R404A小管徑冷凝換熱與壓降關(guān)聯(lián)式的適配性
2017-04-07 12:50王學(xué)東柳建華高屹峰朱立珺
制冷學(xué)報(bào) 2017年2期
王學(xué)東 柳建華 宋 吉 高屹峰 朱立珺
(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093；2 國際銅業(yè)協(xié)會(huì)(中國) 上海 200020)
R404A小管徑冷凝換熱與壓降關(guān)聯(lián)式的適配性
王學(xué)東1柳建華1宋 吉2高屹峰2朱立珺1
(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093；2 國際銅業(yè)協(xié)會(huì)(中國) 上海 200020)
針對(duì)R404A的冷凝換熱與壓降關(guān)聯(lián)式有很多，但均為基于7 mm或者9.52 mm等大管徑光管或者強(qiáng)化管，針對(duì)5 mm管徑的關(guān)聯(lián)式也都是適用于其它制冷劑，沒有R404A小管徑冷凝直接適用的關(guān)聯(lián)式。本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算結(jié)合論證的方法，利用控制變量法、性質(zhì)相似制冷劑優(yōu)先法篩選出一批關(guān)聯(lián)式，大量對(duì)比由關(guān)聯(lián)式計(jì)算與由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的換熱系數(shù)與壓降的偏差，研究關(guān)聯(lián)式的適用性及可修正性。結(jié)果表明：M.K.Dobson等提出的冷凝換熱關(guān)聯(lián)式乘以修正系數(shù)2.13，能很好預(yù)測(cè)R404A在內(nèi)螺紋管中的冷凝換熱系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)值正偏差為+15.51%，負(fù)偏差為-14.13%。X.C.Huang等提出的摩擦壓降關(guān)聯(lián)式能很好預(yù)測(cè)R404A在小管徑內(nèi)螺紋管內(nèi)冷凝的摩擦壓降，與實(shí)驗(yàn)值的正偏差為+12.56%，負(fù)偏差為-13.58%，兩者均可為換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算提供較準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。
關(guān)聯(lián)式；小管徑；冷凝；換熱系數(shù)；壓降；R404A
小管徑銅管換熱器技術(shù)是行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。通過實(shí)現(xiàn)房間空調(diào)換熱器銅管的小管徑化，在保持銅管優(yōu)秀換熱品質(zhì)的同時(shí)，可大幅度降低空調(diào)成本，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者利益與行業(yè)發(fā)展共贏。
目前科研人員針對(duì)小管徑銅管換熱器技術(shù)進(jìn)行了大量研究[1-3]，在小管徑冷凝換熱理論研究方面，X.C.Huang等[4-5]針對(duì)R410A在小管徑管內(nèi)冷凝的熱換和壓降特性進(jìn)行了深入研究，給出了適用的關(guān)聯(lián)式。在技術(shù)應(yīng)用方面，丁煒堃等[6]對(duì)小管徑空調(diào)冷凝器做了數(shù)值模擬并給出流路設(shè)計(jì)思路，認(rèn)為在相同換熱管數(shù)下，應(yīng)增加并行支路數(shù)目，適當(dāng)減小各支路長度。王春[7]對(duì)5 mm小管徑換熱器在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的冷凝性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比得出變頻R410A空調(diào)器冷凝效果較好，應(yīng)用前景看好。但是沒有針對(duì)R404A在相關(guān)方面的研究。
將小管徑銅管換熱器技術(shù)從空調(diào)領(lǐng)域推廣應(yīng)用到冷藏集裝箱的冷凝器上發(fā)現(xiàn)，原來用于制冷機(jī)組的換熱器管內(nèi)制冷劑流動(dòng)與換熱關(guān)聯(lián)式都是基于大管徑開發(fā)的，如針對(duì)R22，R134a等在管徑為7 mm和9.52 mm的光管或者強(qiáng)化管中換熱與壓降性能的研究有很多[8-12]，針對(duì)5 mm管徑的關(guān)聯(lián)式也都是適用于其它制冷劑，并沒有直接適用的針對(duì)R404A在外徑為5 mm的內(nèi)螺紋管中冷凝可用的關(guān)聯(lián)式。
本文對(duì)空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)提出的管內(nèi)冷凝關(guān)聯(lián)式進(jìn)行檢查驗(yàn)證，利用控制變量法、性質(zhì)相似制冷劑優(yōu)先法篩選出一批關(guān)聯(lián)式，研究其能否匹配到冷藏運(yùn)輸制冷機(jī)組上，重點(diǎn)研究R404A在外徑為5 mm的內(nèi)螺紋管中冷凝的換熱與壓降性能，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算相結(jié)合的方式，驗(yàn)證已經(jīng)提出的并不直接適配的換熱與壓降關(guān)聯(lián)式的適用性及可修正性，為設(shè)計(jì)制冷工質(zhì)為R404A的小管徑換熱器提供理論指導(dǎo)。
1 制冷工質(zhì)性質(zhì)及用途簡介
