鄒思凱，戴源德，何國(guó)庚

（1南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱的研究進(jìn)展

鄒思凱1，戴源德1，何國(guó)庚2

（1南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

R290（丙烷）及其混合制冷劑具有優(yōu)秀的環(huán)保性和熱物性，是理想的替代制冷劑，但存在可燃的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱的研究，可以優(yōu)化制冷系統(tǒng)的換熱器，減少充灌量，降低R290及其混合制冷劑的可燃性。本文綜述了國(guó)內(nèi)外R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱的研究，表明R290及其混合制冷劑擁有接近或超越傳統(tǒng)合成制冷劑的相變換熱性能。列出并對(duì)比了相關(guān)研究中得到的相變換熱關(guān)聯(lián)式，匯總了相關(guān)研究中質(zhì)量流量、熱流密度、干度等因素對(duì)相變換熱的影響。指出當(dāng)前研究大多在過(guò)去常用的傳熱管進(jìn)行，為了降低R290及其混合制冷劑的可燃性，減少制冷系統(tǒng)的制冷劑充灌量，必須對(duì)R290及其混合制冷劑在小管徑（7mm、6mm、5mm，甚至4mm）傳熱管內(nèi)相變換熱的關(guān)聯(lián)式和影響因素進(jìn)行深入研究。

丙烷；相變；傳熱；流動(dòng)；混合制冷劑；水平管

由于氟利昂R22具有破壞臭氧層和加劇溫室效應(yīng)的環(huán)境問(wèn)題，根據(jù)《蒙特利爾議定書》第19次締約方會(huì)議的決定，將被加速淘汰，尋找新的替代制冷劑已經(jīng)成為制冷界的迫切任務(wù)。目前，R22的替代制冷劑主要是HFCs和天然制冷劑，如R410A目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于變頻空調(diào)產(chǎn)品中，但R410A排氣壓力比R22大，尤其是R410A具有比R22還高的全球變暖潛能值（GWP），并不是R22的理想替代品，而被普遍認(rèn)為只是過(guò)渡替代產(chǎn)品，特別是近年來(lái)國(guó)際社會(huì)對(duì)全球變暖問(wèn)題的重視，HFCs等普遍具有高GWP的替代制冷劑，將面臨越來(lái)越嚴(yán)格的使用限制。與此同時(shí)，天然制冷劑R290及其混合制冷劑由于優(yōu)越的環(huán)保特性越來(lái)越受人們關(guān)注，其中R290被中國(guó)房間空調(diào)器HCFCs淘汰管理計(jì)劃（HPMP）明確為未來(lái)中國(guó)房間空調(diào)器行業(yè)首選替代制冷劑。SPATZ等［1］認(rèn)為，R290的制冷性能要高于R22；何國(guó)庚等［2］認(rèn)為，R290熱力性能與環(huán)保性能均好于R410A和R407C，是小型房間空調(diào)器用R22的理想替代制冷劑；WONGWISES等［3］發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，R290/R600（60%/40%）能夠代替R134a在同一臺(tái)家用冰箱內(nèi)工作；TIAN等［4］發(fā)現(xiàn)，R32/R290（68%/32%）在房間空調(diào)內(nèi)制冷性能與COP均優(yōu)于R410A。

由于R290及其混合制冷劑具有與R22不同的熱物理性質(zhì)，為了降低R290及其混合制冷劑的可燃性風(fēng)險(xiǎn)，需要盡可能減少制冷系統(tǒng)中R290及其混合制冷劑的充灌量，這樣作為制冷系統(tǒng)中對(duì)制冷劑充灌量起關(guān)鍵作用的換熱器的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。由于R290及其混合制冷劑應(yīng)用于制冷系統(tǒng)時(shí)，在冷凝器和蒸發(fā)器中主要換熱特性分別為管內(nèi)凝結(jié)和管內(nèi)沸騰，本文將就R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱的最新研究成果作概括性的分析與介紹。

