R134a在水平微通道内的压降特性分析

2018-08-03汪爱丽赛庆毅贾志彬

建筑热能通风空调 2018年6期

关键词：干度热流管内

汪爱丽赛庆毅贾志彬

1济宁职业技术学院汽车工程系

2上海理工大学能源与动力工程学院

3上海瑞晨环保科技有限公司

0 引言

随着能源危机的加深、环境污染的加重，能源的高效利用逐渐成为大家关注的焦点。各种微通道换热管，已由早期的二维矩形、梯形低肋管发展到现在的三维强化管（如Thermoexcel-C管、Turbo-C管等）[1-2]，凭借其换热效率高、占地面积小、工质充注量低等优点被广泛应用于各种换热器中，大大节约了能源在汽车、化工、微电子等诸多领域的消耗。为进一步扩展高效换热管的应用领域，对各种新型工质与强化换热管仍需大量研究。

R134a是一种不含氯元素的制冷剂，不仅具有不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性、无腐蚀性等安全性能，还对臭氧层无任何破坏作用，因其与R12具有相近的制冷量及制冷效率，而长期被看作优秀的替代制冷剂。翁文兵等[3]研究了R134a、R417A余与R22在热泵热水器内的使用，从制冷剂物性上分析了不同制冷剂之间换热性能的差别；刘杰等[4]同样对R134a在车用空调中的使用进行了详细的评述。为实现原有制冷剂和新开发高效传热管之间的配合性，迄今为止，国外对R134a在高效换热管内的换热特性作了大量研究并取得一定成果[5-9]。

为比较R134a制冷剂在不同尺寸强化管内的功耗特性，在两种孔径强化管内，实验以干度、质量流量、饱和温度、热流密度、强化管结构参数为影响因子，以压降为评价指标，分析了在不同水力工况下，工质流体流过不同强化管内的功耗，为换热器中的节能措施提供了方向。

1 实验装置

实验在一单管换热平台上运行，具体实验装置见图1。为避免润滑油对实验结果准确性的影响，系统采用隔膜泵代替压缩机为整个系统提供循环动力，通过调节隔膜泵的运转频率来调节制冷剂流量。

图1 实验装置原理图

试验系统主要包括三大循环：制冷剂循环、冷冻水循环、测试水循环。在制冷剂循环中，过冷制冷剂在泵的驱动下流向预热器，通过调节预热器加热电压、电流来调整其对制冷剂的加热量，进而使制冷剂在测试管进口处达到预定的干度状态。两相制冷剂在测试管内与管外的测试水进行热量交换，完成冷凝试验。通过视液镜观察制冷剂在测试管进出口状态。两相制冷剂在冷凝器内完全冷凝，达到过冷状态后进入储液器，进行下一步循环。冷冻水循环、测试水循环中都配有恒温水箱，通过调节恒温水箱温度来模拟恒定的外界实验环境。

实验段实质上为一套管式冷凝器，具体原理图见图2，制冷剂在测试管内流动，测试水在环形管道内流动，为避免试验段漏热，确保实验数据的准确性，在不锈钢套管外套有保温层。测试管选用两种不同型号矩形管，其截面图见图3，具体尺寸参数见表1。

图2 试验段示意图

图3 测试管截面图

表1 测试管尺寸参数

对于理论分析所需测量参数，系统除选用额定流量范围为0～200 L/h，型号为SJ3-M-200/2.8的隔膜泵提供系统的循环动力外，还选用精度为0.1℃的PT100铂电阻测量所有温度参数，使用前均进行了水浴标定，其所得相对误差均小于0.1%；选用德鲁克GE5072型号压力变送器测量试段段冷凝压力及储液器压力，其测量精度为0.2级，量程为0～42 bar；选用量程为0.05～6 kg/min，测量精度为0.1%，由RHM03传感器与RHE14变送器组成的质量流量计测量制冷剂循环流量；此外选用精度为0.5级，控制-显示一体型电磁流量计测量测试水流量。

试验运行时，外界水力工况设定为：质量流量350～600 kg/m2s；热流密度15～25 kW/m2；饱和温度35～45℃；干度0.1～0.8。实验选用R134为测试工质，在不同条件下其具体物性参数见表2。

表2 R134a物性参数

2 数据分析

制冷剂在测试管内的压降主要由摩擦压降、加速压降、重力压降三部分组成[10]，由于实验装置的局限性，本实验利用压差变送器直接测量制冷剂流过测试管的压力损失，即总压降，对其不再进行细化分析研究。

制冷剂在测试管进口焓值：

式中：il是制冷剂在预热器进口处焓值，根据所测温度、压力值计算得到；Q为在预热器内对制冷剂的加热量；mr为制冷剂在系统的质量流量。

式中：in为制冷剂在对应饱和压力下的液体焓值；iv为制冷剂在对应饱和压力下的气化潜热值。

制冷剂在试验段出口焓值：

式中：QT为制冷剂在试验段与管外水循环之间的换热量。

可得制冷剂在试验段出口处干度值：

实验中，以制冷剂在测试管进出口干度的平均值作为制冷剂在测试管内换热干度值的计算标准，即：

3 实验结果

本实验主要目的在于研究外界水力工况、管型尺寸对换热功耗的影响，因此实验数据分析时：选用制冷剂质量流量、饱和温度、热流密度、干度值四个参数来表征外界水力工况的干扰，选用管径来表征管型尺寸的干扰，选用压降为换热功耗的评介指标。

3.1 水力工况

图4所示为1#管中在热流密度为25 kW/m2、饱和温度为40℃的工况下，压降在不同干度、质量流量下的曲线变化。由图可知随着干度值的增加、制冷剂质量流量的增大，制冷剂在测试管内压降逐渐增大，这主要是由管内制冷剂气液剪切力随着干度的增加、质量流量的增大而增大造成的。在相同质量流量下，制冷剂气液速度差随着干度的增加而增加；在相同干度工况下，制冷剂气液速度差同样随着质量流量的增加而增加，这两者的增加均会造成较大的剪切力，进而增加制冷剂在管内的流动功耗[11-12]。

图4 压降与质量流量的关系

饱和温度对换热压降的影响如图5所示，在350 kg/m2s、15 kW/m2的工况条件下，随着冷凝温度的升高换热压降逐渐降低。对比R134a物性参数随饱和温度的变化关系可知：R134a的气液粘度比随着饱和温度的增加而增加，气液密度比随着饱和温度的增加而增大，这些均会导致较大的剪切力，造成更大的压力损失[12]。

图5 压降与饱和温度的关系

冷凝试验中，制冷剂蒸汽与管内壁之间的换热必须通过液膜，换热言之，液膜的换热特性直接影响到整体的换热特性。1#管内40℃饱和温度、500 kg/m2s质量流量的水力条件下，压降与热流密度之间的关系如6图所示。由图可得：在相同干度值、不同热流密度值的条件下，压降的区别并不大，即热流密度对压降的影响极小。这就预示着热流密度对管内液膜的粘度、密度、导热系数等理化参数的影响较小。

图6 压降与热流密度的关系

3.2 管型尺寸

数据分析时同样比较了相同水力条件下两种不同尺寸的测试管内的压降，如图7所示为在40℃饱和温度、500 kg/m2s质量流量、25 kW/m2热流密度的水力条件下压降在不同管型尺寸内的变化关系，由图可得：1#管压降明显高于2#管，且进行计算发现1#管压降约为2#管压降的1.19倍。虽然制冷剂在两种管型内具有相同的质量速度[13]，但在水力半径的影响下，制冷剂在1#管流动时消耗更多能量。