密潔霞，陶樂仁，鄭志皋，張慶鋼，魏義平，程建，趙慶霞，高曉凱

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

Φ7mm管內(nèi)HFC410A蒸發(fā)和冷凝性能的實驗研究

密潔霞，陶樂仁，鄭志皋，張慶鋼，魏義平，程建，趙慶霞，高曉凱

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

介紹了一種自主研制的基于泵驅(qū)動制冷劑循環(huán)的管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝實驗裝置，它可以進(jìn)行各種不同制冷劑、變流量的蒸發(fā)和冷凝實驗;在該實驗裝置上進(jìn)行的Φ7x0.23x0.18和Φ7x0.23x0.11管內(nèi)HFC410A蒸發(fā)和冷凝性能的比較實驗表明該實驗裝置是管內(nèi)蒸發(fā)/冷凝性能研究和銅管開發(fā)的有力工具。

HFC410A;銅管;蒸發(fā);冷凝;實驗研究

1 引言

當(dāng)前，如何應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為全社會日益關(guān)注的全球性問題，在家用空調(diào)行業(yè)，一方面，由于節(jié)能減排性能優(yōu)越，高效的變頻空調(diào)器越來越受到用戶的青睞;另一方面，為了減少制冷劑對地球大氣臭氧層的破壞，家用空調(diào)器正在逐步采用HFC410A等新型制冷劑來替代原來普遍使用的HCFC22。因此，空調(diào)器廠商都在競相開發(fā)HFC410A變頻空調(diào)器，其中，除變頻HFC410A壓縮機(jī)、電子膨脹閥等關(guān)鍵部件的開發(fā)外，蒸發(fā)器和冷凝器的開發(fā)也與采用HCFC22的定頻空調(diào)器有顯著不同:首先，HFC410A是一種近共沸制冷劑，其在管內(nèi)的蒸發(fā)和冷凝特性不同于純工質(zhì)HCFC22;其次，制冷劑質(zhì)量流率變化范圍比較大(達(dá)到1∶4);這明顯地影響到蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計及控制，因此，空調(diào)器的整機(jī)開發(fā)需要銅管管內(nèi)HFC410A蒸發(fā)和冷凝特性數(shù)據(jù)作為參考，所以各種不同制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝性能測試成為一個實驗研究熱點(diǎn)［1］。

原先，銅管管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝實驗裝置原理上基本上是基于壓縮機(jī)驅(qū)動制冷劑循環(huán)［5］，當(dāng)進(jìn)行不同種類制冷劑的實驗時，需要更換不同種類的壓縮機(jī)，并且即使在壓縮機(jī)的出口進(jìn)行油分離處理，也不能保證實驗絕對不受潤滑油的影響［6］。近年，有研究機(jī)構(gòu)(如ACRC)和廠商(如WOLVERINE［10］)開始采用基于泵驅(qū)動制冷劑循環(huán)的實驗裝置，無需更換泵即可以滿足多種不同制冷劑的實驗要求，同時可以避免油對實驗的影響。但是，由于存在下述技術(shù)難題，現(xiàn)在應(yīng)用還比較少。

(1)如何適應(yīng)各種不同種類的制冷劑;

(2)如何避免泵吸入口的穴蝕而影響泵的正常運(yùn)行;

(3)如何實現(xiàn)制冷劑質(zhì)量流量的變化;

(4)如何兼顧蒸發(fā)和冷凝性能實驗;

(5)如何消除制冷劑循環(huán)回路的振蕩;

(6)如何有效地控制實驗段進(jìn)出口的過熱度或過冷度;

(7)如何平衡寬量程的精確測量。

克服上述各種技術(shù)難題，上海理工大學(xué)成功研制出基于泵驅(qū)動制冷劑循環(huán)的單管管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝特性實驗裝置，它能夠進(jìn)行多種不同制冷劑、變質(zhì)量流率的完全不受潤滑油影響的管內(nèi)蒸發(fā)實驗和冷凝實驗。

