联盟论坛PPT│刘金平：采用降膜冷凝技术风冷冷凝器的实验研究
可持续发展战略使得HCFCs面临淘汰，而市场上对于制冷剂的需求量又非常大。这个问题亟需解决。
为此，联盟在首届制冷空调换热器技术论坛上特别邀请了华南理工大学电力学院制冷技术与相界面传递研究室刘金平教授来分享他们在降膜冷凝技术风冷冷凝器的试验研究成果。降膜冷凝技术风冷冷凝器从减少房间空气调节器冷凝器制冷剂积存量出发，是在保证空调器性能不降低，保证安全前提下的新技术。
华南理工大学电力学院制冷技术与相界面传递研究室刘金平教授
背景
一：空调制冷所面临的市场矛盾：
能效比标准提高，所需的充灌量增加
可持续发展战略使得HCFCs面临淘汰
为解决这种“矛盾”，国内外的学者进行了大量研究，主要为以下三类：
1：寻找新型替代制冷剂（最终目标，但条件苛刻）
2：在现有换热器的基础上进行强化换热（研究最多）
3：换热器新型结构的研发（研究较少）
主要目的：在满足换热要求的前提下，减少制冷剂的充灌量
二：中国房间空调器行业HPMP战略-替代技术
三：研究目的意义
实质上已经基本排除了可以人工合成理想制冷剂的可能性。从近10 年替代物的发展看, 无论从理论上或从实践上, 很难找到一种完全理想的替代物。
R32:3kg R290:300g
减少制冷剂的充灌量意义重大。
图：蒸发器（室内机）：制冷剂积存量占20～30%
图：冷凝器（室外机）：制冷剂积存量占70～80%
所以，减少冷凝器中冷剂积存量是减少房间空调器冷剂充注量的最重要的措施。
图：某1.5 1.5匹分体空调制冷剂积存布
图：传统家用空调室外机
超过60%的制冷剂积存在冷凝器中，这是因为：
1、由于换热管采用水平蛇管布置，两相段冷凝液积存严重，导致制冷剂积存量大，且换热系数低；
2、为保证完全冷凝，冷凝器出口处制冷剂过冷，需要额外增加换热管长度，导致进一步增大了制冷剂积存量和所需的充灌量。
2014年我国房间空气调节器生产量为14463万台，比上年增长10.7%。2013年我国房间空气调节器生产量为13057.2万台，比上年增长5.3%。是世界上房间空气调节器第一生产大国和使用大国。制冷剂年用量约2～3亿kg，15元/kg，新制冷剂可能100元/kg。
减少房间空气调节器冷凝器制冷剂积存量：是在保证空调器性能不降低，保证安全前提下，完成现有制冷剂淘汰、替代工作的可能路径之一。对解决我国乃至世界制冷剂替代难题具有重大的社会效益和科学价值。
项目研究
一：水平横管冷凝器的特点及改进方案
冷凝器中积存的液态制冷剂会阻碍传热，增多制冷剂充灌量。
图：现有典型空调风冷冷凝器表面温度分布
图：减少冷凝器中液态制冷剂积存的一种方案
二：水平横管内制冷剂冷凝换热特性
三：Nusselt竖壁膜状凝结换热理论
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R22 |
冷凝温度Ts（℃） |
49 |
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平均壁温Tw（℃） |
40 |
项目实验
图：实验装置
本实验研究的对象为两套同品牌同型号的1匹房间分体空调器，其中一套空调器（以下称标准机）不做任何结构上的改变，另一套空调（以下称改良机）则将室外机的冷凝器置换成降膜冷凝器，其余部件不改变。
图：铭牌参数
图：测点分布图
图：测试工况参数
图：测量点不确定度
制冷剂充灌量R22，550g（原机1050g热泵型、850g单冷型），减少35.3%。
测试方法严格按照GB/T7725-2004标准执行,本实验所有的测试均是在标准焓差室中进行，最终获得16组（4 组测试工况×4组充灌量）数据。
以标准机的测试数据为基准，四组制冷工况下，能效比平均要低10%。由于降膜冷凝器胀管难度较大，以及厂商的加工技术限制，导致降膜冷凝器的翅片面积要少10%，换热量没有达到最大值，整机的性能仍有提高的空间。
图：冷凝器制冷剂总积存量对比
图：冷凝器制冷剂总积存量所占比例
热像图分析研究
在各个工况运行数据采集完成时对翅片表面的温度使用红外热像仪进行热像图摄取，通过建立导热方程来处理这16张热像图所采集到的温度，并对3D热像图进行分析。
翅片表面共采集到76378个温度数据点，其中温区（37±0.5）℃的数据点最多，达到26868个，占总数据量的35.2%，并以该温区为中心，越往两边，数据量越少。经导热方程计算得：to=40.37，Δt=1.38。
图：降膜冷凝器翅片区域
图：降膜冷凝器翅片表面温度数据量统计
图：额定制冷工况翅片温度3D热像图
降膜冷凝器由于换热管壁较厚、翅片厚度较厚、涨管能力较差，导致接触热阻较大、温度不均匀性明显。
