290的液膜会向管道的四个角落聚集，从而使传热管表面的液膜平均厚度降低，使得凝结换热系数增加。

4　结 语

综上，随着HCFCs制冷剂淘汰的加速和具有高GWP的HFCs的限制日趋严格，R290及其混合制冷剂由于其优秀的热力性能与环保性能越来越受到人们的关注。相关的研究表明，R290及其混合制冷剂拥有接近或超越R22及其现有替代制冷剂的制冷性能与换热性能。许多研究者对R290及其混合制冷剂在水平管内的相变换热特性进行了广泛的研究，分析了不同因素对R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的影响，得到了一系列的关联式。然而这些研究大多针对的是过去常用的传热管进行的，这些传热管的管径一般均在7mm以上，如8mm、9.52mm、12.7mm甚至更大，虽然也有一些研究者研究了微通道换热器内的相变传热，但微通道换热器在房间空调器等非常适合于R290及其混合制冷剂的制冷系统中应用很少。由于R290具有可燃性，为了降低这种可燃性的危险，必须减少R290及其混合制冷剂在制冷系统中的充灌量，而传热管小径化（7mm、6mm、5mm甚至4mm）是其关键措施。而目前有关R290及其混合制冷剂在小管径水平管内相变换热的研究还很少，尤其缺乏R290及其混合制冷剂在小管径水平管内相变换热实验数据，因此，有必要展开以下研究工作。

（1）R290及其混合制冷剂在小管径水平光滑管和强化管内凝结换热实验，利用所获得的研究数据对现有关联式进行改进和优化，以获得适用于小管径水平管内的R290及其混合制冷剂凝结换热规律。

（2）R290及其混合制冷剂在小管径水平光滑管和强化管内沸腾换热实验，利用所获得的研究数据对现有关联式进行改进和优化，以获得适用于小管径水平管内的R290及其混合制冷剂沸腾换热规律。

（3）分析研究R290及其混合制冷剂在小管径水平光滑管和强化管内凝结换热特性和沸腾换热特性，探索影响小管径水平光滑管和强化管内相变换热的因素，为R290及其混合制冷剂换热管的优化设计提供依据。

符 号 说 明

Bo —— 沸腾数

bd —— 脱离直径，m

CT—— 过渡因子

cpl—— 比热容，J/（kg·K）

D —— 管径，m

E —— 关联式强化因子

FM—— 修正因子

Fr —— Froude数

fi—— 摩擦因子

G —— 质量流速，kg/（m2·s）

g —— 重力加速度，m/s2

h —— 换热系数，W/（m2·K）

hlv—— 汽化潜热，J/kg

JG，—— 量纲为1的气流速度

M —— 分子量

P —— 压力，Pa

Pr —— Prandtl数

q —— 热通量，W/m2

Re —— 雷诺数

r —— 内管半径，m

S —— 抑制因子

T —— 温度，K

Xc——关联式过渡值

Xtt——Martinelli参数

x——干度

β——关联式定义角，（°）

δ——液膜厚度，m

ε——空隙率

θ——分层角，（°）

κE——夹带凝结传热增强因子

κi——液膜界面传热增强因子

λ——导热系数，W/（m·K）

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg/m3

σ——表面张力，N/m

τ——切应力，N/m2

ω——CO2质量分数

下角标

A——ΔT- independent流型

al——环流

b——气泡

bob——泡点

c——对流凝结

crit——临界

D——ΔT-dependent流型

DB——Dittus and Boelter池态沸腾关联式

dew——露点

f——膜状凝结

ff——降膜

g——气体

H——水平

l——液体

nb——Cooper核态沸腾关联式

p——池态沸腾

START——完全分层流

SA——Stephan-Abdelsalam关联式

s——饱和

V——垂直

v——蒸汽

w——壁面

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Studies on phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube

ZOU Sikai1，DAI Yuande1，HE Guogeng2
（1School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，Jiangxi，China；2School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China）

R290（propane）and its refrigerant mixtures have been treated as ideal alternative refrigerants due to their favourable environmental and thermo-physical properties. However，they are flammable. The heat exchangers of the refrigeration system can be optimized，and the charge amount of R290 and its refrigerant mixtures can be reduced by studying the phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube. In this paper，studies on phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube were review. The results showed that the heat transfer performance of R290 and its refrigerant mixtures can be comparable to or above synthetic refrigerants. The phase change heat transfer correlations of R290 and its refrigerant mixtures obtained in related research were listed and compared，and the influence of mass flow，heat flux，vapor quality and other factors on phase change heat transfer from relevant researches were summarized. Finally，it is pointed out that all above researches have been conducted mainly on the traditional heat transfer pipes，the phase change heat transfer correlations and factors of R290 and its refrigerant mixtures in small tube（with the diameters of 7mm、6mm、5mm or even 4mm） should be studied in order to reduce the charge amount and flammability.

propane；phase change；heat transfer；flow；refrigerant mixture；horizontal tube

TB 61+1

A

1000-6613（2016）11-3413-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.004

2016-04-14；修改稿日期：2016-05-30。

国家教育部博士点基金（20110142110052）及江西省自然科学基金（20161BAB206124）项目。

邹思凯（1993—），男，硕士研究生。联系人：戴源德，工学博士，副教授，主要研究方向为制冷剂替代、暖通空调系统节能。E-mail ydncu@163.com。