【HETA】R32、R410A和R290等在空调冷凝器内换热性能的比较

小编今天分享的这篇文章是关于制冷剂R22、R32、R410A、R407C和R290等在翅片管冷凝器内换热性能的研究，通过建立空调换热器分布参数模型，分析不同迎面风温和风速下冷凝器内的流动和传热规律。

模型及研究对象

一.冷凝器模型 

研究人员首先针对空调翅片管换热器建立了分布参数模型。该模型将换热器划分为若干个控制容积，模拟时假定工况稳定，管内制冷剂沿轴向作一维流动且轴向及翅片间无导热，管外空气垂直于翅片管且沿翅片一维均匀分布，忽略翅片和管间的接触热阻。每个控制容积包含制冷剂、空气侧，对每一微元控制容积建立守恒控制方程。

1. 制冷剂侧控制方程

质量守恒方程：

式中m_r——制冷剂质量流量

i——  沿着制冷剂流向第i个控制容积

j —— 第j列管

k —— 第k排管

动量守恒方程：

式中A_i——第i个微元段换热面积

u—— 制冷剂流速

△P——控制容积总压降

f—— 摩擦系数

G——制冷剂质量流率

d_i——内管直径

ρ——制冷剂密度

△z_i —— 第i控制容积长度

能量守恒方程：

式中h——制冷剂比焓值

q——热流量

d_o——管外径

模型的准确预测还依赖于精确的换热和压降关联式。本文两相区冷凝换热、单相区传热、制冷剂在单相区压降、两相区的压降、U型弯头单相与两相区的局部压降都有关联式。

2、空气侧控制方程

空气侧换热量计算采用NTU-方法：

式中 ε    —— 换热器效率

c_m   —— 最小水当量

T_a、T_r —— 空气和制冷剂的温度

空气侧的换热量：

其中

式中∑Ri——第i控制容积总导热热阻

a_a——空气侧换热系数

a_r——制冷剂侧换热系数

η_o——面积效率

二. 模型验证及研究对象 

为了验证模型的准确性，本文采用目前已有的冷凝器和试验数据，以制冷剂R22和R407C为例，基于空调工况，采用该文献相同结构参数的U型和Z型单回路冷凝器进行了验证，结果表明冷凝器模拟值与实验值相差在±10%内，如图1所示。可见，本文建立的空调冷凝器分布参数模型具有一定的准确度。

为了着重研究空调替代制冷剂在翅片管换热器的流动和换热性能，基于同一典型空调流路布置进行分析。换热器流程布置如图2所示，采用单回路U型和Z型，且换热器几何结构参数完全相同（见表1）。本文以U型单回路、天窗型翅片结构换热器为研究对象进行分析；对于不同翅片形状，只需更换程序对应结构参数，同样可以迭代计算。由于本文分析基于换热器单位面积换热量进行研究，所以计算结果并不影响其在不同冷凝器结构、不同翅片形状以下的结论。

不同制冷剂在制冷系统冷凝器内的约束条件如表2所示。

冷凝器的进口压力和温度不仅会影响压缩机的功率，而且反应了冷凝温度；冷凝器的出口过冷度会影响冷量的大小，而且足够的过冷度更是系统稳定运行的必要条件。因此把冷凝器的出口过冷度作为冷凝器模拟的收敛条件。

结果及分析

一. 空气进口温度对换热器性能的影响 

图3为不同制冷剂冷凝器单位面积换热量随迎面风温的变化。虽然R290导热系数较R407C优越，但是R407C压降较R290大，所以相同压降时R407C平均换热温差较R290大，且平均换热系数基本持平，如图6、7所示。R407C气相比重较R32和R410A小，在相同流量下，导致气相流速增加以至于气液界面剪切力增加，传热得到强化，弥补了相对较小的液相导热值与潜热值。

如图6、7所示：随着迎面风温的增加，单位面积换热量下降，冷凝器平均换热温差和平均换热系数均下降，换热恶化；R290具有较小的换热温差，较高的换热系数，有利于减小不可逆损失。

图5为不同替代制冷剂压降随迎面风温的变化。对于给定冷凝器出口过冷度，压降与气液相粘度比值和比重比值有关。R407C和R22粘度基本持平，但是循环质量流量较R22大，造成两相流速和相面剪切力增加，从而压降升高。R410A、R32和R290较R22有较小的粘度和循环质量流量，从而压降较小。当迎面风温为30ºC时，R407C压降较R22高47. 21%，R22压降较R410A、R32、R290分别高25. 29%、48. 09%和25. 15%。

随着迎面风温的增加，冷凝器单位面积换热量降低，需要减少制冷剂质量流量来满足冷凝器出口一定的过冷度。由于R410A和R407C潜热值较R22基本持平，而单位面积换热量较大，所以需要相对较高的循环质量流量。而R290和R32相对R22潜热值较大，同时液相比重较小，有利于降低充灌量，对应循环流量较小。当迎面风温为30ºC时，R407C和R410A质量流量较R22质量流量高30%和8.95%，R22质量流量较R32和R290高28. 81%和40. 57 %。

2 . 空气进口风速对换热器性能的影响 

图8为不同替代制冷剂单位面积换热量随迎面风速的变化。当风速为1.5 m/s时，以R22换热量为基准，R22单位面积换热量分别较R32、R290、R410A和R407C小13. 960/0、6.20%、15.50%和44. 96%。当风速增加两倍时，不同制冷剂平均换热系数增加30%左右，而平均换热温差增加10%左右。平均换热温差较平均换热系数变化缓慢，如图11、12所示；在满足换热量的条件下，不同风速下，R290同样具有较小的换热温差，较高的换热系数，可以降低系统不可逆损失。

图9、10为不同替代制冷剂质量流量和总压降随迎面风速的变化。总压降增加主要由于一方面空气侧压降的增加；此外单位面积换热量的增加造成制冷剂循环质量流量增加来满足一定冷凝器出口的过冷度，制冷剂质量流量的增加造成两相流速和相面剪切力提升，从而总的压降增加。

在一定的风速范围内，R290循环质量流量分别较R22、R407C、R32和R410A平均小40%、60 %、19%和47%左右。当迎面风速为3.5 m/s时，R407C压降较R22高91. 69%，R410A、R32和R290压降较R22分别小11. 55%、39. 72%和19.63%。

结论

通过建立空调冷凝器分布参数模型，并对模型进行了验证，分析了不同迎面风速和风温下不同替代制冷剂的流动和换热性能。研究表明：

1、在一定的约束条件下，无论是增加迎面风速或风温，R407C压降和质量流量最大，且环保性能差；

2、R290和R32压降和循环质量流量均小于R22；

3、R410A虽然压降较小，但循环流量大，且环保性能差；

4、R290循环质量流量均较R22小40 %以上，且较R22换热温差小，换热系数高，换热过程不可逆损失小。