1　R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱性能的研究現(xiàn)狀

1.1R290及其混合制冷劑與R22相變換熱性能的對(duì)比

1987年，國(guó)際社會(huì)簽訂的蒙特利爾議定書制定了常用制冷劑CFCs和HCFCs的禁用進(jìn)程，這促進(jìn)了對(duì)R290及其混合物作為制冷劑工質(zhì)的初期探索。當(dāng)時(shí)學(xué)者們想要替代的主要對(duì)象是會(huì)破壞臭氧層的R22。因此在對(duì)R290及其混合制冷劑的研究初期，與R22的相變換熱性能對(duì)比研究是研究的重點(diǎn)，能夠直觀反映R290及其混合制冷劑與R22換熱性能的優(yōu)劣。所以，一些學(xué)者進(jìn)行了與R22相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)R290及其混合制冷劑換熱性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)。

SHIN等［5］先后對(duì)純工質(zhì)（R22、R32、R134a、R290、R600a）和不同配比下混合工質(zhì)（R32/R134a、R290/R600a、R32/R125a）在管徑7.7mm的水平光滑管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱特性進(jìn)行了研究，在相同測(cè)試條件下，R290、R600a的沸騰換熱性能相近，皆優(yōu)于R22，R290/R600a（75%/25%）的沸騰換熱系數(shù)最高。在CHANG等［6］的研究中，R290等HCs在管徑為8mm的水平光滑管內(nèi)凝結(jié)換熱性能和沸騰換熱性能均優(yōu)于R22，且HCs液相的黏度也低于R22，表明其強(qiáng)化換熱性能潛力更優(yōu)。LEE等［7-8］對(duì)環(huán)保工質(zhì)R600a、R1270、R290和R22在管徑9.52mm和12.70mm水平光滑管內(nèi)進(jìn)行了相變換熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明R600a、R1270、R290在各工況下平均沸騰換熱系數(shù)分別比R22高55.4%、72.3%、67.7%，平均凝結(jié)換熱系數(shù)分別比R22高68%、60%、70%。PARK等［9］發(fā)現(xiàn)，在8.8mm的水平強(qiáng)化管內(nèi)，R290等HCs制冷劑凝結(jié)換熱系數(shù)均比R22高。RAJ等［10］模擬研究了M20（R407C/R290/R600a）與R22在管徑9.52mm的翅片管式蒸發(fā)器的管內(nèi)沸騰換熱性能，研究者對(duì)比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，M20的沸騰換熱性能比R22高13.75%～16.53%。肖航等［11］通過(guò)對(duì)R290與R22在管徑2mm的水平光滑管內(nèi)凝結(jié)換熱進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在飽和溫度和質(zhì)量流速相同的情況下，R290的凝結(jié)換熱系數(shù)總體上大于R22。

從對(duì)比研究的結(jié)果來(lái)看，R290及其混合制冷劑的管內(nèi)相變換熱系數(shù)要高于R22，這使得R290及其混合制冷劑制冷系統(tǒng)能夠采用比R22制冷系統(tǒng)換熱面積更小的換熱器。

1.2R290及其混合制冷劑與現(xiàn)有R22替代制冷劑相變換熱性能的對(duì)比

由于R290具有可燃性，在過(guò)去幾十年內(nèi)都未在房間空調(diào)器等常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中實(shí)際使用。而在這幾十年里，也誕生了很多新的人工合成制冷劑，如R134a、R410A等，這些制冷劑雖然不會(huì)破壞臭氧層，但是卻都有著很高的GWP，會(huì)加劇全球變暖。R290及其混合制冷劑雖然有著良好的環(huán)保性能，但是其換熱性能是否能夠接近或超越現(xiàn)有R22替代制冷劑將決定對(duì)其深入研究的價(jià)值。部分學(xué)者為了得到答案進(jìn)行了R290及其混合制冷劑與現(xiàn)有R22替代制冷劑相變換熱性能的對(duì)比研究。