2 實驗裝置

2.1 實驗裝置原理

如圖1所示，實驗裝置由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、實驗段等組成。

圖1 基于泵驅(qū)動制冷劑循環(huán)的換熱器蒸發(fā)和冷凝實驗裝置原理框圖

圖1中，隔膜泵8、板式換熱器13、電子膨脹閥2、實驗段1、電子膨脹閥3、冷凝儲液罐5和板式換熱器6組成制冷劑循環(huán)回路，制冷劑流量由隔膜泵8的行程調(diào)節(jié)，由質(zhì)量流量計12測量;冷凍水機(jī)組15、冷凍水泵16、恒溫水箱17和水泵19、電動三通閥20、板式換熱器6、板式換熱器25、冷凝儲液罐5組成冷凍水系統(tǒng);實驗段由3段逆流套管換熱器組成，每段長約217cm，內(nèi)管是待測試的銅管，外管是保溫鋼管，制冷劑在內(nèi)管管內(nèi)流動，水在套環(huán)內(nèi)流動，由板式換熱器25、恒溫水箱26和水泵21組成套管式換熱器的水循環(huán)回路，水流量由體積流量計27測量;另外，板式換熱器13和水泵24、恒溫水箱22組成一個制冷劑預(yù)熱水回路。蒸發(fā)過程:板式換熱器25不工作，制冷劑液體從冷凝儲液器中出來經(jīng)過板式換熱器6，過冷后被液壓隔膜泵8加壓，利用恒溫水箱22控制制冷劑的過冷度，液體通過電子膨脹閥2節(jié)流后在實驗段進(jìn)行蒸發(fā)實驗，再回到儲液器中冷凝;而冷凝過程:制冷劑液體從冷凝儲液器中出來經(jīng)過板式換熱器6，過冷后被液壓隔膜泵8加壓后在板式換熱器13中被加熱而蒸發(fā)，飽和或過熱的制冷劑氣體在實驗段冷凝，再回到儲液器中。

制冷劑循環(huán)采用隔膜泵驅(qū)動，隔膜材料選用聚四氟乙烯，因此，可以適應(yīng)現(xiàn)有的各種不同的制冷劑;同時由于隔膜的內(nèi)外隔離效果，可以實現(xiàn)無潤滑油影響的純制冷劑循環(huán)。

圖2 蒸發(fā)和冷凝性能實驗的熱力過程原理圖

如圖2所示，蒸發(fā)工況熱力過程:4－1－5－6－7－3－4;而冷凝工況熱力過程:2－3－8－9－10－2。

蒸發(fā)和冷凝工況時，控制參數(shù)的調(diào)節(jié)見表1。

表1 實驗裝置調(diào)節(jié)

2.2 換熱系數(shù)計算方法［12］

其中

式中，Φ為換熱量，·m為質(zhì)量流量，cp為定壓比容，T為溫度，h為制冷劑的焓值，water表示水側(cè)，refri表示制冷劑側(cè)，out表示出口側(cè)，in表示進(jìn)口側(cè)，error為精度，ΔTm為對數(shù)平均溫差。

對于管道內(nèi)的強(qiáng)制對流傳熱，最普遍的關(guān)聯(lián)式是Dittus－Boelter公式:

(其中，c=0.023，m=0.8，加熱流體時n=0.4，冷卻流體時n=0.3)

式中，F(xiàn)o為換熱面積，K為傳熱系數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Nu為努賽爾數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，u為速度，Deo為當(dāng)量直徑，v為粘性系數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

3 管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝性能實驗

為了強(qiáng)化換熱器的傳熱和節(jié)約換熱器材料，家用空調(diào)器用的銅管有不斷小型化的趨勢，目前，管徑Φ7mm的銅管正在逐步替代管徑Φ9.52mm銅管，因此，實驗選用了新開發(fā)的兩款Φ7mm銅管進(jìn)行了管內(nèi)HFC410A蒸發(fā)和冷凝性能的比較實驗，銅管的幾何參數(shù)見表2，圖3為銅管的剖面圖。

表2 銅管的幾何參數(shù)

圖3 銅管的剖面圖

3.1 蒸發(fā)過程換熱系數(shù)和阻力

如圖4所示，蒸發(fā)工況管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)與制冷劑質(zhì)量流率之間呈上凸的拋物線關(guān)系，變化率逐漸減小:當(dāng)質(zhì)量流率從 150Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管換熱系數(shù)從1800W/m2－K 迅速增長到 5200W/m2－s，Φ7x0.23x0.11銅管換熱系數(shù)從1500W/m2－K迅速增長到4600W/m2－s;而當(dāng)質(zhì)量流率從300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管換熱系數(shù)只從5200W/m2－K增長到約5900W/m2－s，Φ7x0.23x0.11銅管換熱系數(shù)只從4600W/m2－K增長到約5200W/m2－s。