冷藏集裝箱常用制冷工質(zhì)為R404A，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究的制冷工質(zhì)是R404A(R125：44% R134a：4% R143a：52%)，它是一種近共沸制冷劑混合物，溫度滑移約0.6 ℃。ODP=0，GWP=3 750，沸點(diǎn)-46.2 ℃，沸點(diǎn)下蒸發(fā)潛能200.1 kJ/kg。在相同溫度下，R404A飽和壓力比R22高約5%～10%，容積制冷量比R22高約5%，但COP比R22低約5%～10%，在低蒸發(fā)溫度的情況下應(yīng)用比較多。R404A是R502可行的替代物，具有較好的環(huán)境特性和熱力學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)淠郎囟葹?0 ℃，由REFPROP9.0查得R404A在冷凝溫度為40 ℃時(shí)的熱力性質(zhì)，見表1。
表1 冷凝溫度為40 ℃ R404A熱力性質(zhì)
由表1可知，R404A在40 ℃時(shí)的冷凝熱為120.26 kJ/kg。在大型商用制冷設(shè)備、交通運(yùn)輸制冷設(shè)備及所有R502可正常動(dòng)作的環(huán)境中，R404A均有應(yīng)用。R404A與礦物油不互溶，壓縮機(jī)生產(chǎn)商建議使用POE多元醇酯潤滑劑作為與R404A適配的潤滑劑。
2 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方法
2.1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為外徑為5 mm的內(nèi)螺紋銅管，結(jié)構(gòu)見圖1，具體參數(shù)見表2。測(cè)試系統(tǒng)裝置見圖2，從圖中可以看出，測(cè)試系統(tǒng)由兩個(gè)主要的循環(huán)構(gòu)成：1)制冷劑循環(huán)包括預(yù)冷段、測(cè)試段、過冷段等；2)冷卻水循環(huán)用于R404A-油混合物的冷凝。制冷劑和冷卻水的流率通過變頻器改變泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。冷卻水回路包括預(yù)冷段水回路和測(cè)試段水回路。預(yù)冷段冷卻水回路用于調(diào)節(jié)測(cè)試段入口的R404A-油混合物的干度，而測(cè)試段冷卻水回路用于研究各種熱流密度條件下R404A-油混合物的冷凝換熱特性與壓降特性。冷卻水回路的換熱量通過調(diào)節(jié)冷卻水流量和冷卻水溫度實(shí)現(xiàn)。冷卻水流量由冷卻水泵和調(diào)節(jié)閥控制，而冷卻水溫度通過合理調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)中的電加熱來控制。
表2 內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)
d內(nèi)徑；TWT總壁厚；W槽底寬圖1 內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of microfin tube
圖2 測(cè)試系統(tǒng)裝置圖Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus
圖3 測(cè)試段局部圖(單位：mm)Fig.3 Schematic diagram of test section
測(cè)試段局部圖見圖3，測(cè)試段由1 m長的內(nèi)外逆流套管換熱器組成，制冷劑在內(nèi)管流動(dòng)，冷卻水在內(nèi)管周圍外管內(nèi)側(cè)流動(dòng)來冷卻制冷劑。測(cè)試在入口飽和冷凝溫度為40 ℃的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)測(cè)試為兩相狀態(tài)，R404A為近共沸制冷劑混合物，溫度和壓力近似一一對(duì)應(yīng)，因此制冷劑-油混合物的冷凝溫度只需要通過控制冷凝壓力即可。外管采用PVC管，內(nèi)管為紫銅管，導(dǎo)熱系數(shù)為398 W/(m·K)，在套管冷卻水進(jìn)出口處布置熱電偶來測(cè)量冷卻水的進(jìn)出口溫度。
圖4 測(cè)試段套管局部剖面圖Fig.4 Cutaway view of the casing tube
測(cè)試段長度設(shè)計(jì)的原則為可有效合理地考察局部換熱系數(shù)和壓降特性，且滿足L/D>60，使平均表面換熱系數(shù)不受入口段的影響，從而測(cè)定充分發(fā)展段的換熱特性和壓降特性。測(cè)試段PVC管外的保溫材料內(nèi)層為PEF保溫材料(新型高分子保溫材料-聚乙烯泡沫塑料)，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.04 W/(m·K)，外層為玻璃棉，導(dǎo)熱系數(shù)為0.052 W/(m·K)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.2測(cè)試方法
調(diào)節(jié)變頻器進(jìn)而改變制冷劑流率和冷卻水流率，進(jìn)一步控制質(zhì)流密度、熱流密度、干度等參數(shù)。需要采集制冷劑溫度Tr，管外壁溫度Two，測(cè)試段入口、出口絕對(duì)壓力pin、pout，測(cè)試段R404A-油混合物壓降Δp，制冷劑質(zhì)量流量mr，冷卻水質(zhì)量流量mw等參數(shù)。由這些參數(shù)即可直接得出或間接計(jì)算出R404A-油混合物流經(jīng)測(cè)試段的壓降和換熱系數(shù)。制冷劑/油混合物為R404A/Emkarate RL 32RV，測(cè)試實(shí)驗(yàn)的工況范圍見表3。
表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況范圍
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1選用關(guān)聯(lián)式的方法及原則
針對(duì)內(nèi)螺紋管換熱性能優(yōu)于光管的機(jī)理，不同的科學(xué)家得出的結(jié)論不盡相同。J. Yu等[13]指出水平內(nèi)螺紋管的局部換熱性能比同樣內(nèi)徑的光管的換熱性能的兩倍還高，將換熱的強(qiáng)化作用歸因于換熱面積的增大。M. A. Kedzierski等[14]提出一種內(nèi)螺紋管內(nèi)針對(duì)四種制冷劑(R134a, R410A, R125和R32)的局部對(duì)流冷凝換熱的測(cè)量方案?；谏鲜鑫墨I(xiàn)的壓降測(cè)量關(guān)聯(lián)式，認(rèn)為強(qiáng)化換熱的作用主要是由于內(nèi)螺紋增加了表面的粗糙度，內(nèi)螺紋的方向?qū)е鹿苤車牧黧w分布不均勻。強(qiáng)化作用也部分由于內(nèi)表面有效面積的增大和內(nèi)螺紋引起的湍流強(qiáng)化了對(duì)流換熱。但都證明內(nèi)螺紋管換熱性能成倍強(qiáng)于光管，因此可以基于光管的換熱性能預(yù)測(cè)內(nèi)螺紋管的換熱性能，在篩選關(guān)聯(lián)式時(shí)針對(duì)光管的已有的關(guān)聯(lián)式也要加以考察。