韓曉霞［12］在對(duì)R290和R404A在管徑9.52mm的水平光滑管和內(nèi)螺紋管內(nèi)沸騰換熱特性的研究發(fā)現(xiàn)，R290在光滑管內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)要高于R404A，但R404A的內(nèi)螺紋管內(nèi)強(qiáng)化沸騰換熱性能更佳。WEN等［13-14］研究了對(duì)R134a、R290、R600及R290/R600（50%/50%）在管徑2.46mm的水平蛇形微通道內(nèi)凝結(jié)換熱，研究表明，在相同工況下，R290、R600和R290/R600的凝結(jié)換熱系數(shù)分別比R134a的高89%、124%、155%。同時(shí)，研究者還研究了R134a、R290、R600及R290/R600（55%/45%）在管徑2.46mm水平蛇形微通道內(nèi)的沸騰換熱，在相同工況下，R290、R600和R290/R600的沸騰換熱系數(shù)分別比R134a的高71%、33%、67%。CHO等［15］在對(duì)CO2純工質(zhì)及不同配比下CO2/R290在4.00mm的光滑管和4.13mm微肋管內(nèi)的沸騰換熱特性研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在光滑管或是微肋管內(nèi)，純的CO2工質(zhì)沸騰換熱性能要略高于CO2/R290工質(zhì)，但采用CO2/R290混合工質(zhì)既能有效避免制冷系統(tǒng)在使用CO2純工質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的較高壓力，又能夠大大降低R290的可燃性。而在所有CO2/R290工質(zhì)配比里，CO2/R290（75%/25%）的沸騰換熱系數(shù)最高。劉芳［16］和韓北鯤［17］在對(duì)R32/R290（68%/32%）和R410A管徑6mm的水平光滑管和微肋管內(nèi)相變換熱特性的研究中發(fā)現(xiàn)，R32/R290（68%/32%）在光管和微肋管內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)高出R410A達(dá)15.7%～66.8%，R32/R290（68%/32%）在光管和微肋管內(nèi)的凝結(jié)換熱系數(shù)也大于R410A。

從上述研究可以看出，R290及其混合制冷劑都有接近或者超越傳統(tǒng)人工合成制冷劑的相變換熱系數(shù)。深入研究R290及其混合制冷劑是有必要且有價(jià)值的工作，能夠?qū)290及其混合制冷劑替代目前市場(chǎng)上使用的高GWP人工合成制冷劑起到指導(dǎo)作用。

2　R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱關(guān)聯(lián)式的研究現(xiàn)狀

2.1適用于R290及其混合制冷劑的通用相變換熱關(guān)聯(lián)式

在對(duì)R290及其混合制冷劑管內(nèi)相變換熱特性的理論研究中，換熱關(guān)聯(lián)式的研究和改進(jìn)非常重要。由于實(shí)驗(yàn)條件的局限性，研究者不可能對(duì)所有的工況點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但通過(guò)精確可靠的關(guān)聯(lián)式能夠?qū)Ψ秶r內(nèi)的任意工況下R290及其混合制冷劑相變換熱系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。近年來(lái)，有部分學(xué)者對(duì)R290的管內(nèi)相變換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了深入的研究。

CHANG等［6］采用線性回歸的方法對(duì)SHAH關(guān)聯(lián)式進(jìn)行改進(jìn)，得到了HCs類通用的管內(nèi)凝結(jié)換熱關(guān)聯(lián)式。研究者將所得的凝結(jié)換熱關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)得出關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)HCs純工質(zhì)時(shí)平均偏差為8.6%。THOME等［18］總結(jié)了包括R290在內(nèi)的15種制冷工質(zhì)的管內(nèi)凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了新的換熱模型，得到了適用于質(zhì)量流量為24～1022kg/（m2·s）、干度0.03～0.97、管徑3.1～21.4mm內(nèi)純工質(zhì)和混合工質(zhì)的泛用型管內(nèi)凝結(jié)換熱關(guān)聯(lián)式。研究者將新的換熱關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與所選取的HCs類2771個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明，有75%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)偏差在20%以內(nèi)，其中對(duì)R290預(yù)測(cè)平均偏差為12%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為13%。CAVALLINI等［19］結(jié)合了傳統(tǒng)HCFCs和CFCs關(guān)聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)THOME［18］和CAVALLINI［20］等關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了改進(jìn)，建立了新的換熱模型，得到了能適用于HFCs和HCs的泛用型管內(nèi)凝結(jié)換熱關(guān)聯(lián)式，并通過(guò)與HFCs和HCs的1007個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，新關(guān)聯(lián)式對(duì)HFCs和HCs預(yù)測(cè)平均偏差為5%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為19%。WEN等［14］整合了DITTUS和BOELTER［21］、STEPHAN和ABDELSALAM［22］的關(guān)聯(lián)式的優(yōu)缺點(diǎn)，使用迭代的方法，結(jié)合THOME和SHAKIR［23］所得到的修正因子FM，改進(jìn)并得出了一個(gè)適用于HCs的新型管內(nèi)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式。研究者先將實(shí)驗(yàn)結(jié)果同修正因子修正后的GUNGOR和WINTERTON［24-25］關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)均在±20%之間。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和所得的新關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，新關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)平均偏差為11.5%。

