R404A小管径冷凝换热与压降关联式的适配性
2017-04-07王学东柳建华高屹峰朱立珺
王学东 柳建华 宋 吉 高屹峰 朱立珺
(1 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093；2 国际铜业协会(中国) 上海 200020)
R404A小管径冷凝换热与压降关联式的适配性
王学东1柳建华1宋 吉2高屹峰2朱立珺1
(1 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093；2 国际铜业协会(中国) 上海 200020)
针对R404A的冷凝换热与压降关联式有很多，但均为基于7 mm或者9.52 mm等大管径光管或者强化管，针对5 mm管径的关联式也都是适用于其它制冷剂，没有R404A小管径冷凝直接适用的关联式。本文采用实验测试与理论计算结合论证的方法，利用控制变量法、性质相似制冷剂优先法筛选出一批关联式，大量对比由关联式计算与由实验数据计算得出的换热系数与压降的偏差，研究关联式的适用性及可修正性。结果表明：M.K.Dobson等提出的冷凝换热关联式乘以修正系数2.13，能很好预测R404A在内螺纹管中的冷凝换热系数，与实验值正偏差为+15.51%，负偏差为-14.13%。X.C.Huang等提出的摩擦压降关联式能很好预测R404A在小管径内螺纹管内冷凝的摩擦压降，与实验值的正偏差为+12.56%，负偏差为-13.58%，两者均可为换热器设计计算提供较准确的理论指导。
关联式；小管径；冷凝；换热系数；压降；R404A
小管径铜管换热器技术是行业内的研究热点。通过实现房间空调换热器铜管的小管径化，在保持铜管优秀换热品质的同时，可大幅度降低空调成本，实现消费者利益与行业发展共赢。
目前科研人员针对小管径铜管换热器技术进行了大量研究[1-3]，在小管径冷凝换热理论研究方面，X.C.Huang等[4-5]针对R410A在小管径管内冷凝的热换和压降特性进行了深入研究，给出了适用的关联式。在技术应用方面，丁炜堃等[6]对小管径空调冷凝器做了数值模拟并给出流路设计思路，认为在相同换热管数下，应增加并行支路数目，适当减小各支路长度。王春[7]对5 mm小管径换热器在空调系统中应用的冷凝性能进行了实测，各项指标对比得出变频R410A空调器冷凝效果较好，应用前景看好。但是没有针对R404A在相关方面的研究。
将小管径铜管换热器技术从空调领域推广应用到冷藏集装箱的冷凝器上发现，原来用于制冷机组的换热器管内制冷剂流动与换热关联式都是基于大管径开发的，如针对R22，R134a等在管径为7 mm和9.52 mm的光管或者强化管中换热与压降性能的研究有很多[8-12]，针对5 mm管径的关联式也都是适用于其它制冷剂，并没有直接适用的针对R404A在外径为5 mm的内螺纹管中冷凝可用的关联式。
本文对空调领域已经提出的管内冷凝关联式进行检查验证，利用控制变量法、性质相似制冷剂优先法筛选出一批关联式，研究其能否匹配到冷藏运输制冷机组上，重点研究R404A在外径为5 mm的内螺纹管中冷凝的换热与压降性能，通过实验测试与理论计算相结合的方式，验证已经提出的并不直接适配的换热与压降关联式的适用性及可修正性，为设计制冷工质为R404A的小管径换热器提供理论指导。
1 制冷工质性质及用途简介
冷藏集装箱常用制冷工质为R404A，因此实验测试研究的制冷工质是R404A(R125：44% R134a：4% R143a：52%)，它是一种近共沸制冷剂混合物，温度滑移约0.6 ℃。ODP=0，GWP=3 750，沸点-46.2 ℃，沸点下蒸发潜能200.1 kJ/kg。在相同温度下，R404A饱和压力比R22高约5%～10%，容积制冷量比R22高约5%，但COP比R22低约5%～10%，在低蒸发温度的情况下应用比较多。R404A是R502可行的替代物，具有较好的环境特性和热力学特性。实验测试冷凝温度为40 ℃，由REFPROP9.0查得R404A在冷凝温度为40 ℃时的热力性质，见表1。