利用控制變量法篩選關(guān)聯(lián)式，如限定管徑為5 mm和制冷劑為R404A分別篩選關(guān)聯(lián)式，其他不予考慮。此外，利用性質(zhì)相近制冷劑優(yōu)先法，如R502與R404A性質(zhì)相近，優(yōu)先考慮適用于R502的關(guān)聯(lián)式。
L. M. Chamra[15]等提出內(nèi)螺紋管內(nèi)純制冷劑的冷凝換熱模型，指出平均絕對(duì)偏差(MAD)可作為考查換熱模型是否有效的標(biāo)準(zhǔn)。MAD定義為由關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)的換熱系數(shù)與通過實(shí)驗(yàn)得出的換熱系數(shù)之間的平均歸一化差值。
(1)
可利用該模型論證已經(jīng)提出的換熱與壓降關(guān)聯(lián)式的可用性，偏差表示為ε=(hcalc-hexp)/hexp，這也是選用關(guān)聯(lián)式的原則之一，本實(shí)驗(yàn)選用偏差為20%以內(nèi)的關(guān)聯(lián)式。
3.2 小管徑的冷凝換熱關(guān)聯(lián)式
目前提出的大部分局部換熱關(guān)聯(lián)式只適用于具體的流動(dòng)模式，通常經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。鑒于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，很難得出一個(gè)純理論模型，而且在對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，每一個(gè)關(guān)聯(lián)式的測(cè)試條件范圍是尤為重要的。
氣液兩相流動(dòng)型式已經(jīng)被廣泛研究來理解冷凝換熱機(jī)制。通常氣液兩相流動(dòng)型式可以分為環(huán)狀流、半環(huán)狀流、波狀流和段塞流。M. K. Dobson等[16]提出一個(gè)適用于環(huán)狀流和波狀流的新型換熱關(guān)聯(lián)式，這兩種流型覆蓋范圍較廣，環(huán)狀流中重力起主導(dǎo)作用，波狀流中剪切應(yīng)力起主導(dǎo)作用。M. K. Dobson等[16]模型討論的是R404A在水平光滑管內(nèi)的兩相換熱系數(shù)，環(huán)狀流的換熱系數(shù)由式(2)～式(5)計(jì)算得出。
(2)
(3)
(4)
(5)
波狀流同時(shí)考慮了管頂部的膜狀冷凝和管底部的強(qiáng)制對(duì)流冷凝。波狀流的換熱系數(shù)可以由式(6)～式(11)計(jì)算得出：
(6)
單一氣相雷諾數(shù)：
(7)
伽利略數(shù)：
(8)
液相Jakob數(shù):
(9)
(10)
式中：c1和c2定義如下:
0 c1=4.172+5.48FrL-1.564FrL2
c2=1.773-0.169FrL
FrL>0.7
c1=7.242
c2=1.655
環(huán)狀流和波狀流的分界可以根據(jù)修正的弗勞德數(shù)Frso來定義:
(11)
Re≤1 250
c3=0.025，c4=1.59
Re>1250
c3=1.26，c4=1.04
環(huán)狀流式(2)適用于G>500 kg/(m2·s)時(shí)的所有干度。對(duì)于G<500 kg/(m2·s)，式(6)適用于波狀流當(dāng)Frso<20的情況。
由實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得出不同質(zhì)流密度和測(cè)試段入口干度下，R404A-油混合物在5 mm內(nèi)螺紋強(qiáng)化管內(nèi)的換熱系數(shù)，利用Origin Lab畫出在不同質(zhì)流密度下，換熱系數(shù)隨測(cè)試段入口干度變化的曲線圖(圖5)，可知在同一質(zhì)流密度下，換熱系數(shù)會(huì)隨著干度的增大而增大。同一干度下，換熱系數(shù)會(huì)隨著質(zhì)流密度的增大而增大。利用采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和乘以修正系數(shù)2.13以后的M. K. Dobson等[16]提出的關(guān)聯(lián)式從理論上預(yù)測(cè)換熱系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，得出偏差，見圖6。部分實(shí)驗(yàn)的熱流密度較高，只有較高的熱流密度才能保證制冷劑蒸氣在測(cè)試段的完全冷凝。在低干度區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差，誤差產(chǎn)生的原因是管壁溫與冷卻水溫度差較小。
表4 M. K. Dobson等[16]模型適用測(cè)試條件
圖5 冷凝換熱系數(shù)隨干度的變化Fig.5 The change of condensation heat transfer coefficient with quality
圖6 冷凝換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值偏差Fig.6 Comparison of experimental condensation heat transfer coefficients with the predicted values of correlations
3.3小管徑冷凝壓降關(guān)聯(lián)式
上海交通大學(xué)X. C.Huang等[4]研究了小管徑強(qiáng)化管內(nèi)的冷凝壓降特性，提出小管徑內(nèi)螺紋管內(nèi)的摩擦壓降關(guān)聯(lián)式，其測(cè)試工質(zhì)是R410A-潤滑油RB68EP的混合物，計(jì)算模型如下：