2.2R290及其混合制冷劑的專用相變換熱關(guān)聯(lián)式

由于早期的研究者在對(duì)R290及其混合制冷劑相變換熱特性的研究中所采取的換熱關(guān)聯(lián)式多為通用換熱關(guān)聯(lián)式，研究者在對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的時(shí)候，通常也針對(duì)的是大類的制冷劑，而非單一制冷劑，所以這些換熱關(guān)聯(lián)式對(duì)R290及其混合制冷劑的預(yù)測(cè)精度不高。隨著對(duì)HCs工質(zhì)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)R290及其混合制冷劑對(duì)R22有著優(yōu)秀的替代性能，這也吸引了一些學(xué)者對(duì)R290及其混合制冷劑的專用關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了研究。

CHOI等［26］根據(jù)CHEN［27］、JUNG［28］等的研究，得出了一個(gè)新的核態(tài)沸騰抑制因子S，即管內(nèi)流動(dòng)沸騰和池沸騰的比例h/hnb。利用核態(tài)沸騰抑制因子可以對(duì)COOPER的核態(tài)沸騰關(guān)聯(lián)式［29］進(jìn)行優(yōu)化，得到可用于預(yù)測(cè)R290在水平光滑微通道內(nèi)沸騰換熱系數(shù)的新關(guān)聯(lián)式。研究者將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明，新關(guān)聯(lián)式對(duì)R290預(yù)測(cè)平均偏差為-2.42%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.93%。MACDONALD等［30］在THOME［18］、DITTUS和BOELTER［21］及EDWARDS［31］等關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，對(duì)低壓降、大管徑、高飽和溫度下的R290管內(nèi)凝結(jié)換熱過(guò)程建立了新的兩相流換熱模型，提出了新的關(guān)聯(lián)式。研究者將關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得出新關(guān)聯(lián)式對(duì)R290預(yù)測(cè)平均偏差為-1%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為12%。ZHU等［32］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，在COOPER核態(tài)沸騰關(guān)聯(lián)式［29］的基礎(chǔ)上，發(fā)展了能夠適用于CO2、R290及兩者混合物在管徑2mm光滑管內(nèi)沸騰換熱的關(guān)聯(lián)式。研究者將新關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)的613個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超過(guò)70%數(shù)據(jù)點(diǎn)在±30%之間，新關(guān)聯(lián)式對(duì)CO2/R290預(yù)測(cè)平均偏差為-13.1%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為27.6%。表1列出了上述研究者所得到的新型換熱關(guān)聯(lián)式。

2.3R290及其混合制冷劑相關(guān)相變換熱關(guān)聯(lián)式的精度對(duì)比

圖1　各相變換熱關(guān)聯(lián)式平均偏差對(duì)比

表1　R290及其混合制冷劑相關(guān)相變換熱關(guān)聯(lián)式

表1　R290及其混合制冷劑相關(guān)相變換熱關(guān)聯(lián)式 （續(xù)表）

圖1反映的是各關(guān)聯(lián)式的平均偏差，從圖1中可以看出，由于通用換熱關(guān)聯(lián)式適用范圍較廣，能夠簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)R290及其混合制冷劑的管內(nèi)相變換熱系數(shù)。但是，通用關(guān)聯(lián)式在經(jīng)過(guò)研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究改進(jìn)成為R290及其混合制冷劑專用換熱關(guān)聯(lián)式后，預(yù)測(cè)精度得到了較大的提高，能夠較好地反映R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱時(shí)各部分具體的換熱參數(shù)。

3　R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱影響因素的研究現(xiàn)狀

在對(duì)制冷劑的管內(nèi)相變流動(dòng)換熱的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，流型能夠反映某工況下的換熱特性。通過(guò)對(duì)制冷劑管內(nèi)相變流動(dòng)的流型研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)干度、質(zhì)量流量會(huì)對(duì)流型產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到制冷劑的管內(nèi)相變流動(dòng)換熱；而熱流密度和流動(dòng)參數(shù)也會(huì)對(duì)制冷劑的管內(nèi)相變流動(dòng)換熱產(chǎn)生影響，所以在對(duì)R290及其混合制冷劑的相變換熱的影響因素研究中，主要對(duì)干度、質(zhì)量流量、熱流密度等參數(shù)進(jìn)行分析［33-35］。

