【HETA】换热器管内关联式文献整理之第一篇——5mm铜管内R410A含油制冷剂流动冷凝换热与压降特性的实验研究

实验研究了小管径铜管内R410A-油混合物的流动冷凝换热与压降特性。测试管为外径为 5mm 的光管和强化管。实验结果表明，润滑油的存在总是恶化 5mm 光管和强化管内的换热特性，大分别恶化 24.8%和 25.1%。润滑油的存在对光管和强化管内的冷凝压降影响不同。对于光管，润滑油总是降低冷凝压降，最大降低 19%。对于强化管，干度小于 0.6 时，润滑油的存在降低强化管内的压降，大降低 18%；干度大于 0.6 时，润滑油的存在增大强化管内的压降，大增强 9%。相同工况下，5 mm 强化管与光管相比，换热系数增大 60%～130%、压降增大 40%～65%。

引言

为了节能和节材，目前换热器的设计越来越小型化。换热管的管外径从9.52 mm开始，朝着8.0 mm、7.0 mm、6.35 mm的方向发展，现在外径为5 mm的铜管已经在小型换热器中得到批量使用。按照Mehendal等对换热管径尺度的定义，管径为100 μm ~ 6 mm的换热管为中尺度类型，介于常规尺度 (管径大于6 mm)和微尺度(管径为1 μm ~ 100 μm)之 间。相对于微尺度换热管，这种中尺度换热管更有可能被应用于实际的小型紧凑式换热器中，被称之为小管径换热管。由于毛细作用的存在，小管径换热管与常规尺度换热管内的换热特性是不同的。因此，为了对换热器进行优化设计，需要了解小管径换热管内的流动冷凝传热与压降特性。

环保替代工质R410A为近共沸混合物，温度滑移微小，是R22的理想替代物。在制冷系统实际运行过程中，由于制冷剂与润滑油有较好的溶解性，当压缩机开始运行时，势必有一定量的润滑油随制冷剂循环进入制冷系统冷凝器中，从而影响管内流动冷凝换热与压降特性。因此，研究小管径换热管对相变传热与压降特性的影响，需要考虑润滑油的影响。

目前已有文献对R410A在管径大于6 mm的常规尺度换热管内的流动冷凝换热及压降特性进行了研究。但是已有文献中，对于R410A-油混合物在小管径换热管内流动冷凝换热与压降特性的研究报道较少。 因此，需要通过实验研究，得出小管径铜管内含油制冷剂流动冷凝换热与压降特性的实验数据；并通过对比得出强化管与光管内冷凝换热与压降性能的对比结果。

1 实验装置与测试工况 

实验装置如图 1 所示。实验装置共包括 3 个回路：制冷剂回路、润滑油回路和冷却水回路。制冷 剂回路用于测量制冷剂-油混合物的换热与压降特性；润滑油回路用于提供实验段所需的油浓度；冷却水回路用于冷凝制冷剂-润滑油混合物。

测试段为套管式换热器，套管式换热器由同轴 的内外管组成，制冷剂在内管内（管侧）流动，被流经内外管之间（壳侧）的冷却水冷凝。套管外包有隔热层和隔气层，与环境绝热。

实验对象为套管的内管，包括一根光管和一根内螺纹强化管。光管和强化管的外径均为 5 mm。光管的壁厚为 0.41 mm；强化管的壁厚为 0.20 mm， 翅高为 0.14 mm，翅数为 40，螺旋角为 18°，翅顶角为 40°。

实验所用的制冷剂为 R410A，润滑油为酯类油 RB68EP。实验测试工况如下：冷凝温度为 40℃， 质流密度为(300~400) kg/(m2·s)，热流密度为(6.32~ 8.46) kW/m2，测试段入口干度为 0.3～0.9，油浓度 为(0～5)%。