表1 冷凝温度为40 ℃ R404A热力性质
由表1可知，R404A在40 ℃时的冷凝热为120.26 kJ/kg。在大型商用制冷设备、交通运输制冷设备及所有R502可正常动作的环境中，R404A均有应用。R404A与矿物油不互溶，压缩机生产商建议使用POE多元醇酯润滑剂作为与R404A适配的润滑剂。
2 实验装置和测试方法
2.1实验装置
实验研究对象为外径为5 mm的内螺纹铜管，结构见图1，具体参数见表2。测试系统装置见图2，从图中可以看出，测试系统由两个主要的循环构成：1)制冷剂循环包括预冷段、测试段、过冷段等；2)冷却水循环用于R404A-油混合物的冷凝。制冷剂和冷却水的流率通过变频器改变泵的转速来调节。冷却水回路包括预冷段水回路和测试段水回路。预冷段冷却水回路用于调节测试段入口的R404A-油混合物的干度，而测试段冷却水回路用于研究各种热流密度条件下R404A-油混合物的冷凝换热特性与压降特性。冷却水回路的换热量通过调节冷却水流量和冷却水温度实现。冷却水流量由冷却水泵和调节阀控制，而冷却水温度通过合理调节冷却水循环中的电加热来控制。
表2 内螺纹管结构参数
d内径；TWT总壁厚；W槽底宽图1 内螺纹管结构Fig.1 Structure of microfin tube
图2 测试系统装置图Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus
图3 测试段局部图(单位：mm)Fig.3 Schematic diagram of test section
测试段局部图见图3，测试段由1 m长的内外逆流套管换热器组成，制冷剂在内管流动，冷却水在内管周围外管内侧流动来冷却制冷剂。测试在入口饱和冷凝温度为40 ℃的条件下进行。实验测试为两相状态，R404A为近共沸制冷剂混合物，温度和压力近似一一对应，因此制冷剂-油混合物的冷凝温度只需要通过控制冷凝压力即可。外管采用PVC管，内管为紫铜管，导热系数为398 W/(m·K)，在套管冷却水进出口处布置热电偶来测量冷却水的进出口温度。
图4 测试段套管局部剖面图Fig.4 Cutaway view of the casing tube
测试段长度设计的原则为可有效合理地考察局部换热系数和压降特性，且满足L/D>60，使平均表面换热系数不受入口段的影响，从而测定充分发展段的换热特性和压降特性。测试段PVC管外的保温材料内层为PEF保温材料(新型高分子保温材料-聚乙烯泡沫塑料)，导热系数≤0.04 W/(m·K)，外层为玻璃棉，导热系数为0.052 W/(m·K)，结构如图4所示。
2.2测试方法
调节变频器进而改变制冷剂流率和冷却水流率，进一步控制质流密度、热流密度、干度等参数。需要采集制冷剂温度Tr，管外壁温度Two，测试段入口、出口绝对压力pin、pout，测试段R404A-油混合物压降Δp，制冷剂质量流量mr，冷却水质量流量mw等参数。由这些参数即可直接得出或间接计算出R404A-油混合物流经测试段的压降和换热系数。制冷剂/油混合物为R404A/Emkarate RL 32RV，测试实验的工况范围见表3。
表3 实验测试工况范围
3 实验结果与分析
3.1选用关联式的方法及原则
针对内螺纹管换热性能优于光管的机理，不同的科学家得出的结论不尽相同。J. Yu等[13]指出水平内螺纹管的局部换热性能比同样内径的光管的换热性能的两倍还高，将换热的强化作用归因于换热面积的增大。M. A. Kedzierski等[14]提出一种内螺纹管内针对四种制冷剂(R134a, R410A, R125和R32)的局部对流冷凝换热的测量方案。基于上述文献的压降测量关联式，认为强化换热的作用主要是由于内螺纹增加了表面的粗糙度，内螺纹的方向导致管周围的流体分布不均匀。强化作用也部分由于内表面有效面积的增大和内螺纹引起的湍流强化了对流换热。但都证明内螺纹管换热性能成倍强于光管，因此可以基于光管的换热性能预测内螺纹管的换热性能，在筛选关联式时针对光管的已有的关联式也要加以考察。