3.1R290及其混合制冷劑沸騰換熱的影響因素

從部分研究來(lái)看［12，36］，整體上R290及其混合制冷劑的管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)是隨干度和質(zhì)量流量增大而增大的，但這并不全面。根據(jù)沸騰換熱機(jī)理，在沸騰換熱的初期，核態(tài)沸騰占據(jù)沸騰換熱的主要地位。此時(shí)，隨著干度增大，汽液邊界層開始發(fā)生對(duì)流換熱，使得R290及其混合制冷劑的沸騰換熱系數(shù)增大。之后，在沸騰換熱過(guò)程中，對(duì)流換熱占據(jù)沸騰換熱的主要地位，隨著干度增大，在管壁面的液膜厚度降低，對(duì)流換熱得到強(qiáng)化，R290及其混合制冷劑的沸騰換熱系數(shù)繼續(xù)增大。當(dāng)干度增大超過(guò)一定的數(shù)值之后，管壁壁面將難以形成液膜，對(duì)流換熱性能急劇降低，使得R290及其混合制冷劑的沸騰換熱系數(shù)急劇減小。CHOI等［26］發(fā)現(xiàn)，干度的變化會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量流量對(duì)與R290的沸騰換熱的影響不同：在低干度區(qū)域，核態(tài)沸騰換熱占據(jù)沸騰換熱的主要地位，質(zhì)量流量的變化對(duì)R290的沸騰換熱系數(shù)幾乎無(wú)影響；在中高干度區(qū)域，而此時(shí)對(duì)流換熱占據(jù)沸騰換熱的主要地位，質(zhì)量流量的增加會(huì)強(qiáng)化對(duì)流換熱作用，導(dǎo)致了R290的沸騰換熱系數(shù)的增加；在高干度區(qū)域，高質(zhì)量流量會(huì)促使流體在管內(nèi)形成霧狀流，使得管壁難以形成液膜，導(dǎo)致R290對(duì)流換熱系數(shù)降低，從而導(dǎo)致R290的沸騰換熱系數(shù)降低。CHO［15］、劉芳［37］等則分別在對(duì)CO2/R290、R32/R290混合制冷劑管內(nèi)沸騰換熱特性研究中發(fā)現(xiàn)了與R290類似的沸騰換熱規(guī)律。

吳曉敏等［38］通過(guò)對(duì)CO2/R290在內(nèi)徑2mm的水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量流速、熱流密度和初始蒸發(fā)溫度的增加均會(huì)使沸騰換熱系數(shù)增加，但隨著CO2/R290中R290比例的上升，熱流密度和初始蒸發(fā)溫度的變化對(duì)沸騰換熱系數(shù)的影響會(huì)減弱。

WANG等［39］還在對(duì)R290在管徑6mm水平光滑管內(nèi)低飽和溫度下的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，熱流密度的增加和沸騰換熱系數(shù)的增加近乎成線性關(guān)系，這是因?yàn)殡S著熱流密度的增加會(huì)使沸騰核心的數(shù)量和氣泡分離速度都會(huì)迅速增加；在低熱流密度下，飽和溫度對(duì)R290沸騰換熱系數(shù)的影響較少，而在高熱流密度下，沸騰換熱系數(shù)受飽和溫度影響較大；在兩相流液相占比較大的時(shí)候，對(duì)流換熱占據(jù)沸騰換熱的主要地位，干度增加會(huì)導(dǎo)致沸騰換熱系數(shù)的增加，而在兩相流氣相占比較大的時(shí)候，核態(tài)沸騰換熱占據(jù)沸騰換熱的主要地位，干度增加會(huì)導(dǎo)致沸騰換熱系數(shù)的減小。

陳偉清等［40］則在對(duì)R290在直徑5mm的水平光滑管內(nèi)沸騰換熱進(jìn)行模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，干度一定，換熱系數(shù)隨飽和溫度的升高而增大，而在高干度區(qū)，換熱系數(shù)受到飽和蒸發(fā)溫度影響不大。