1-室外机组，2-压缩机，3-冷凝器，4-室外机电子膨胀阀， 5-油分离器， 6-贮油器， 7-回油毛细管， 8-室内机组，  9-室内机后置加热器，10-制冷剂质量流量计，11-止回阀， 12-润滑油质量流量计，13-油泵，14-细微刻度调节手阀， 15-储油罐，16-高效油分离器，17-混合室，18-采样筒， 19-预冷段，20-实验段，21-过冷段，22-视镜，23-水流量计， 24-水泵，25-恒温水槽 

➤图 1 实验测试装置示意图 

2 数据导出和误差分析 

2.1 换热系数 

纯制冷剂 R410A 和 R410A-油混合物管内流动冷凝的换热系数，可分别根据下式导出：

αtp,r = qTest/(TW－Tsat)                  (1) 

αtp,r,o = qTest/(TW－Tbub,r,o)        (2) 

式中：

qTest ——测试段热流密度，W/m2； 

TW ——换热管内壁面的平均温度，K； 

Tsat ——纯制冷剂的饱和温度； 

Tbub,r,.o ——R410A-油混合物的冷凝温度，K。 

当油浓度为 0 时， Tbub,r,.o等于 Tsat，公式(1)和(2) 等价。

考虑实验设备的测量精度，对换热特性的不确 定性进行分析，换热系数的大误差为±10.4%， 详细的误差分析见文献。

2.2 摩擦压降 

实验段为水平管，没有重力压降，则摩擦压降的计算公式可以表示为：

2.3 平均油浓度

平均油浓度定义为润滑油的质量流量与制冷剂-油混合物的质量流量的比值：

ωno＝mo/(mr+mo)          (6)

式中，mr和 mo分别为制冷剂和润滑油的质量流量， kg/s。

为了确认注油浓度的准确性，按照文献进行实时采样，并对注油浓度和采样油浓度进行对比， 结果表明二者大绝对偏差小于 0.25%。

3 实验结果分析与关联式开发

3.1 小管径光管内的流动冷凝换热特性

图 2 给出了含油制冷剂在 5mm 光管内流动冷凝换热特性随干度和油浓度的变化规律。

➤图 2 5mm 光管内含油制冷剂冷凝换热特性 

从图可以看出，纯 R410A 的换热系数随着干度的下降而下降，这与其他制冷剂的的冷凝换热系数变化规律相同。主要的原因在于，随着冷凝过程的进行，冷凝液膜厚度增加，导致了换热热阻的增加。

润滑油的存在总是恶化光管内的冷凝换热，在高油浓度和干度下，换热大恶化 24.8%。

当油浓度为 1%时，R410A-润滑油混合物的冷凝换热系数随干度的变化规律与纯 R410A 相同，说明低油浓度下，润滑油对冷凝换热系数随干度的变化规律没有影响。

对于 3%和 5%油浓度的R410A-油混合物，冷凝换热系数随着干度的下降先增大，在干度 0.7 左右达到大值，然后随着干度的下降而下降。这一现象的出现主要归因于随着干度下降造成的影响换热的两个相反效果：

1）负面效果。随着干度的下降，换热管内壁面的冷凝液膜厚度增加，阻碍了换热；

2）正面效果。在峰值干度（0.7 附近），正面效果和负面效果达到了一个平衡，从而导致在 3% 和 5%油浓度时换热系数达到大值。

3.2 小管径强化管内的流动冷凝换热特性 

图 3 给出了含油制冷剂在 5mm 强化管内流动冷凝换热特性随干度和油浓度的变化规律。

➤图 3 5mm 强化管内的冷凝换热特性 

从图 3 中可以看出，纯 R410A 和 1%油浓度的 R410A-油混合物的换热系数随着干度的下降而下降；但对于 3%和 5%油浓度的 R410A-润滑油混合物，冷凝换热系数随着干度的下降先增大，在干度 0.7~0.75 左右达到大值，然后随着干度的下降而下降。润滑油总是恶化强化管内的冷凝换热，在高油浓度和高干度下，大恶化 25.1%。

将 R410A-油在 5 mm 强化管内流动冷凝换热系数与 5 mm 光管进行对比，如图 4 所示。

由图 4 可知，5 mm 强化管内的换热系数比 5 mm 光管增大 60% ~ 130%。换热系数增强的主要原 因为：1）有效换热面积的增加；2）液膜导致的紊 流强度的增加；3）液膜表面张力导致的环状流型的尽早形成。