(12)
(13)
(14)
Reh,V=Gxr,odh/μr,V
(15)
以上關(guān)聯(lián)式的適用范圍為：管外徑5mm,質(zhì)流密度200～500kg/(m2·s)，熱流密度4.21～7.91kW/m2，蒸氣干度0.3～0.9，油濃度0%～5%。
將其中的物性參數(shù)對(duì)應(yīng)替換為R404A-潤滑油EmkarateRL32RV混合物的參數(shù)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與由該理論模型計(jì)算值的偏差，從而論證該摩擦壓降關(guān)聯(lián)式的可用性。
通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出不同質(zhì)流密度和測(cè)試段入口干度下，R404A-油混合物在5mm內(nèi)螺紋強(qiáng)化管內(nèi)的冷凝摩擦壓降，利用OriginLab畫出在不同質(zhì)流密度下，冷凝摩擦壓降隨測(cè)試段入口干度變化的曲線圖(圖7)，可知在同一質(zhì)流密度下，冷凝摩擦壓降會(huì)隨著干度的增大而增大；同一干度下，冷凝摩擦壓降隨著質(zhì)流密度的增大而增大。利用采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和X.C.Huang等[4]關(guān)聯(lián)式從理論上預(yù)測(cè)冷凝摩擦壓降，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，得出偏差，如圖8所示。
圖7 摩擦壓降隨干度的變化Fig.7 The change of frictional pressure with quality
圖8 摩擦壓降關(guān)聯(lián)式理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值偏差Fig.8 Comparison of experimental frictional pressure drop with the predicted values of correlations
4 結(jié)論
本文在測(cè)試段入口飽和冷凝溫度為40 ℃，制冷劑質(zhì)流密度200～400 kg/(m2·s)，入口干度0.2～0.8時(shí)，進(jìn)行外徑5 mm內(nèi)螺紋銅管內(nèi)R404A的冷凝實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、計(jì)算，分析實(shí)驗(yàn)值與理論模型計(jì)算值的偏差，結(jié)論如下：
1)制冷劑為R404A-油的混合物在外徑為5 mm內(nèi)螺紋管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)可由M. K. Dobson等[16]關(guān)聯(lián)式乘以修正系數(shù)2.13預(yù)測(cè)，需要滿足的工況條件為：質(zhì)流密度252)制冷劑為R404A-油的混合物在外徑為5 mm內(nèi)螺紋管內(nèi)的冷凝摩擦壓降可由 X. C.Huang等[4]提出的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要滿足的工況條件為：質(zhì)流密度200～500 kg/(m2·s)，熱流密度4.21～7.91 kW/m2，干度0.33)小管徑在空調(diào)領(lǐng)域已有的一些關(guān)聯(lián)式進(jìn)行檢查驗(yàn)證后可匹配到冷藏運(yùn)輸制冷機(jī)組上應(yīng)用。
4)針對(duì)不同制冷劑的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行熱力性質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)替代后也可應(yīng)用，存在偏差，但在可接受范圍之內(nèi)，且能加以修正，指導(dǎo)實(shí)踐。
本文受上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(J50502)資助。(The project was supported by the Key Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. J50502).)
符號(hào)說明
Nu——努塞爾數(shù)
Re——Reynolds數(shù)
cp——定壓比熱容，J/(kg·K)
Fr——弗勞德數(shù)
Pr——普朗特?cái)?shù)
ρ——密度，kg/m3
μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s
x——蒸氣干度
hfg——汽化潛熱，J/kg
Ga——伽利略數(shù)
g——重力加速度，m2/s
Ja——雅各布數(shù)
λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)
D——特征直徑，m
G——質(zhì)流密度，kg/(m2·s)
l——測(cè)試管長，m
h——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)
f——摩擦系數(shù)
Xtt——Lockhart-Martinelli參數(shù)
Δpr,o,frict——制冷劑油混合物摩擦壓降，Pa
dh——內(nèi)螺紋管的水力直徑，m
m——質(zhì)量流量，kg/s
下標(biāo)
[1] 宋天一, Wang Huasheng, John W Rose, 等. 微通道內(nèi)蒸汽冷凝摩擦壓降的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2010, 31(5):24-28. (SONG Tianyi, Wang Huasheng, John W Rose, et al. Experiment on frictional pressure drop of condensation in microchannel[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(5): 24-28.)