3.2R290及其混合制冷劑凝結(jié)換熱的影響因素

與沸騰換熱不同，R290及其混合制冷劑的管內(nèi)凝結(jié)換熱不僅受質(zhì)量流量和干度的影響，還受重力的影響。而決定各流型下凝結(jié)換熱換熱系數(shù)大小的關(guān)鍵是管壁面液膜的厚度。當(dāng)兩相流處于受重力影響較為嚴(yán)重的流型（層流）時(shí)，重力和切應(yīng)力的平衡程度直接影響管壁面液膜的厚度，此時(shí)主要的影響因素是質(zhì)量流量；而當(dāng)兩相流處于受重力影響較小的流型（環(huán)流）時(shí)，汽液兩相間的切應(yīng)力則決定了管壁面液膜的厚度，此時(shí)主要的影響因素則是干度和質(zhì)量流量。肖航［11］、WEN［13］、COL［41］、寧?kù)o紅［42］、韓北鯤［43］、MACDONALD［44］等也在研究中發(fā)現(xiàn)，R290及其混合制冷劑的管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)隨著干度和質(zhì)量流量的增加而增加。

此外FERNANDO等［45］在對(duì)R290在內(nèi)徑為1.42mm的鋁管內(nèi)進(jìn)行凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，飽和溫度的增加會(huì)導(dǎo)致R290凝結(jié)換熱系數(shù)的增加。CHANG等［6］發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，改變R290所占的比例時(shí)，R290/R600a和R290/R600的凝結(jié)換熱系數(shù)先降低后升高，在R290所占比例接近100%時(shí)達(dá)到最高。

LIU等［46］在研究R290在管徑1.085mm的水平圓形微通道和管徑0.952mm的水平方形微通道內(nèi)凝結(jié)換熱時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳熱管的形狀會(huì)影響R290的凝結(jié)換熱系數(shù)。在相同工況和傳熱管水力直徑下，R290在方形微通道的凝結(jié)換熱系數(shù)要大于在圓形微通道的凝結(jié)換熱系數(shù)。這是由于在方管內(nèi)，受表面張力影響，R290的液膜會(huì)向管道的四個(gè)角落聚集，從而使傳熱管表面的液膜平均厚度降低，使得凝結(jié)換熱系數(shù)增加。

4　結(jié) 語(yǔ)

綜上，隨著HCFCs制冷劑淘汰的加速和具有高GWP的HFCs的限制日趨嚴(yán)格，R290及其混合制冷劑由于其優(yōu)秀的熱力性能與環(huán)保性能越來(lái)越受到人們的關(guān)注。相關(guān)的研究表明，R290及其混合制冷劑擁有接近或超越R22及其現(xiàn)有替代制冷劑的制冷性能與換熱性能。許多研究者對(duì)R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)的相變換熱特性進(jìn)行了廣泛的研究，分析了不同因素對(duì)R290及其混合制冷劑在水平管內(nèi)相變換熱的影響，得到了一系列的關(guān)聯(lián)式。然而這些研究大多針對(duì)的是過(guò)去常用的傳熱管進(jìn)行的，這些傳熱管的管徑一般均在7mm以上，如8mm、9.52mm、12.7mm甚至更大，雖然也有一些研究者研究了微通道換熱器內(nèi)的相變傳熱，但微通道換熱器在房間空調(diào)器等非常適合于R290及其混合制冷劑的制冷系統(tǒng)中應(yīng)用很少。由于R290具有可燃性，為了降低這種可燃性的危險(xiǎn)，必須減少R290及其混合制冷劑在制冷系統(tǒng)中的充灌量，而傳熱管小徑化（7mm、6mm、5mm甚至4mm）是其關(guān)鍵措施。而目前有關(guān)R290及其混合制冷劑在小管徑水平管內(nèi)相變換熱的研究還很少，尤其缺乏R290及其混合制冷劑在小管徑水平管內(nèi)相變換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，有必要展開以下研究工作。

（1）R290及其混合制冷劑在小管徑水平光滑管和強(qiáng)化管內(nèi)凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)，利用所獲得的研究數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以獲得適用于小管徑水平管內(nèi)的R290及其混合制冷劑凝結(jié)換熱規(guī)律。

