R410A-油混合物在小管径内的冷凝摩擦压降特性的研究
如今，很多空调换热器的设计追求小型化, 使用小管径换热管。小型化空调换热器中R410A 又是目前使用的主要制冷剂。而在R410A 空调系统中, 压缩机内需要含有一定量的润滑油, 这些润滑油不可避免地随制冷剂在系统中循环.润滑油的存在会对制冷剂的热物性产生明显的影响, 从而影响制冷剂流动冷凝条件下的压降特性。
因此，本文我们将通过实验探讨R410A-油混合物在强化管内流动冷凝的压降特性。
一：实验装置与测试工况
实验装置由制冷剂回路、润滑油回路和冷却水回路三部分组成, 如图1 所示.制冷剂回路用于测量制冷剂-润滑油混合物的摩擦压降, 润滑油回路用于提供实验段所需的润滑油浓度, 而冷却水回路用于冷凝制冷剂-润滑油混合物。
实验装置的详细介绍和实验原理可参见任凡、丁国良等人论文《R410A-油混合物在5 mm内螺纹强化管内流动冷凝的摩擦压降实验研究》.
实验段由同轴的内、外管组成, 制冷剂在内管流动, 被流经内、外管之间的冷却水冷凝, 套管外包裹隔热层和隔气层而与环境绝热.实验所用的测试管为外径3 .5 mm 的铜光管, 内径分别为1 .6 、4 .18mm .测试段入口干度通过入口处的焓值和压力求出, 入口干度的调节通过调节预冷段的换热量来实现.测试的制冷剂和润滑油分别为R410A 和酯类油RB68EP .选择酯类油RB68EP 的原因在于, 其可与R410A 良好互溶, 是R410A 空调系统最常用的酯类油之一.实验工况为:冷凝温度40 °C , 质流密度200 ～600 kg/(m2 · s), 干度0 .2 ～ 0 .8 , 油质量分数0 ～5 %.。
二：数据导出和误差分析
1、摩擦压降
实验段为水平管, 无重力压降, 则摩擦压降的计算公式可以表示为：
式中:Δpt 为总压降;Δpa 为加速压降；
G 为R410A-油混合物的质流密度, ρV 和ρL 分别为R410A -油混合物的气相和液相密度, x 为R410A -油混合物的干度, α为空泡系数。
σ为R410A -油混合物的表面张力.
2、油平均质量分数
油平均质量分数的定义为
式中, qm, o 和qm, r 分别为润滑油和制冷剂的质量流量.实验采样结果表明, 注油质量分数和采样油质量分数的最大绝对偏差小于0 .25 %.
3 、误差分析
考虑实验设备的测量精度, 对实验参数进行不确定性分析, 参数的测量精度如表1 所示.
三：实验结果与分析
下图所示为R410A-油混合物在外径3.5mm 光管内冷凝摩擦压降的实验数据。
由图2 、3 可见, R410A-油混合物的冷凝摩擦压降随着质流密度和干度的增加而增加;油的存在总是减小R410A 在光管内的摩擦压降, 其原因可能是, 管内冷凝时, 油的存在增加了流体的黏度, 从而使混合物的雷诺数减少、紊流强度降低, 继而导致混合物的流态向层状流发展, 从而降低了含油制冷剂的摩擦压降。润滑油对光管内冷凝摩擦压降的影响与蒸发条件下的正好相反.管内蒸发条件下, 油的存在总是增加R410A 在管内的摩擦压降.可能是因为在蒸发过程中, 油的存在增加了两相混合物黏度, 并促进了环状流型的尽早形成,从而提高了压降。
为了量化分析润滑油对两相摩擦压降特性的影响, 油影响因子PF 定义为R410A-油混合物与纯制冷剂R410A 的流动冷凝摩擦压降的比值.PF 随x和w no 的变化如图4 所示.
由图4 可见, 对于光管, PF 总是小于1 ;对于5mm 光管, 在G = 200 ～ 400kg/(m2 · s)时, PF 的变化范围为0 .81 ～ 0 .99 ;对于3 mm 光管, 在G =500 ～ 600 kg/(m2 · s)时, PF 的变化范围为0 .83～ 0 .98 .wno 、x 、G 对PF 的影响为:(1)PF 随着wno 的增大而减小.对5 mm 光管,在wno =1 %、3 %和5 %时, PF 的变化范围分别为0 .93 ～ 0 .99 , 0 .87 ～ 0 .97 和0 .81 ～ 0 .95 ;对3 mm光管, 在wno = 1 %、3 %和5 %时, PF 的变化范围分别为0 .93 ～ 0 .98 , 0 .88 ～ 0 .95 和0 .83 ～ 0 .92 .