➤图 4 5mm 强化管和光管内换热系数的对比 

3.3 小管径光管内的冷凝压降特性 

图 5 给出了含油制冷剂在 5mm 光管内流动冷凝的压降特性随干度和油浓度的变化规律。

➤图 5 5mm 光管内的冷凝压降特性 

从图中可知，纯 R410A 和 R410A-油混合物的摩擦压降随着质流密度和干度的增加而增加，这是由于质流密度和干度的增加促进流型向环状流转化，同时随着干度的增大，气体增多，混合物的流速增大，从而增大摩擦压降。

R410A-油混合物的摩擦压降总是小于纯 R410A 的摩擦压降，压降大降低 19%。可能的原因在于，冷凝过程中润滑油促进流态向层状流发展，降低流动紊流强度，从而降低摩擦压降。

3.4 小管径强化管内的冷凝压降特性 

图 6 给出了含油制冷剂在 5mm 强化管内流动冷凝的压降特性随干度和油浓度的变化规律。

➤图 6 5mm 强化管内的冷凝压降特性 

从图中可知，R410A-油混合物冷凝摩擦压降， 在干度小于 0.6 时总是小于纯 R410A 的摩擦压降， 压降大降低 18%；而在干度大于 0.6 时总是大于纯 R410A 的摩擦压降，压降大增强 9%。

在干度 0.6 存在转折的可能原因是，当干度小 于 0.6 时，由于润滑油的存在，流体的流态发生改 变，使得紊流的强度减小，从而导致 R410A-润滑油油混合物的摩擦压降小于纯R410A；当干度大于0.6 时，较高的当地油浓度提高了液相混合物的粘度， 使得紊流剪应力明显增加，此外高干度时强化管 微翅片的存在也促进了环状流的形成，从而导致R410A-润滑油混合物的摩擦压降大于纯 R410A。

将R410A-油混合物在5 mm强化管内流动冷凝摩擦压降与 5 mm 光管内冷凝摩擦压降进行对比， 如图 7 所示。由图可见，5 mm 强化管内的摩擦压降比 5 mm 光管增大 40% ~ 65%，主要原因在于内螺纹螺旋强化结构导致了蒸汽气流流速的增加，引起环状流的尽早形成，进而增加了管内的紊流强度。

此外，对比 R410A-油混合物在光管和强化管内的摩擦压降特性，可以发现在干度大于 0.6 时润滑油的影响不同：润滑油降低光管内的压降，却增大强化管内的压降。可能的原因在于，冷凝条件下， 润滑油的存在对压降造成两方面影响：

1）润滑油的存在会造成流态的改变，促进流态向层状流发展，从而减小压降；

2）润滑油的存在会造成粘度等物性的改变，从而增加压降。在光管内，减小压降的影响占主导地位，导致润滑油的存在降低压降；而在强化管内，强化结构的存在会使得流态改变的影响减弱，而增大压降的影响占主导地位，使得在高干度时润滑油增大压降。

➤图 7 5mm 强化管和光管内摩擦压降的对比 

4 结论 

(1) 润滑油的存在总是恶化 5 mm 光管和强化管内的冷凝换热，在高油浓度和高干度下，恶化程度大，光管和强化管内大恶化分别为 24.8%和25.1%。

(2) 5 mm 强化管内的换热系数比 5 mm 光管增大 60% ~ 130%。

(3) 润滑油的存在，总是降低光管内的摩擦压降，压降大降低 19%。

(4) 润滑油对强化管内压降的影响随干度变化而变化，在干度 0.6 左右时为临界点。干度小于 0.6 时，润滑油的存在降低强化管内的压降，大降低 18%；干度大于 0.6 时，润滑油的存在增大强化管内的压降，大增强 9%。

(5) 5 mm 强化管内的摩擦压降比 5 mm 光管增大 40% ~ 65%。

（本文摘自2012年6月《制冷技术》第32卷第2期）