管内R32流动冷凝换热特性的研究

范立娜 张聚国

山东鲁新设计工程有限公司济南分公司

0 前言

随着能源危机的加深、环境污染的加重，制冷行业广泛应用的HCFCs 制冷剂对大气环境的破坏作用被引起注意，HCFCs替代制冷剂的研究逐渐成为研究的焦点。林小茁[1]、王朝鑫[2]提出R32是一种和谐兼顾减排、节能、安全、市场和替代物转轨等诸方面要求、很有前景的替代R22、R410A 的长期制冷剂。王超[3]、秦妍[4]等针对R32制冷系统排气温度过高问题均提出相应解决方案，并通过试验验证了对应方案的可行性，Xu et al[5]也对R32 热泵系统的性能进行了分析。

对于R32工质换热器的换热特性，杨英英[6]、王欢[7]分别对水平光管内R32 两相冷凝换热机制、管内流型受试验变量的影响规律进行了试验研究。此外，Belchã et al[8]仅对R32、R410A的冷凝换热特性进行了对比研究，而Li et al[9]则扩大了制冷剂的验证范围，检测工质主要包含R447A、R1234ze、R134a和R32，根据试验数据，对不同制冷剂变现出的不同换热特性进行对比分析。

本文主要对内径为5 mm、6 mm 和8 mm 的水平光管内R22、R32的流动冷凝换热特性进行分析，除对工况条件、管径、制冷剂物性对换热特性的影响进行分析外，还对换热器两侧换热热阻受工况条件的影响进行了定量分析，进而为换热器强化换热提供方向。

1 试验装置

管内R32 流动冷凝换热试验系统如图1 所示，系统主要由制冷剂循环、水循环、数据采集系统三部分组成。R32 流动循环过程为：储存于储液器的过冷制冷剂在隔膜泵的驱动下经质量流量计流入预热器，在预热器内的电加热管作用下被加热到过热状态，尔后进行换热管，在换热管内完全冷凝完成冷凝试验。然后，经膨胀阀节流后进入冷凝器做进一步过冷处理，最终流入储液器，完成下一循环。

图1 试验系统图

换热管有效换热区域本质上为一套管式冷凝器，制冷剂在试验管内流动，冷却水在环形管道内流动。试验选用内径分别为5 mm、6 mm、8 mm的光管为换热管，对应编号为1#、2#和3#。

选用PT100铂电阻测量系统内流体温度，选用0.075 级压力变送器测定系统各处压力值，选用美国Fisher-Rosemount质量流量计来测量制冷剂循环流量，其精度为0.15 级。试验选用西门子PLC S7-300 监控系统参数，用三维力控程序编制管内流动冷凝换热试验台数据采集程序，方便观察系统运行主要参数及参数变化趋势。

2 数据处理

试验运行时，首先运行R22 冷凝试验，待所有工况运行完毕，对R22进行回收，进行抽真空处理，再次冲入R32，在相同试验工况下运行同样试验，R32、R22 的物性参数见表1。试验设定工况为：制冷剂质量流量500~1 100 kg/(m2·s), 冷凝温度为35 ℃、40 ℃和45 ℃，冷冻水雷诺数 Re 为10 000、20 000、40 000。

表1 R22、R32的物性参数

选用冷却水吸热量为试验管换热量的计算标准，即：

选用热阻分离法对试验管内外侧换热系数进行计算，并以试验管外表面积为标准。

试验管总换热系数K为：

环形管道内冷却水并没有发生相变，因此使用公式Gnielinski[10]对冷却水换热系数进行计算，即：

由公式(2)、(3)计算所得总换热系数、冷却水换热系数，即可根据热阻分离法求得管内制冷剂换热系数，即：

式中：

tw,in、tw,out——冷却水进出口温度，℃；

Cp——冷却水比热容；

△t——换热平均温差，℃；

Ai/Ao——分别为试验管内外表面积，分别由试验管内外径Di/Do计算而得；

l——有效换热长度。

最后使用误差传递公式(5)、(6)对换热系数的可靠性进行分析，即：

经计算，总传热系数的不确定度为8.47%，冷却水换热系数的不确定度为2.95%，管内制冷剂换热系数不确定度为9.51%。

3 结果与分析

管内流型与管内换热特性密切相关，经计算，试验运行工况下试验管内制冷剂流型主要为环状流。

3.1 换热系数

冷凝温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃，制冷剂质量流量500~1 100 kg/(m2·s)，冷冻水Re为20 000的工况下，1#管内R32换热系数受工况条件的影响规律如图2 所示。由图2 可知，管内换热系数随质量流量的增加而增大，这是因为管内两相流气相/液相流速均随质量流量的增加而增大，且气相密度小于液相密度，致使气相流速增加比重大于液相流速增加比重，可造成更大的气液界面剪切力，即质量通量主要通过管内两相流湍流度增强管内换热特性。

图2 工况条件对换热系数的影响

管内换热系数随着冷凝温度的降低而增大。由表1 可得：管内R32 气相速度随着温度的升高而减小、液相速度随着温度的升高而增大，即气液速度差随着温度的升高而减小，进一步降低管内液膜湍流度；此外，R32 液相导热系数随着温度的降低而增大。即：温度越低，管内液膜导热系数越高，管内两相流湍流度越大，均可促进管内换热效果。