（2）R290及其混合制冷劑在小管徑水平光滑管和強(qiáng)化管內(nèi)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，利用所獲得的研究數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以獲得適用于小管徑水平管內(nèi)的R290及其混合制冷劑沸騰換熱規(guī)律。

（3）分析研究R290及其混合制冷劑在小管徑水平光滑管和強(qiáng)化管內(nèi)凝結(jié)換熱特性和沸騰換熱特性，探索影響小管徑水平光滑管和強(qiáng)化管內(nèi)相變換熱的因素，為R290及其混合制冷劑換熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Bo —— 沸騰數(shù)

bd —— 脫離直徑，m

CT—— 過(guò)渡因子

cpl—— 比熱容，J/（kg·K）

D —— 管徑，m

E —— 關(guān)聯(lián)式強(qiáng)化因子

FM—— 修正因子

Fr —— Froude數(shù)

fi—— 摩擦因子

G —— 質(zhì)量流速，kg/（m2·s）

g —— 重力加速度，m/s2

h —— 換熱系數(shù)，W/（m2·K）

hlv—— 汽化潛熱，J/kg

JG，—— 量綱為1的氣流速度

M —— 分子量

P —— 壓力，Pa

Pr —— Prandtl數(shù)

q —— 熱通量，W/m2

Re —— 雷諾數(shù)

r —— 內(nèi)管半徑，m

S —— 抑制因子

T —— 溫度，K

Xc——關(guān)聯(lián)式過(guò)渡值

Xtt——Martinelli參數(shù)

x——干度

β——關(guān)聯(lián)式定義角，（°）

δ——液膜厚度，m

ε——空隙率

θ——分層角，（°）

κE——夾帶凝結(jié)傳熱增強(qiáng)因子

κi——液膜界面?zhèn)鳠嵩鰪?qiáng)因子

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg/m3

σ——表面張力，N/m

τ——切應(yīng)力，N/m2

ω——CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

下角標(biāo)

A——ΔT- independent流型

al——環(huán)流

b——?dú)馀?/p>

bob——泡點(diǎn)

c——對(duì)流凝結(jié)

crit——臨界

D——ΔT-dependent流型

DB——Dittus and Boelter池態(tài)沸騰關(guān)聯(lián)式

dew——露點(diǎn)

f——膜狀凝結(jié)

ff——降膜

g——?dú)怏w

H——水平

l——液體

nb——Cooper核態(tài)沸騰關(guān)聯(lián)式

p——池態(tài)沸騰

START——完全分層流

SA——Stephan-Abdelsalam關(guān)聯(lián)式

s——飽和

V——垂直

v——蒸汽

w——壁面

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Studies on phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube

ZOU Sikai1，DAI Yuande1，HE Guogeng2
（1School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，Jiangxi，China；2School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China）

R290（propane）and its refrigerant mixtures have been treated as ideal alternative refrigerants due to their favourable environmental and thermo-physical properties. However，they are flammable. The heat exchangers of the refrigeration system can be optimized，and the charge amount of R290 and its refrigerant mixtures can be reduced by studying the phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube. In this paper，studies on phase change heat transfer of R290 and its refrigerant mixtures in horizontal tube were review. The results showed that the heat transfer performance of R290 and its refrigerant mixtures can be comparable to or above synthetic refrigerants. The phase change heat transfer correlations of R290 and its refrigerant mixtures obtained in related research were listed and compared，and the influence of mass flow，heat flux，vapor quality and other factors on phase change heat transfer from relevant researches were summarized. Finally，it is pointed out that all above researches have been conducted mainly on the traditional heat transfer pipes，the phase change heat transfer correlations and factors of R290 and its refrigerant mixtures in small tube（with the diameters of 7mm、6mm、5mm or even 4mm） should be studied in order to reduce the charge amount and flammability.

propane；phase change；heat transfer；flow；refrigerant mixture；horizontal tube

TB 61+1

A

1000-6613（2016）11-3413-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.004

2016-04-14；修改稿日期：2016-05-30。

國(guó)家教育部博士點(diǎn)基金（20110142110052）及江西省自然科學(xué)基金（20161BAB206124）項(xiàng)目。

鄒思凱（1993—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：戴源德，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹评鋭┨娲?、暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。E-mail ydncu@163.com。