利用控制变量法筛选关联式，如限定管径为5 mm和制冷剂为R404A分别筛选关联式，其他不予考虑。此外，利用性质相近制冷剂优先法，如R502与R404A性质相近，优先考虑适用于R502的关联式。
L. M. Chamra[15]等提出内螺纹管内纯制冷剂的冷凝换热模型，指出平均绝对偏差(MAD)可作为考查换热模型是否有效的标准。MAD定义为由关联式预测的换热系数与通过实验得出的换热系数之间的平均归一化差值。
(1)
可利用该模型论证已经提出的换热与压降关联式的可用性，偏差表示为ε=(hcalc-hexp)/hexp，这也是选用关联式的原则之一，本实验选用偏差为20%以内的关联式。
3.2 小管径的冷凝换热关联式
目前提出的大部分局部换热关联式只适用于具体的流动模式，通常经验或半经验模型。鉴于两相流动的复杂性，很难得出一个纯理论模型，而且在对比实验数据时，每一个关联式的测试条件范围是尤为重要的。
气液两相流动型式已经被广泛研究来理解冷凝换热机制。通常气液两相流动型式可以分为环状流、半环状流、波状流和段塞流。M. K. Dobson等[16]提出一个适用于环状流和波状流的新型换热关联式，这两种流型覆盖范围较广，环状流中重力起主导作用，波状流中剪切应力起主导作用。M. K. Dobson等[16]模型讨论的是R404A在水平光滑管内的两相换热系数，环状流的换热系数由式(2)～式(5)计算得出。
(2)
(3)
(4)
(5)
波状流同时考虑了管顶部的膜状冷凝和管底部的强制对流冷凝。波状流的换热系数可以由式(6)～式(11)计算得出：
(6)
单一气相雷诺数：
(7)
伽利略数：
(8)
液相Jakob数:
(9)
(10)
式中：c1和c2定义如下:
0 c1=4.172+5.48FrL-1.564FrL2
c2=1.773-0.169FrL
FrL>0.7
c1=7.242
c2=1.655
环状流和波状流的分界可以根据修正的弗劳德数Frso来定义:
(11)
Re≤1 250
c3=0.025，c4=1.59
Re>1250
c3=1.26，c4=1.04
环状流式(2)适用于G>500 kg/(m2·s)时的所有干度。对于G<500 kg/(m2·s)，式(6)适用于波状流当Frso<20的情况。
由实验测试数据计算得出不同质流密度和测试段入口干度下，R404A-油混合物在5 mm内螺纹强化管内的换热系数，利用Origin Lab画出在不同质流密度下，换热系数随测试段入口干度变化的曲线图(图5)，可知在同一质流密度下，换热系数会随着干度的增大而增大。同一干度下，换热系数会随着质流密度的增大而增大。利用采集的实验数据和乘以修正系数2.13以后的M. K. Dobson等[16]提出的关联式从理论上预测换热系数，与实验测试值进行对比，得出偏差，见图6。部分实验的热流密度较高，只有较高的热流密度才能保证制冷剂蒸气在测试段的完全冷凝。在低干度区会产生较大的实验误差，误差产生的原因是管壁温与冷却水温度差较小。
表4 M. K. Dobson等[16]模型适用测试条件
图5 冷凝换热系数随干度的变化Fig.5 The change of condensation heat transfer coefficient with quality
图6 冷凝换热系数关联式预测值与实验值偏差Fig.6 Comparison of experimental condensation heat transfer coefficients with the predicted values of correlations
3.3小管径冷凝压降关联式
上海交通大学X. C.Huang等[4]研究了小管径强化管内的冷凝压降特性，提出小管径内螺纹管内的摩擦压降关联式，其测试工质是R410A-润滑油RB68EP的混合物，计算模型如下：
(12)
(13)
(14)
Reh,V=Gxr,odh/μr,V
(15)
以上关联式的适用范围为：管外径5mm,质流密度200～500kg/(m2·s)，热流密度4.21～7.91kW/m2，蒸气干度0.3～0.9，油浓度0%～5%。