虽然针对管内换热特性受换热管结构参数影响的研究已有很多，但是，对于管径对管内换热机制的影响，部分学者的试验研究与理论结论相悖。理论上，相同工况下，虽然管内气液相流速相同，但在小管径试验管内液膜厚度较小，使管内气相制冷剂与管内壁之间换热热阻减小，管内换热特性可通过管径的减小得到强化，而在Baird[11]的研究中，管径的变化对管内R123 换热系数的影响很小。因此，为明确管径对管内换热机制的影响，本文对35 ℃冷凝温度、20 000 测试水Re 工况下，试验管内R32 流动冷凝换热系数随管径的变化关系进行了研究，实验结果如图3所示：管内R32换热系数随着管径的减小而增大，其中，1#管内换热系数约是2#管内换热系数的1.083~0.152倍，约是3#管内换热系数的1.263~1.349倍。

图3 管径对换热系数的影响

R32 作为R22 的替代性制冷剂，大量学者对两者的制冷系统性能进行了对比研究。除王超[12]对空调系统内R32和R22的制冷量、COP进行对比分析外，史琳[13]则从减排、安全、市场、性能方面对R32的可替代性进行了对比分析。

本文主要对管内R32 和R22 的流动冷凝换热特性进行了对比，具体对比结果见图4。由图4 可知，R32的换热系数约是R22的换热系数的1.576~1.718倍，高约2.68~ 5.59 kW/(m2·K)，且换热强化倍率、换热系数提高幅度均随着质量流量的增加而增大。制冷剂物性间的差异决定了管内不同制冷剂表现出不同的换热效果。由表1 可得，R32 的气液密度比大于R22 的气液密度比，说明在相同工况下，R32 具有更大的气液界面剪切力，此外，R32 的液相密度小于R22，表征管内液膜较大的流速，两者均可增强液膜内湍流效果；冷凝换热中，液膜热阻是管内侧换热主要热阻，而R32 较大的液相导热系数使管内液膜换热热阻降低。物性上的优势，使R32 表现出较好的换热特性。

图4 制冷剂物性对换热系数的影响

3.2 换热热阻

在确定换热器强化换热措施时，需首先明确换热热阻的主要部分，只有首先削弱主导热阻才能使换热效果得到有效强化。因此，为获得不同工况下换热器强化换热的改进方向，试验对换热器两侧热阻在不同工况下占总热阻比重进行了定量分析，定义为：

冷却水热阻占总热阻比重：

制冷剂热阻占总热阻比重：

以制冷剂热阻占总热阻比重Rhr为指标，对不同工况下试验管两侧热阻变化进行分析，进而针对不同工况采取的换热强化措施提供指导方向。当Rhr>50%时，说明制冷剂热阻在总热阻中占据主要部分，强化换热需从制冷剂侧采取强化措施；当Rhr<50%时，说明冷却水热阻在总热阻中占据主要部分，强化换热需从冷却水侧采取强化措施。

质量流量为500~1100 kg/(m2·s)、冷凝温度为35 ℃、冷却水Re为10 000、20 000、40 000的工况下，1#试验管内R22、R32冷凝换热过程中制冷剂热阻占总热阻比值Rhr随试验工况的变化如图5 所示。由图5可知：1）制冷剂热阻占总热阻比值Rhr随质量流量的增加而减小，随冷却水Re 的增加而增大；在试验工况范围内，试验管换热的主导热阻随工况的改变而改变，随着制冷剂质量流量的增大，主导热阻由冷却水热阻逐渐变为制冷剂热阻。制冷剂换热系数随质量流量的增加而增大，而冷冻水换热系数随冷却水Re 的增加而增大，试验管换热量保持恒定时，试验管一侧换热特性增强时，另一侧换热特性必定减弱，即两侧换热热阻此消彼长；2)相同工况下，R32热阻占总热阻比值Rhr小于R22热阻占总热阻比值Rhr，两者相差值约为0.077~0.103，这主要是R32、R22两种制冷剂物性(主要为气化潜热值、气液密度比、导热系数等)的差异导致不同的换热效果的宏观体现。

图5 制冷剂热阻比重受工况条件的影响关系

综上可得：在对换热强化措施进行研究时，需根据不同制冷剂在具体工况表现出的特定效果进行具体分析。

4 结论

在5 mm、6 mm、8 mm 内径光管内运行R22、R32 流动冷凝换热试验，除对工况条件、管径、制冷剂物性对管内换热系数的影响进行分析外，并对试验管两侧热阻变化进行了定量分析，为换热强化提供方向，主要结论如下：

1）管内R32换热系数随着质量流量的增加、冷凝温度的降低而增大；管内换热特性可通过管径的减小进行强化，其中，1#管内换热系数约是2#、3#管内换热系数的1.083～0.152倍、1.263～1.349倍。

2）相同工况下，R32的换热系数约是R22的换热系数的1.576~1.718倍，高约2.68～5.59 kW/(m2·K)，且质量流量的增加对两者的换热强化倍率、换热系数提高幅度均起到促进效果。

3）对换热器换热热阻进行分析时发现：制冷剂热阻占总热阻比值Rhr随质量流量的增加而减小，随着测试水Re 的减小而增大；随着制冷剂质量流量的增大，试验管换热主导热阻由冷却水热阻逐渐变为制冷剂热阻；R32 热阻占总热阻比值Rhr小于R22，两者相差值约为0.077～0.103。