图：最小制冷工况翅片温度3D热像图
存在的问题及拟进行的工作：
1）节流前为饱和液体（3’)，节流后的干度增大(4’)，室内外机的连接管可能要给予考虑，蒸发器也要予以考虑。
2）做热泵运行时，目前的室外机不适用做蒸发器，制热量减小50%，压缩机耗功率也减小50%。
做热泵运行时，蒸发器拟采用降膜蒸发的技术路线。前提条件：制冷剂和换热表面超湿润。
解决问题的思路
一：超亲液表面形成技术
紫铜表面的平均接触角为73.4°, 表观接触角随随粗糙因子r增大而减小的变化规律如图4-7所示。
图：处理前的超亲水铜表面的接触角测试
鉴于液膜在表面张力的作用下其外表面呈缩小的趋势。使得换热表面提前出现干涸，表面换热系数急剧减小。采用表面物理化学技术形成铺展润湿表面。
图：处理后的超亲水铜表面的接触角测试
二：降膜式蒸发的优点
降膜式蒸发的机理：降膜式蒸发器的换热主要是通过液膜在蒸发表面汽化来实现的，由于液膜的厚度比管道的直径小得多，传热过程中的热边界层较薄; 同时工质是在重力的作用下向下流动的。
降膜式蒸发的机理：膜式蒸发发生相变是在气液交接面，这个界面始终存在气-液之间的分子交换，从液相进入气相的分子数多为蒸发，从气相进入液相的分子数多为则为冷凝，而沸腾换热是在液相中产生新相，需要的能量要大得多，即需要的换热驱动力-温差要大，而膜式蒸发需要的换热驱动力-温差要小得多。
因此总的来说，降膜式蒸发器相比满液式蒸发器和干式具有显著的优点:
1) 具有较高的换热系数: 实验表明，降膜式蒸发换热的传热系数比池沸腾高。由于降膜式蒸发器具有较高传热系数这一特性，蒸发器的尺寸可以做的很小，这在一定程度上节约了制作成本，也更便于实现装置的小型化。同时由于制冷剂前后压力降低的很小，制冷剂在流动过程的阻力损失也会很小。
2) 较少的制冷剂充注量: 由实验结果可知，在相同冷量的条件下，制冷剂的充注量可以减少约25%。
三：制冷剂与换热表面的接触角测量
非共沸混合工质池沸腾成核机理的分析及实验研究
一：研究背景
汽化核心数衰减是非共沸混合工质沸腾换热系数衰减的主要原因之一，故研究混合工质沸腾气核的衰减有助于分析混合工质沸腾换热过程。
根据成核理论，在均匀过热的液体中产生一个气泡需要有能量涨落。我们认为在混合工质溶液中，形成一个临界气泡不仅需要能量聚集，还需要有低沸点组分的浓度聚集，故混合工质沸腾时气核会减少。
上图是根据Acedisian等数据整理的不同工质及其混合物的极限过热度。图中显示混合工质产生第一个气泡所需要的过热度大于纯工质，这从一个方面证明了浓度涨落。
二:浓度涨落的计算
三：实验系统建立
1、实验装置：
如下图所示，铜柱与石英管相连组成封闭系统。上端铜管焊接在铜柱上，并与恒温槽#1相连以控制铜柱温度。下端控制恒温槽#2温度，以控制沸腾过热度，使用高速摄像机记录沸腾气泡生成过程。
2、实验思路：充注混合工质，将液面控制在铜柱内，通过控制铜柱温度控制系统饱和压力。通过改变恒温槽#2温度改变系统过热度并使用高速摄像机记录沸腾气泡生成过程。
3、实验变量：通过改变两个恒温槽温度，控制系统工质的饱和压力和过热温度
4、 实验工质：丙烷、异丁烷、R134a、R32及其混合物。
图：接触角及沸腾表面粗糙度
5、实验结果与讨论
异丁烷与丙烷在3-25℃过热度下单位面积的气核密度如下图所示。
拟合了纯工质在石英管上沸腾气核数的关系式，误差在±35%以内。
不同浓度丙烷/异丁烷沸腾异丁烷/丙烷及R134a/R32在5-25℃过热度，0.5MPa及1MPa下单位面积的气核密度如右图所示，随着高沸点组分浓度增加，沸腾的气核数先减少后增加。
通过对纯工质气化核心密度关系式添加衰减系数得到混合工质气化核心密度。
但由于浓度涨落在无外界扰动情况下计算出来的，目前实验无法达到此条件，故计算衰减系数是通过增加过热度的方法来体现增加扰动的影响。
四：结论
1、使用浓度涨落理论解释非共沸混合工质沸腾气核数衰减，并推导了衰减系数的计算方法；
2、建立实验系统，研究了丙烷和异丁烷在0.25-0.82MPa下,过热度为3-25℃时在石英管中沸腾的气化核心密度。总结了计算气化核心密度的关系式，大多数数据误差在±35%以内；
3、研究了不同浓度R134a/R32以及丙烷/异丁烷混合物的气化核心密度，得到了混合工质沸腾气化核心密度的衰减因子，衰减因子随着高沸点组分浓度增加而先减小后增加。
总 结
1、采用降膜冷凝技术的风冷冷凝器可显著减少制冷剂的使用量（35%）；
2)、实验证实了制冷剂（R134a, R22, R290, R600a, R32 ）在换热表面（铜、铝、不锈钢）的超湿润特性；
3）使用浓度涨落理论解释非共沸混合工质沸腾气核数衰减，并通过了实验系统验证。