将其中的物性参数对应替换为R404A-润滑油EmkarateRL32RV混合物的参数，对比实验数据与由该理论模型计算值的偏差，从而论证该摩擦压降关联式的可用性。
通过实验测试得出不同质流密度和测试段入口干度下，R404A-油混合物在5mm内螺纹强化管内的冷凝摩擦压降，利用OriginLab画出在不同质流密度下，冷凝摩擦压降随测试段入口干度变化的曲线图(图7)，可知在同一质流密度下，冷凝摩擦压降会随着干度的增大而增大；同一干度下，冷凝摩擦压降随着质流密度的增大而增大。利用采集的实验数据和X.C.Huang等[4]关联式从理论上预测冷凝摩擦压降，与实验测试值进行对比，得出偏差，如图8所示。
图7 摩擦压降随干度的变化Fig.7 The change of frictional pressure with quality
图8 摩擦压降关联式理论预测值与实验值偏差Fig.8 Comparison of experimental frictional pressure drop with the predicted values of correlations
4 结论
本文在测试段入口饱和冷凝温度为40 ℃，制冷剂质流密度200～400 kg/(m2·s)，入口干度0.2～0.8时，进行外径5 mm内螺纹铜管内R404A的冷凝实验测试。通过对实验数据进行整合、计算，分析实验值与理论模型计算值的偏差，结论如下：
1)制冷剂为R404A-油的混合物在外径为5 mm内螺纹管内的冷凝换热系数可由M. K. Dobson等[16]关联式乘以修正系数2.13预测，需要满足的工况条件为：质流密度252)制冷剂为R404A-油的混合物在外径为5 mm内螺纹管内的冷凝摩擦压降可由 X. C.Huang等[4]提出的关联式进行预测，需要满足的工况条件为：质流密度200～500 kg/(m2·s)，热流密度4.21～7.91 kW/m2，干度0.33)小管径在空调领域已有的一些关联式进行检查验证后可匹配到冷藏运输制冷机组上应用。
4)针对不同制冷剂的关联式进行热力性质参数对应替代后也可应用，存在偏差，但在可接受范围之内，且能加以修正，指导实践。
本文受上海市教育委员会重点学科资助项目(J50502)资助。(The project was supported by the Key Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. J50502).)
符号说明
Nu——努塞尔数
Re——Reynolds数
cp——定压比热容，J/(kg·K)
Fr——弗劳德数
Pr——普朗特数
ρ——密度，kg/m3
μ——动力黏度，Pa·s
x——蒸气干度
hfg——汽化潜热，J/kg
Ga——伽利略数
g——重力加速度，m2/s
Ja——雅各布数
λ——导热系数，W/(m·K)
D——特征直径，m
G——质流密度，kg/(m2·s)
l——测试管长，m
h——对流换热系数，W/(m2·K)
f——摩擦系数
Xtt——Lockhart-Martinelli参数
Δpr,o,frict——制冷剂油混合物摩擦压降，Pa
dh——内螺纹管的水力直径，m
m——质量流量，kg/s
下标
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About the corresponding author
Liu Jianhua, male, professor, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail: lwnlwn_liu@163.com. Research fields: optimization research for refrigeration system, application research for refrigeration test equipment.
