R134a及其混合物管外凝结换热特性的试验研究

张定才, 黄军亚, 梁 冰, 冀文涛, 郑惠敏, 王长通

(1.中原工学院 能源与环境学院, 河南 郑州 450007; 2.西安交通大学 能源与动力工程学院,陕西 西安 710049; 3.中原工学院 图书馆, 河南 郑州 450007; 4.中原工学院 学报编辑部, 河南 郑州 450007)

制冷剂替代是目前面临的一项紧迫任务。为了替代有危害的HFCs(氢氟烃)制冷剂,人们开始选择那些ODP(消耗臭氧潜能值)为零的制冷工质来减少对臭氧层的破坏。此前,国内外许多研究者对不同制冷剂的换热性质进行了研究[1]。Fernandez等研究了Cu/Ni Turbo-C管混合制冷剂R417A、R422A和R422D等替代R22的管外凝结传热特性[2]。Zhao等对R134a和R404A在具有二维和三维翅片结构的单水平增强管外的凝结传热的研究表明,在增强低导热管的冷凝传热方面,三维翅片表面比二维翅片表面更合适[3]。Ji等在饱和温度为36 ℃的条件下,研究了R134a、R1234ze(E)和R1233zd(E)在三维增强管上的冷凝传热特性[4]。Li等研究了R410A在光滑管、人字管等增强管外的两相传热问题,并对光滑管外冷凝传热的努赛尔方程进行了改进[5]。Mostafa等通过实验,分析了R134a在水平光滑管和翅片增强管上的冷凝液淹没对冷凝传热的影响[6]。Kumar等在40 °C的饱和温度下,对R134a的流动冷凝过程进行三维数值模拟,比较了光滑管和强化管下的平均传热系数和压降[7]。张定才等对R417A与R22的凝结换热特性进行比较,并分析了R134a/R125混合工质水平管外的凝结换热特性[8-9]。

通过查阅文献发现,国内外对不同制冷剂在同一管外的对比研究还不够充分。本文在40 ℃工况下,针对R134a、R134a/R125(其中R125占比分别为6%、12%、18%)、R417A(R134a、R125、R600浓度分别为50%、46.6%、3.4%)几种不同的制冷剂,进行光管与强化管外部的凝结换热试验,分析对比它们的换热特性,并用Wilson热阻分离法从总传热热阻中分离出管外凝结换热系数,以进一步充实制冷剂管外凝结传热的基础数据。

1 试验系统

试验在相变传热试验台上进行,其原理可参考文献[8-9]。将制冷剂在蒸发筒内加热至沸腾,使蒸汽进入冷凝筒,被冷凝后再流入蒸发筒。采用铂电阻温度计测量筒内制冷剂温度和冷却水加热水的温度。

本文对光管和C33强化管进行了试验。该强化管为三维强化管(见图1)。试验用管的结构参数如表1 所示。试验中选取长度为1 500 mm的光管和强化管,并将它们放在水平的冷凝筒内。

表1 试验用管的结构参数

图1 C33强化管剖面

2 数据处理

总传热系数按式(1)进行计算。

(1)

针对光管计算时,其内表面传热系数根据Gnielinski[10]公式来计算。

针对强化管计算时,选定管的外表面面积后,管外凝结换热系数采用Wilson热阻分离法从总传热热阻中分离出来,如式(2)所示。

(2)

采用“二次幂法”[11-12]进行分析,得到的总传热系数不确定度为4.3%,凝结换热系数的不确定度为13.2%。

3 试验结果与分析

3.1 试验系统的可靠性验证

Nusselt理论解是验证管外凝结换热的可靠关系式。可将R134a作为试验对象,利用光管在40 ℃工况下进行凝结换热试验,并根据试验结果与Nusselt值绘制图2,进行比较。

图2 光管理论解与试验结果的比较

在本文的测试范围内,试验结果稍大于理论解,大了5%左右,最大偏差未超过10%,且试验结果与理论解的变化趋势是一致的。因此,可认为试验系统和测试结果是可靠的。

3.2 R125浓度对光管外凝结换热的影响分析

针对光管进行的凝结换热系数测试结果如图3所示。

图3 光管的凝结换热系数

从图3可以看出:随R125浓度的增大,光管外表面凝结换热系数呈逐步下降的趋势;在热流密度为25 kW/m2时,含6%、12%、18%R125的R134a混合工质的表面换热系数分别为R134a的91.1%、87.5%、79.8%;当逐渐增大热流密度时,其管外凝结换热系数是逐渐减小的。值得注意的是,随着热流密度的增加,管外凝结换热系数随R125浓度增加而下降的幅度呈减小趋势。

3.3 R125浓度对强化管外凝结换热的影响分析

对于强化管C33,管外凝结换热系数随R125浓度的增大呈下降的趋势(见图4),与光管较为相似,在热流密度为25 kW/m2时,含6%、12%、18%R125的R134a混合工质的表面换热系数分别为纯R134a的44.4%、32.9%、28.1%。与光管不同的是,对于强化管除R134a外,含R125的R134a混合工质的管外凝结换热系数随热流密度的增大而增大。这是因为热流密度较低时,沸点较低的成分尚未开始凝结或凝结速率较低,其聚集在管表面,在一定程度上起着不凝性气体的作用,随着热流密度的增大,壁面温差增大,低沸点成分凝结速率也随之增大,从而使凝结换热系数增大。

图4 C33强化管的凝结换热系数

3.4 光管与强化管外凝结换热的比较

综合图3、图4可以发现,强化管C33凝结换热系数始终高于光管,这是因为光管表面加肋处理后能够充分利用表面张力,使肋顶处液膜变薄,于是表面传热的热阻显著降低。当热流密度为25 kW/m2时,R134a及含6%、12%、18% R125的R134a混合物在强化管外凝结换热系数分别是相同热流密度下光管的15.27倍、7.45倍、5.74倍、5.38倍,而强化管R417A管外凝结换热系数相对于光管的强化倍率为6.69。

分析可知,相同管型的凝结换热系数呈现出:一元工质大于二元工质,而二元工质大于含46.6%R125的三元工质。R134a管外凝结换热热阻仅为凝结液膜热阻,而二元混合工质及R417在换热过程中不仅会产生冷凝液膜热阻,还会带来蒸汽扩散热阻,导致了其管外凝结换热热阻大于R134a的结果。

4 结论

对制冷剂R134a、R134a/R125二元混合物以及R417A在光管和强化管外的凝结换热试验研究表明:

(1) 随着热流密度的增大,凝结液膜会增厚,导致光管外凝结换热系数减小;在强化管外,受混合物扩散热阻的影响,其凝结换热系数随热流密度的增大而增大。含有不同比例R125的混合物管外凝结换热系数均小于R134a,表明纯工质的凝结换热性能好于混合物。

(2) 强化表面可以增强凝结换热性能,其管外凝结换热系数均高于光管,当热流密度为25 kW/m2时,R134凝结换热系数强化倍率为15.27;R134a/R125在R125占比分别为6%、12%、18%时,在强化管外的凝结换热系数分别是光管的7.45倍、5.74倍、5.38倍,R417A在强化管外凝结换热系数相对于光管的强化倍率为6.69。

(3) 制冷剂管外凝结换热系数表现出纯工质高于二元混合物,而二元混合物又高于三元工质的特点。