[2] 張紹志, 季益華, 陳光明. 替代制冷劑管內(nèi)冷凝換熱研究進(jìn)展[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2000, 21(3): 7-13. (ZHANG Shaozhi, JI Yihua, CHEN Guangming. Recent research on in-tube condensation heat transfer of alternative refrigerants[J]. Journal of Refrigeration, 2000, 21(3): 7-13.)
[3] 莊曉如, 公茂瓊, 鄒鑫, 等. 水平管內(nèi)流動(dòng)冷凝流型圖研究進(jìn)展[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2016, 37(2): 9-15. (ZHUANG Xiaoru, GONG Maoqiong, ZOU Xin, et al. A review on flow pattern maps of condensation in horizontal tubes[J]. Journal of Refrigeration, 2016, 37(2): 9-15.)
[4] Huang X C, Ding G L, Hu H T, et al. Flow condensation pressure drop characteristics of R410A-oil mixture inside small diameter horizontal micro-fin tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 2010, 33(7): 1356-1369.
[5] Huang X C, Ding G L, Hu H T, et al. Condensation heat transfer characteristics of R410A-oil mixture in 5 mm and 4 mm outside diameter horizontal micro-fin tubes[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, 34(7): 845-856.
[6] 丁煒堃, 鄧斌, 陶文銓. 小管徑空調(diào)冷凝器數(shù)值模擬及流路設(shè)計(jì)[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2009, 30(8): 1389-1392. (DING Weikun, DENG Bin, TAO Wenquan. Circuit design and performance simulation of a small-diameter tube condenser of an air conditioner[J] Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(8): 1389-1392.)
[7] 王春. 5 mm管徑銅管換熱器應(yīng)用的冷凝性能研究[C]// 2012國際制冷技術(shù)交流會(huì)論文集. 珠海: 中國制冷學(xué)會(huì), 2012. (WANG Chun. Study on condensation performance of 5 mm tube diameter copper tube heat exchanger[C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Refrigeration Technology. Zhuhai: Chinese Association of Refrigeration, 2012.)
[8] Schlager L M, Pate M B, Bergles A E. Heat transfer and pressure drop during evaporation and condensation of R22 in horizontal micro-fin tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 1989, 12(1): 6-14.
[9] Eckels S J, Doerr T M, Pate M B. Comparison of the heat transfer and pressure drop performance of R134a-lubricant mixtures in different diameter smooth tubes and micro-fin tubes[J]. Ashrae Transactions, 1998, 104: 376-386.
[10] Boissieux X, Heikal M R, Johns R A. Two-phase heat transfer coefficients of three HFC refrigerants inside a horizontal smooth tube, part II: condensation[J]. International Journal of Refrigeration, 2000, 23(4): 269-283.
[11] 任滔, 丁國良, 韓維哲, 等. 空調(diào)器中采用小管徑的影響分析及研發(fā)思路[J]. 制冷技術(shù), 2012, 32(1): 49-52. (REN Tao, DING Guoliang, HAN Weizhe, et al. Analysis and research ideas of the influence of small tube diameter in air conditioner[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2012, 32(1): 49-52.)
[12] Ferreira C A I, Newell T A, Chato J C, et al. R404A condensing under forced flow conditions inside smooth, micro-fin and cross-hatched horizontal tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 2003, 26(4): 433-441.
[13] Yu J, Koyama S. Condensation heat transfer of pure refrigerants in micro-fin tubes[J]. British Journal of Haematology, 2007, 139(1): 281-288.
[14] Kedzierski M A, Goncalves J M. Horizontal convective condensation of alternative refrigerants within a micro-fin tube[J]. Journal of Enhanced Heat Transfer, 1999, 6(2): 161-178.
[15] Chamra L M, Mago P J, Tan M O, et al. Modeling of condensation heat transfer of pure refrigerants in micro-fin tubes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48(7): 1293-1302.
[16] Dobson M K, Chato J C. Condensation in smooth horizontal tubes[J]. Journal of Heat Transfer, 1998, 120(1): 193-213.
About the corresponding author
Liu Jianhua, male, professor, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail: lwnlwn_liu@163.com. Research fields: optimization research for refrigeration system, application research for refrigeration test equipment.