Suitability of R404A Condensation Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Small Diameter Tube
Wang Xuedong1Liu Jianhua1Song Ji2Gao Yifeng2Zhu Lijun1
(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. International Copper Association Shanghai Office, Shanghai, 200020, China)
Many correlations have been proposed about R404A condensation heat transfer and pressure drop, but all of them apply for smooth tubes or microfin tubes with big diameter. Some correlations are based on 5 mm diameter tube, but the refrigerant is not R404A. Up to now, there is no correlation for R404A condensation heat transfer and pressure drop with 5 mm diameter tube. In this paper, a number of correlations were selected by variable-controlling and giving priority to refrigerant with similar properties, combining experimental test and theoretical calculation, deviation between the calculated and experimentally measured values have been compared through a large amount of data to demonstrate the applicability and revisability of the correlations. The research results indicate that modified condensation heat transfer correlation proposed by M.K.Dobson et al(multiplied by the correction factor 2.13) shows good predictability of condensation heat transfer coefficient of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -14.13% to +15.51%. The friction pressure drop correlation proposed by X.C. Huang et al can well predict the friction pressure drop of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -13.58% to +12.56%. Both correlations can provide more accurate theoretical guidance for the calculation and design of heat exchanger.
correlations; small diameter tube; condensation; heat transfer coefficient; pressure drop; R404A
0253- 4339(2017) 02- 0022- 07
10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.022
2016年7月13日
TK124；TB61+1
A
柳建华，男，教授，上海理工大学能源与动力工程学院，13817757889，E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向：制冷系统的优化匹配研究，制冷测试设备的应用研究。
c1=4.172+5.48FrL-1.564FrL2
c2=1.773-0.169FrL
FrL>0.7
c1=7.242
c2=1.655
环状流和波状流的分界可以根据修正的弗劳德数Frso来定义:
(11)
Re≤1 250
c3=0.025，c4=1.59
Re>1250
c3=1.26，c4=1.04
环状流式(2)适用于G>500 kg/(m2·s)时的所有干度。对于G<500 kg/(m2·s)，式(6)适用于波状流当Frso<20的情况。
由实验测试数据计算得出不同质流密度和测试段入口干度下，R404A-油混合物在5 mm内螺纹强化管内的换热系数，利用Origin Lab画出在不同质流密度下，换热系数随测试段入口干度变化的曲线图(图5)，可知在同一质流密度下，换热系数会随着干度的增大而增大。同一干度下，换热系数会随着质流密度的增大而增大。利用采集的实验数据和乘以修正系数2.13以后的M. K. Dobson等[16]提出的关联式从理论上预测换热系数，与实验测试值进行对比，得出偏差，见图6。部分实验的热流密度较高，只有较高的热流密度才能保证制冷剂蒸气在测试段的完全冷凝。在低干度区会产生较大的实验误差，误差产生的原因是管壁温与冷却水温度差较小。
表4 M. K. Dobson等[16]模型适用测试条件
图5 冷凝换热系数随干度的变化Fig.5 The change of condensation heat transfer coefficient with quality
图6 冷凝换热系数关联式预测值与实验值偏差Fig.6 Comparison of experimental condensation heat transfer coefficients with the predicted values of correlations
3.3小管径冷凝压降关联式
上海交通大学X. C.Huang等[4]研究了小管径强化管内的冷凝压降特性，提出小管径内螺纹管内的摩擦压降关联式，其测试工质是R410A-润滑油RB68EP的混合物，计算模型如下：
(12)
(13)
(14)
Reh,V=Gxr,odh/μr,V
(15)
以上关联式的适用范围为：管外径5mm,质流密度200～500kg/(m2·s)，热流密度4.21～7.91kW/m2，蒸气干度0.3～0.9，油浓度0%～5%。
将其中的物性参数对应替换为R404A-润滑油EmkarateRL32RV混合物的参数，对比实验数据与由该理论模型计算值的偏差，从而论证该摩擦压降关联式的可用性。
通过实验测试得出不同质流密度和测试段入口干度下，R404A-油混合物在5mm内螺纹强化管内的冷凝摩擦压降，利用OriginLab画出在不同质流密度下，冷凝摩擦压降随测试段入口干度变化的曲线图(图7)，可知在同一质流密度下，冷凝摩擦压降会随着干度的增大而增大；同一干度下，冷凝摩擦压降随着质流密度的增大而增大。利用采集的实验数据和X.C.Huang等[4]关联式从理论上预测冷凝摩擦压降，与实验测试值进行对比，得出偏差，如图8所示。