如圖5所示，蒸發(fā)工況管內(nèi)側(cè)單位長度的壓力降與制冷劑質(zhì)量流率之間呈下凸的拋物線關(guān)系，變化率逐漸增大:當(dāng)質(zhì)量流率從150Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管單位長度的壓力降從1.5KPa/m上升到5.7KPa/m，Φ7x0.23x0.11銅管單位長度的壓力降從1.7KPa/m上升到6.0KPa/m;而當(dāng)質(zhì)量流率從300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管單位長度的壓力降從5.7KPa/m上升到9.3KPa/m，Φ7x0.23x0.11銅管單位長度的壓力降從6.0KPa/m上升到11.3KPa/m。

3.2 冷凝換熱系數(shù)和阻力

如圖6所示，冷凝工況管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)與制冷劑質(zhì)量流率之間呈上凸的拋物線關(guān)系，變化率逐漸減小:當(dāng)質(zhì)量流率從 120Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管換熱系數(shù)從3000W/m2－K 迅速增長到 8700W/m2－s， Φ7x0.23x0.11銅管換熱系數(shù)從2500W/m2－K迅速增長到7500W/m2－s;而當(dāng)質(zhì)量流率從300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管換熱系數(shù)只從8700W/m2－K增長到約9000W/m2－s，Φ7x0.23x0.11銅管換熱系數(shù)只從7500W/m2－K增長到約8100W/m2－s。

如圖7所示，蒸發(fā)工況管內(nèi)側(cè)單位長度的壓力降與制冷劑質(zhì)量流率之間呈下凸的拋物線關(guān)系，變化率逐漸增大:當(dāng)質(zhì)量流率從120Kg/m2－s上升至300Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管單位長度的壓力降從 0.4KPa/m 上升到 2.2KPa/m，Φ7x0.23x0.11銅管單位長度的壓力降從0.3KPa/m上升到2.4KPa/m;而當(dāng)質(zhì)量流率從300Kg/m2－s上升至400Kg/m2－s時，Φ7x0.23x0.18銅管單位長度的壓力降從2.2KPa/m上升到3.7KPa/m，Φ7x0.23x0.11銅管單位長度的壓力降從2.4KPa/m上升到3.9KPa/m。

綜上所述，冷凝工況的換熱系數(shù)高于蒸發(fā)工況，而單位長度壓力降低于蒸發(fā)工況;同時可見，Φ7x0.23x0.18銅管在蒸發(fā)和冷凝總體性能上略優(yōu)于Φ7x0.23x0.11銅管。

4 結(jié)論

基于泵驅(qū)動制冷劑循環(huán)的管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝實驗裝置優(yōu)于基于壓縮機(jī)驅(qū)動制冷劑循環(huán)的實驗裝置，能夠進(jìn)行多種不同制冷劑、變質(zhì)量流率的管內(nèi)蒸發(fā)實驗和冷凝實驗，且可以徹底避免潤滑油對蒸發(fā)和冷凝性能的影響。從以上的實驗數(shù)據(jù)可以分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)冷凝工況的換熱系數(shù)高于蒸發(fā)工況，而單位長度壓力降低于蒸發(fā)工況。

(2)蒸發(fā)過程的換熱系數(shù)與質(zhì)量流率關(guān)系呈凸拋物線，變化率逐漸減小;流動阻力呈凹拋物線，變化率逐漸增大。

(3)冷凝過程的換熱系數(shù)與質(zhì)量流率關(guān)系呈凸拋物線，變化率逐漸減小;流動阻力呈凹拋物線，變化率逐漸增大。

(4)Φ7x0.23x0.18銅管的流動換熱性能略優(yōu)于Φ7x0.23x0.11銅管。

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Experimental Study on HFC410A Evaporation and Condensation Performance in Φ7mm Tube

MI Jie－xia，TAO Le－ren，ZHENG Zhi－gao，ZHANG Qing－gang，WEI Yi－ping，CHENG Jian，ZHAO Qing－xia，GAO Xiao－kai
(School of Energy＆Power Engineering，Shanghai University of Science and Technology，Shanghai 200093，China)

This paper introduces an independent research experiment device，which based on evaporation and condensate in pump drive cooling refrigerant cycle tube.This device could be used for different evaporation and condensate test of refrigerant and Variable flow.Through HFC410A evaporation and condensate ability test in Φ7x0.23x0.18 and Φ7x0.23x0.11 tube on this device，the result shows this device a strong ability instrument for copper tube＇s evaporation and condensate ability test.

HFC410A;copper tube;evaporation;condensation;experimental study

book=25,ebook=13

TB61

A

1009－3842(2012)05－0025－04

2012－07－02

國家高技術(shù)研究發(fā)展謀劃項目(2008AA05Z204)

密潔霞(1987－)，女，廣東肇慶人，研究生，主要從事單管換熱性能實驗研究。E－mail:jiexiamilove@163.com