Suitability of R404A Condensation Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Small Diameter Tube
Wang Xuedong1Liu Jianhua1Song Ji2Gao Yifeng2Zhu Lijun1
(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. International Copper Association Shanghai Office, Shanghai, 200020, China)
Many correlations have been proposed about R404A condensation heat transfer and pressure drop, but all of them apply for smooth tubes or microfin tubes with big diameter. Some correlations are based on 5 mm diameter tube, but the refrigerant is not R404A. Up to now, there is no correlation for R404A condensation heat transfer and pressure drop with 5 mm diameter tube. In this paper, a number of correlations were selected by variable-controlling and giving priority to refrigerant with similar properties, combining experimental test and theoretical calculation, deviation between the calculated and experimentally measured values have been compared through a large amount of data to demonstrate the applicability and revisability of the correlations. The research results indicate that modified condensation heat transfer correlation proposed by M.K.Dobson et al(multiplied by the correction factor 2.13) shows good predictability of condensation heat transfer coefficient of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -14.13% to +15.51%. The friction pressure drop correlation proposed by X.C. Huang et al can well predict the friction pressure drop of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -13.58% to +12.56%. Both correlations can provide more accurate theoretical guidance for the calculation and design of heat exchanger.
correlations; small diameter tube; condensation; heat transfer coefficient; pressure drop; R404A
0253- 4339(2017) 02- 0022- 07
10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.022
2016年7月13日
TK124；TB61+1
A
柳建華，男，教授，上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，13817757889，E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向：制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配研究，制冷測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用研究。
猜你喜歡
某660MW電廠主蒸汽及再熱蒸汽管道管徑選擇分析吉林電力(2022年1期)2022-11-10 無切削加工內(nèi)螺紋專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的研究中國金屬通報(bào)(2021年13期)2021-11-12 5XXX系鋁合金冷擠壓成形內(nèi)螺紋性能研究內(nèi)燃機(jī)與配件(2021年12期)2021-09-10 大管徑水平定向鉆在沿海灘涂施工難點(diǎn)及措施煤氣與熱力(2021年7期)2021-08-23 大管徑預(yù)微導(dǎo)糾偏防護(hù)窗頂管施工技術(shù)研究建材發(fā)展導(dǎo)向(2021年11期)2021-07-28 大管徑大折角熱水供熱管道設(shè)計(jì)方案煤氣與熱力(2021年5期)2021-07-22 鉆桿接頭內(nèi)螺紋加工自動(dòng)化試驗(yàn)研究制造技術(shù)與機(jī)床(2019年8期)2019-09-03 高強(qiáng)度材料內(nèi)螺紋銑削刀具研究制造技術(shù)與機(jī)床(2017年11期)2017-12-18
c1=4.172+5.48FrL-1.564FrL2
c2=1.773-0.169FrL
FrL>0.7
c1=7.242
c2=1.655
環(huán)狀流和波狀流的分界可以根據(jù)修正的弗勞德數(shù)Frso來定義:
(11)
Re≤1 250
c3=0.025，c4=1.59
Re>1250
c3=1.26，c4=1.04
環(huán)狀流式(2)適用于G>500 kg/(m2·s)時(shí)的所有干度。對(duì)于G<500 kg/(m2·s)，式(6)適用于波狀流當(dāng)Frso<20的情況。
由實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得出不同質(zhì)流密度和測(cè)試段入口干度下，R404A-油混合物在5 mm內(nèi)螺紋強(qiáng)化管內(nèi)的換熱系數(shù)，利用Origin Lab畫出在不同質(zhì)流密度下，換熱系數(shù)隨測(cè)試段入口干度變化的曲線圖(圖5)，可知在同一質(zhì)流密度下，換熱系數(shù)會(huì)隨著干度的增大而增大。同一干度下，換熱系數(shù)會(huì)隨著質(zhì)流密度的增大而增大。利用采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和乘以修正系數(shù)2.13以后的M. K. Dobson等[16]提出的關(guān)聯(lián)式從理論上預(yù)測(cè)換熱系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，得出偏差，見圖6。部分實(shí)驗(yàn)的熱流密度較高，只有較高的熱流密度才能保證制冷劑蒸氣在測(cè)試段的完全冷凝。在低干度區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差，誤差產(chǎn)生的原因是管壁溫與冷卻水溫度差較小。
表4 M. K. Dobson等[16]模型適用測(cè)試條件
圖5 冷凝換熱系數(shù)隨干度的變化Fig.5 The change of condensation heat transfer coefficient with quality
圖6 冷凝換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值偏差Fig.6 Comparison of experimental condensation heat transfer coefficients with the predicted values of correlations
3.3小管徑冷凝壓降關(guān)聯(lián)式
上海交通大學(xué)X. C.Huang等[4]研究了小管徑強(qiáng)化管內(nèi)的冷凝壓降特性，提出小管徑內(nèi)螺紋管內(nèi)的摩擦壓降關(guān)聯(lián)式，其測(cè)試工質(zhì)是R410A-潤滑油RB68EP的混合物，計(jì)算模型如下：
(12)
(13)
(14)
Reh,V=Gxr,odh/μr,V
(15)
以上關(guān)聯(lián)式的適用范圍為：管外徑5mm,質(zhì)流密度200～500kg/(m2·s)，熱流密度4.21～7.91kW/m2，蒸氣干度0.3～0.9，油濃度0%～5%。
將其中的物性參數(shù)對(duì)應(yīng)替換為R404A-潤滑油EmkarateRL32RV混合物的參數(shù)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與由該理論模型計(jì)算值的偏差，從而論證該摩擦壓降關(guān)聯(lián)式的可用性。