图7 摩擦压降随干度的变化Fig.7 The change of frictional pressure with quality
图8 摩擦压降关联式理论预测值与实验值偏差Fig.8 Comparison of experimental frictional pressure drop with the predicted values of correlations
4 结论
本文在测试段入口饱和冷凝温度为40 ℃，制冷剂质流密度200～400 kg/(m2·s)，入口干度0.2～0.8时，进行外径5 mm内螺纹铜管内R404A的冷凝实验测试。通过对实验数据进行整合、计算，分析实验值与理论模型计算值的偏差，结论如下：
1)制冷剂为R404A-油的混合物在外径为5 mm内螺纹管内的冷凝换热系数可由M. K. Dobson等[16]关联式乘以修正系数2.13预测，需要满足的工况条件为：质流密度25 2)制冷剂为R404A-油的混合物在外径为5 mm内螺纹管内的冷凝摩擦压降可由 X. C.Huang等[4]提出的关联式进行预测，需要满足的工况条件为：质流密度200～500 kg/(m2·s)，热流密度4.21～7.91 kW/m2，干度0.3 3)小管径在空调领域已有的一些关联式进行检查验证后可匹配到冷藏运输制冷机组上应用。 4)针对不同制冷剂的关联式进行热力性质参数对应替代后也可应用，存在偏差，但在可接受范围之内，且能加以修正，指导实践。 本文受上海市教育委员会重点学科资助项目(J50502)资助。(The project was supported by the Key Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. J50502).) 符号说明 Nu——努塞尔数 Re——Reynolds数 cp——定压比热容，J/(kg·K) Fr——弗劳德数 Pr——普朗特数 ρ——密度，kg/m3 μ——动力黏度，Pa·s x——蒸气干度 hfg——汽化潜热，J/kg Ga——伽利略数 g——重力加速度，m2/s Ja——雅各布数 λ——导热系数，W/(m·K) D——特征直径，m G——质流密度，kg/(m2·s) l——测试管长，m h——对流换热系数，W/(m2·K) f——摩擦系数 Xtt——Lockhart-Martinelli参数 Δpr,o,frict——制冷剂油混合物摩擦压降，Pa dh——内螺纹管的水力直径，m m——质量流量，kg/s 下标 [1] 宋天一, Wang Huasheng, John W Rose, 等. 微通道内蒸汽冷凝摩擦压降的实验研究[J]. 制冷学报, 2010, 31(5):24-28. (SONG Tianyi, Wang Huasheng, John W Rose, et al. Experiment on frictional pressure drop of condensation in microchannel[J]. 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School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. International Copper Association Shanghai Office, Shanghai, 200020, China) Many correlations have been proposed about R404A condensation heat transfer and pressure drop, but all of them apply for smooth tubes or microfin tubes with big diameter. Some correlations are based on 5 mm diameter tube, but the refrigerant is not R404A. Up to now, there is no correlation for R404A condensation heat transfer and pressure drop with 5 mm diameter tube. In this paper, a number of correlations were selected by variable-controlling and giving priority to refrigerant with similar properties, combining experimental test and theoretical calculation, deviation between the calculated and experimentally measured values have been compared through a large amount of data to demonstrate the applicability and revisability of the correlations. The research results indicate that modified condensation heat transfer correlation proposed by M.K.Dobson et al(multiplied by the correction factor 2.13) shows good predictability of condensation heat transfer coefficient of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -14.13% to +15.51%. The friction pressure drop correlation proposed by X.C. Huang et al can well predict the friction pressure drop of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -13.58% to +12.56%. Both correlations can provide more accurate theoretical guidance for the calculation and design of heat exchanger. correlations; small diameter tube; condensation; heat transfer coefficient; pressure drop; R404A 0253- 4339(2017) 02- 0022- 07 10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.022 2016年7月13日 TK124；TB61+1 A 柳建华，男，教授，上海理工大学能源与动力工程学院，13817757889，E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向：制冷系统的优化匹配研究，制冷测试设备的应用研究。
