换热器采用更小管径的铜管，可以使换热器结构更加紧凑，换热效率更加高效，从而提高换热器的性能。目前管径≤4 mm 的微细管换热器已经被运用到空调等多种制冷设备当中，微细圆管的应用有效的改善了系统性能，缩小了换热器的尺寸，减少了制冷剂的充注量，这使得制冷设备更加环保。研究表明：常规管径内Ｒ290制冷剂，随着管径的减小，沸腾换热系数会增大。今天我们就通过实验来了解下，Ｒ290 在3mm、2mm、1mm小管径中的沸腾换热特性。
实验系统在运转时，制冷剂工质流动的顺序是：柱塞计量泵——科氏流量计——预热器中换热——冷凝器——过冷器——柱塞计量泵。实验循环系统通过水循环实现了对系统压力、温度、干度的控制。制冷剂在预热器、冷凝器、过冷器中进行换热，对Ｒ290进行加热或者冷却，使实验段的温度，压力和气液两相组分达到实验要求。水循环系统分为低温载冷剂水循环和预热水循环。低温载冷循环系统由冷凝器、过冷器和低温制冷机组组成( 制冷机组包括涡旋式压缩机、冷凝器、板式换热器、乙二醇水箱、离心水泵、管路) 。乙二醇溶液作为载冷剂，最低温度可以达到－10 ℃，从乙二醇水箱出来的乙二醇溶液分别流向冷凝器和过冷器。预热水由水箱和电加热组成，电加热功率通过 PID 表调节，以控制实验段干度。数据采集系统硬件主要由传感器、计算机以及采集仪构成。系统所需测试的温度、压力通过热电偶与电容式压力传感器获得，测试软件采用 VB 编制。由于本实验中的干度、焓值、含气率等多个参数是基于其测量值导出，为了使实验结果获得较高概率的置信区间评定，依照规范对测量数据进行了不确定度的评定，如表 2 所示。制冷剂在预热器前为过冷状态，制冷剂在预热器中从过冷状态变化到饱和状态的温度由能量平衡方程算得，饱和后的制冷剂温度由饱和压力算得，见式( 1) ，局部干度计算见式( 2) 、(3) 。
2. 1 Ｒ290 在 4 mm 内径管中传热特性分析图 2 反映了不同质量流速、不同热流密度下的内径为 4 mm 的光管内传热系数随干度的变化趋势。在饱和温度和热流密度一定的情况下，由于质量流速的增大对强制对流换热的增强作用，传热系数随着质量流速的增大而增大。另外在低干度区域，质量流速对传热系数的影响相较于高干度区域较小。
这是因为，对流蒸发换热的强化一共分为两个部分，分别是核态沸腾和强制对流。在低干度区域，核态沸腾占主导地位，质量流速的增加对传热系数增大的促进作用较小; 而高干度区域，质量流速对传热系数的影响明显。且随着干度的增加，不同的质量流速呈现出不同的变化特征。在相同干度条件下，质量流速由 350kg / ( m2·s) 增加到 400 kg/( m2·s) 比质量流速由 50kg / (m2·s) 增加到 100 kg/( m2·s)，对传热系数的提升有一定程度的下降。因为管内的换热面积是一定的，质量流速的增大加大了制冷工质的扰动，强化了制冷工质和管壁面之间的换热，但是这一过程不利于管壁面的升温，不利于管内壁面气化核心的发展，对换热过程有了一定的抑制。另一方面，在热流密度为5 k W / m2和 10 kW / m2，质量流速低于 200kg / (m2·s) 时，传热系数存在局部最大值。这是由于在低干度区域，起初壁面上开始产生气泡，气化核心相互独立且互不干扰。随着换热过程的不断进行，管子通道内气化核心数量逐渐增加，且气泡发生剧烈的扰动，这时传热系数会逐渐增大，在这一阶段传热系数存在传热系数峰值。随着换热过程的继续进行，气泡覆盖在管子内壁面，使得气泡排离过程恶化，传热系数反而下降，出现低干度的局部最大传热系数。2. 2 Ｒ290 在 2 mm 内径管中传热特性分析图 3 反映了 2 mm 内径管中的沸腾传热过程。在热流密度5～20 kW/m 2范围内时，2 mm内径管的传热系数整体高于4 mm内径管。2 mm内径管由低干度区域到高干度区域质量流速对传热系数的影响趋势，仍然是起始由核态沸腾占据主导地位，随后由强制对流占主导地位，这与4 mm内径管变化趋势一致。2 mm 内径管在干度达到临近干度之前，传热系数随干度的增大而增大，当干度达到临界干度之后，传热系数有突然下降的趋势。这是因为，在干度达到临界干度之后，壁面液膜发生蒸干，壁温会迅速升高，管壁和制冷工质间的温差迅速上升，导致传热系数的下降。并且热流密度较大时，临界干度作用的发生时间更早。
2. 3 Ｒ290 在 1 mm 内径管中传热特性分析如图 4 所示，除了干燥区域外，在相同的质量流速和热流密度的情况下，1 mm 内径管的传热系数较2 mm、4mm内径管更高。薄液膜中的强制对流，核态沸腾，和 2 mm、4mm内径管一致。尽管有强制对流对换热的加强作用，但是在热流密度为 5 kW/m 2时，质量流速 200 kg /( m 2·s) 较 400 kg/( m 2·s) 在低干度区域的传热系数更大。
Ｒ290 在微细管径内的沸腾传热的过程中，关于已有关联式的适配性验证实验也具有重要的意义。一些专业学者研究的关联式如图5图6.
可以看到，两者都能较为准确的对 4 mm、2mm 内径管管内传热系数结果进行预估，尤其是图6研究者的关联式对 4 mm 内径管的预测结果偏差很小。但是两者对于 1 mm 内径管的预测结果相较于 4 mm 和2mm 内径管精度有所下降。1) 在饱和温度一定，质量流速和热流密度相同的工况下，沸腾传热系数随着管径的减小有上升趋势，且管径越小上升趋势越明显。2) 在饱和温度和热流密度一定的情况下，传热系数随着质量流速的增大而增大。在低干度区域，质量流速对传热系数的影响较高干度区域较小，且在热流密度为 5 kW/m 2和 10 kW/m 2时，当质量流速低于200 kg / ( m 2·s) 时，传热系数存在局部最大值。3) 当干度达到临近干度前，1 mm 和 2 mm 内径管的传热系数随干度的增大而增大; 当干度达到临界干度之后，传热系数有突然下降的趋势。且在热流密度较大时，临界干度作用发生的时间更早。
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