通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出不同質(zhì)流密度和測(cè)試段入口干度下，R404A-油混合物在5mm內(nèi)螺紋強(qiáng)化管內(nèi)的冷凝摩擦壓降，利用OriginLab畫出在不同質(zhì)流密度下，冷凝摩擦壓降隨測(cè)試段入口干度變化的曲線圖(圖7)，可知在同一質(zhì)流密度下，冷凝摩擦壓降會(huì)隨著干度的增大而增大；同一干度下，冷凝摩擦壓降隨著質(zhì)流密度的增大而增大。利用采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和X.C.Huang等[4]關(guān)聯(lián)式從理論上預(yù)測(cè)冷凝摩擦壓降，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，得出偏差，如圖8所示。
圖7 摩擦壓降隨干度的變化Fig.7 The change of frictional pressure with quality
圖8 摩擦壓降關(guān)聯(lián)式理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值偏差Fig.8 Comparison of experimental frictional pressure drop with the predicted values of correlations
4 結(jié)論
本文在測(cè)試段入口飽和冷凝溫度為40 ℃，制冷劑質(zhì)流密度200～400 kg/(m2·s)，入口干度0.2～0.8時(shí)，進(jìn)行外徑5 mm內(nèi)螺紋銅管內(nèi)R404A的冷凝實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、計(jì)算，分析實(shí)驗(yàn)值與理論模型計(jì)算值的偏差，結(jié)論如下：
1)制冷劑為R404A-油的混合物在外徑為5 mm內(nèi)螺紋管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)可由M. K. Dobson等[16]關(guān)聯(lián)式乘以修正系數(shù)2.13預(yù)測(cè)，需要滿足的工況條件為：質(zhì)流密度25 2)制冷劑為R404A-油的混合物在外徑為5 mm內(nèi)螺紋管內(nèi)的冷凝摩擦壓降可由 X. C.Huang等[4]提出的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要滿足的工況條件為：質(zhì)流密度200～500 kg/(m2·s)，熱流密度4.21～7.91 kW/m2，干度0.3 3)小管徑在空調(diào)領(lǐng)域已有的一些關(guān)聯(lián)式進(jìn)行檢查驗(yàn)證后可匹配到冷藏運(yùn)輸制冷機(jī)組上應(yīng)用。 4)針對(duì)不同制冷劑的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行熱力性質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)替代后也可應(yīng)用，存在偏差，但在可接受范圍之內(nèi)，且能加以修正，指導(dǎo)實(shí)踐。 本文受上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(J50502)資助。(The project was supported by the Key Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. J50502).) 符號(hào)說明 Nu——努塞爾數(shù) Re——Reynolds數(shù) cp——定壓比熱容，J/(kg·K) Fr——弗勞德數(shù) Pr——普朗特?cái)?shù) ρ——密度，kg/m3 μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s x——蒸氣干度 hfg——汽化潛熱，J/kg Ga——伽利略數(shù) g——重力加速度，m2/s Ja——雅各布數(shù) λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K) D——特征直徑，m G——質(zhì)流密度，kg/(m2·s) l——測(cè)試管長，m h——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K) f——摩擦系數(shù) Xtt——Lockhart-Martinelli參數(shù) Δpr,o,frict——制冷劑油混合物摩擦壓降，Pa dh——內(nèi)螺紋管的水力直徑，m m——質(zhì)量流量，kg/s 下標(biāo) [1] 宋天一, Wang Huasheng, John W Rose, 等. 微通道內(nèi)蒸汽冷凝摩擦壓降的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2010, 31(5):24-28. (SONG Tianyi, Wang Huasheng, John W Rose, et al. Experiment on frictional pressure drop of condensation in microchannel[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(5): 24-28.) [2] 張紹志, 季益華, 陳光明. 替代制冷劑管內(nèi)冷凝換熱研究進(jìn)展[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2000, 21(3): 7-13. (ZHANG Shaozhi, JI Yihua, CHEN Guangming. Recent research on in-tube condensation heat transfer of alternative refrigerants[J]. Journal of Refrigeration, 2000, 21(3): 7-13.) [3] 莊曉如, 公茂瓊, 鄒鑫, 等. 水平管內(nèi)流動(dòng)冷凝流型圖研究進(jìn)展[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2016, 37(2): 9-15. (ZHUANG Xiaoru, GONG Maoqiong, ZOU Xin, et al. A review on flow pattern maps of condensation in horizontal tubes[J]. Journal of Refrigeration, 2016, 37(2): 9-15.) [4] Huang X C, Ding G L, Hu H T, et al. Flow condensation pressure drop characteristics of R410A-oil mixture inside small diameter horizontal micro-fin tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 2010, 33(7): 1356-1369. [5] Huang X C, Ding G L, Hu H T, et al. Condensation heat transfer characteristics of R410A-oil mixture in 5 mm and 4 mm outside diameter horizontal micro-fin tubes[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, 34(7): 845-856. [6] 丁煒堃, 鄧斌, 陶文銓. 小管徑空調(diào)冷凝器數(shù)值模擬及流路設(shè)計(jì)[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2009, 30(8): 1389-1392. (DING Weikun, DENG Bin, TAO Wenquan. Circuit design and performance simulation of a small-diameter tube condenser of an air conditioner[J] Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(8): 1389-1392.) [7] 王春. 5 mm管徑銅管換熱器應(yīng)用的冷凝性能研究[C]// 2012國際制冷技術(shù)交流會(huì)論文集. 