1、PF随着wno 的增大而减小的原因可能在于：高油浓度比低油浓度更加明显地增加了混合物的黏度, 从而在高油浓度条件下更加明显地改变了流体的流态并降低了流体流动的紊流程度, 使得高油浓度条件下的摩擦压降要小于低油浓度的.
2、PF 随着x 的增大而增大。在低干度时, 流体的冷凝流动主要受重力影响, 并且润滑油的存在增大了液相混合物的黏度, 使得流体的流态变为层流, 从而表现为PF 值较小.在高干度时, 有2 个相反的因素影响PF 的变化:① 油浓度增加引起的液相混合物黏度增加, 倾向于使得流态由紊流转变为层流, 从而使PF 减小;②受剪应力影响的高速气流流动, 倾向于促进环状流型的形成, 从而使PF 增大.随着x 的增加, 相对于因素①, 因素②的影响越来越大, 从而表现为PF 的值随着x 的增加而增加.
3、PF 随着G 的增大而增大。对5 mm 光管,在wno = 5 %时, 随着G 从200 kg/(m2 · s)增加到400 kg/(m2 · s), PF 的变化范围从0 .81 ～ 0 .93 提高到0 .85 ～ 0 .95 ;对3 mm 光管, 在wno = 5 %时, 随着G 从500 kg/(m2 · s)增加到600 kg/(m2 · s),PF 的变化范围从0 .83 ～ 0 .92 提高到0 .84 ～ 0 .93 .G 对PF 的影响可能的原因在于, G 的增加增强了制冷剂-油混合物流动的湍流程度, 减弱了润滑油降低摩擦压降的影响, 从而增大了PF。
四：建立关联式
为了预测R410A-油混合物在光管内冷凝的摩擦压降, 本文采用气相摩擦压降乘子关联式的形式来建立摩擦压降关联式:
式中:ΥV 为气相摩擦压降乘子;di 为光管的内径;f V 为光管内的气相摩擦系数;μV 为气相动力黏度.R410A-油混合物的热物性数据可以根据文献[ 2] 进行计算, 而纯R410A 的热物性数据可以通过N IS TREFPROP version 8 .0 进行计算。
气相摩擦压降乘子拟合为Martinelli 参数X tt的函数,
式中, a , n 为待定系数.
根据R410A-油混合物在光管内的实验数据求出式(9)中的系数a 和n .从而建立新关联式.通过数据拟合, 确定系数a 和n 的值分别为1 .777 和0 .561 , 则气相摩擦压降乘子式为：
将式(5)、(6)和(10)合并, 得出R410A-油混合物在光管内流动冷凝的摩擦压降关联式为：
图5 所示为开发的摩擦压降关联式预测值Δpfn与实验值Δpfe 的对比.由图5 可见, 式(11)的预测值与实验值的误差为-20 % ～ +30 %。
五：结论
实验研究了润滑油的存在对R410A 在外径3.5 mm 光管内流动冷凝摩擦压降的影响, 得出以下结论:
1、润滑油的存在总是减小R410A 在光管内的冷凝摩擦压降.在冷凝温度40 °C , 质流密度200～ 600 kg/(m2 · s), 干度0 .2 ～ 0 .8 , 油质量分数0 ～5 %工况下, R410A-油混合物的摩擦压降比纯R410A 的摩擦压降最大下降了19 %。
2、在冷凝温度40 °C , 质流密度200 ～ 600kg/(m2 · s), 干度0 .2 ～ 0 .8 , 油质量分数0 ～ 5 %下, R410A-油混合物在光管内冷凝的油影响因子PF 的变化范围为0 .81 ～ 0 .99 .PF 随油质量分数的增大而减小, 随质流密度和干度的增大而增大。
3、基于混合物性建立了R410A-油混合物在水平光管内的流动冷凝摩擦压降关联式.该关联式的摩擦压降预测值与实验值的误差为-20 % ～+30 %。
（本文摘自2010年10月《上海交通大学学报》第44卷第10期）