珠海: 中國制冷學(xué)會(huì), 2012. (WANG Chun. Study on condensation performance of 5 mm tube diameter copper tube heat exchanger[C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Refrigeration Technology. Zhuhai: Chinese Association of Refrigeration, 2012.) [8] Schlager L M, Pate M B, Bergles A E. Heat transfer and pressure drop during evaporation and condensation of R22 in horizontal micro-fin tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 1989, 12(1): 6-14. [9] Eckels S J, Doerr T M, Pate M B. Comparison of the heat transfer and pressure drop performance of R134a-lubricant mixtures in different diameter smooth tubes and micro-fin tubes[J]. Ashrae Transactions, 1998, 104: 376-386. [10] Boissieux X, Heikal M R, Johns R A. Two-phase heat transfer coefficients of three HFC refrigerants inside a horizontal smooth tube, part II: condensation[J]. International Journal of Refrigeration, 2000, 23(4): 269-283. [11] 任滔, 丁國良, 韓維哲, 等. 空調(diào)器中采用小管徑的影響分析及研發(fā)思路[J]. 制冷技術(shù), 2012, 32(1): 49-52. (REN Tao, DING Guoliang, HAN Weizhe, et al. Analysis and research ideas of the influence of small tube diameter in air conditioner[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2012, 32(1): 49-52.) [12] Ferreira C A I, Newell T A, Chato J C, et al. R404A condensing under forced flow conditions inside smooth, micro-fin and cross-hatched horizontal tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 2003, 26(4): 433-441. [13] Yu J, Koyama S. Condensation heat transfer of pure refrigerants in micro-fin tubes[J]. British Journal of Haematology, 2007, 139(1): 281-288. [14] Kedzierski M A, Goncalves J M. Horizontal convective condensation of alternative refrigerants within a micro-fin tube[J]. Journal of Enhanced Heat Transfer, 1999, 6(2): 161-178. [15] Chamra L M, Mago P J, Tan M O, et al. Modeling of condensation heat transfer of pure refrigerants in micro-fin tubes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48(7): 1293-1302. [16] Dobson M K, Chato J C. Condensation in smooth horizontal tubes[J]. Journal of Heat Transfer, 1998, 120(1): 193-213. About the corresponding author Liu Jianhua, male, professor, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail: lwnlwn_liu@163.com. Research fields: optimization research for refrigeration system, application research for refrigeration test equipment. Suitability of R404A Condensation Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Small Diameter Tube Wang Xuedong1Liu Jianhua1Song Ji2Gao Yifeng2Zhu Lijun1 (1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. International Copper Association Shanghai Office, Shanghai, 200020, China) Many correlations have been proposed about R404A condensation heat transfer and pressure drop, but all of them apply for smooth tubes or microfin tubes with big diameter. Some correlations are based on 5 mm diameter tube, but the refrigerant is not R404A. Up to now, there is no correlation for R404A condensation heat transfer and pressure drop with 5 mm diameter tube. In this paper, a number of correlations were selected by variable-controlling and giving priority to refrigerant with similar properties, combining experimental test and theoretical calculation, deviation between the calculated and experimentally measured values have been compared through a large amount of data to demonstrate the applicability and revisability of the correlations. The research results indicate that modified condensation heat transfer correlation proposed by M.K.Dobson et al(multiplied by the correction factor 2.13) shows good predictability of condensation heat transfer coefficient of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -14.13% to +15.51%. The friction pressure drop correlation proposed by X.C. Huang et al can well predict the friction pressure drop of R404A in small diameter microfin tube within a deviation of -13.58% to +12.56%. Both correlations can provide more accurate theoretical guidance for the calculation and design of heat exchanger. correlations; small diameter tube; condensation; heat transfer coefficient; pressure drop; R404A 0253- 4339(2017) 02- 0022- 07 10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.022 2016年7月13日 TK124；TB61+1 A 柳建華，男，教授，上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，13817757889，E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向：制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配研究，制冷測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用研究。
猜你喜歡
吉林電力(2022年1期)2022-11-10中國金屬通報(bào)(2021年13期)2021-11-12內(nèi)燃機(jī)與配件(2021年12期)2021-09-10煤氣與熱力(2021年7期)2021-08-23建材發(fā)展導(dǎo)向(2021年11期)2021-07-28煤氣與熱力(2021年5期)2021-07-22制造技術(shù)與機(jī)床(2019年8期)2019-09-03制造技術(shù)與機(jī)床(2017年11期)2017-12-18
