研究：Ｒ290在小管径水平微肋管内凝结换热

Ｒ290(丙烷) ODP为0，GWP为20，具有优秀的环保性和热物性，是理想的替代制冷工质，但存在的易燃易爆性阻碍了其在生产生活中的实际应用，通过采用小管径微肋管，优化结构使冷凝器紧凑化，最终减少制冷剂充灌量是Ｒ290安全使用的可行途径。

研究Ｒ290在管内的凝结换热特性对探索提高Ｒ290管内换热和优化冷凝器结构具有重要作用。本文选择4.3 mm 微肋管进行Ｒ290的管内凝结换热特性实验。

1、实验系统与数据处理

1.1 实验系统基本组成  

实验系统主要包括3个回路: 制冷工质回路、冷水回路与冷却液回路，由储液罐、过滤器、齿轮泵、预热段、直流稳压电源、恒温水箱、电磁流量计、实验段、过冷段、冷水机组、质量流量计和阀件组成，如图1 所示。

在制冷工质回路中，Ｒ290以过冷液态从储液罐中流至过滤器，由齿轮泵送入预热段被直流稳压电源加热成为湿蒸汽( 含少许液体) ，随后进入实验段向来自恒温水箱内的冷水放出热量凝结为低干度的气液混合物，经过过冷段被来自冷水机组的冷却液 ( 即低温乙二醇溶液) 冷却为过冷液体，通过质量流量计流回储液罐，进行下一循环。

实验过程中，开启储液罐旁通回路中的控制阀使流出齿轮泵后的部分Ｒ290液体由旁通回路流回储液罐，从而调节流入实验段Ｒ290的流量。实验段为一逆流式套管换热器，有效管长为900 mm，内管采用紫铜微肋管( 如图 2 所示) 。

表1列出了实验内管的主要结构参数; 来自恒温水槽的冷水从内、外管环形空间流过，并对内管中流动的Ｒ290进行冷却。

测量参数: 实验段工质侧进出口温度和压力、实验段水侧进出口温度和体积流量、内管外壁温度、预热段进口前工质温度和压力、预热段加热功率、工质质量流量。实验测量仪器及参数如表 2所示。

实验工况: 质流密度180—300kg /( m2 ·s) ，饱和温度 40—55 ℃，热流密度3—10kW/m2 ，干度0.9—0.1。

1.2 数据处理   

为保证实验结果的准确性，对实验段进行热平衡测试，确保其漏热率小于3% ，此时，Ｒ290 的凝结换热量等于恒温冷水的吸热量:

2、实验结果与分析

本次实验主要研究微肋管内质流密度、饱和温度、热流密度等因素对Ｒ290 凝结换热特性的影响。

2.1 质流密度对凝结换热的影响  

由图3可得，饱和温度为40 ℃，热流密度为5 kW/m²时，凝结换热系数随质流密度的增加而增大，该趋势在凝结过程的前半段(即干度为 0.9— 0.5 时) 更为明显，例如，质流密度由 250 kg /( m² ·s) 增至300 kg /(m² ·s) 时，换热系数增大了约 18%，这是因为在气态Ｒ290 刚开始凝结时，壁面出现的液滴较少，且液滴容易被气流带走，而增大质流密度，可以直接提升管内气液流速，气液扰动剧烈，换热能力显著增强;

随着气态Ｒ290继续凝结(干度＞0.5) ，壁面凝结液增多，液膜逐渐形成，产生的液膜热阻抑制了换热，凝结换热系数随干度降低而减小，但在凝结过程前半段，由于液膜厚度较小，Ｒ290仍以气相为主，同一干度条件下增大质流密度提高了气相速度，气液界面的扰动剧烈，导致较薄的液膜在气液界 面间剪切力作用下厚度进一步变小或被破坏，液膜热阻变小甚至消失，换热系数增加明显;

而当凝结过程进入后半段(干度＜0.5)，Ｒ290 以液相为主，凝结的液膜厚度较大，尽管增大质流密度可以提高气 相流速从而强化换热，但不足以破坏液膜的形成，液膜热阻减小不明显，从而一定程度上削弱了高质流 密度产生的强化换热效果，此时Ｒ290的凝结换热 系数随质流密度增大而增加的幅度不如凝结过程的前半段显著。

2.2 饱和温度对凝结换热的影响  

由图4可得，质流密度为250 kg /(m² ·s) ，热流密度为 5 kW/m²时，凝结换热系数随饱和温度的升高而减小，这是由于饱和温度升高导致Ｒ290液相密度减小而气相密度增大，气液相间的相对流速降低,气液界面扰动减弱，抑制了换热; 而且这种影 响在凝结过程的前半段( 干度为 0.9—0.5) 更为明显，当饱和温度由40 ℃增至50 ℃，换热系数降低了15.57% ;

因为Ｒ290刚凝结时壁面出现的液滴较少，管内Ｒ290几乎为气体，饱和温度升高导致气相密度大幅增加，气流速度显著降低，对换热的抑制作用更明显，随凝结过程的进行(干度 ＞0.5) ，凝结液滴逐渐增多并初步形成液膜，但管内Ｒ290气相占比大，饱和温度升高导致气液密度差大幅减小，界面扰动强度明显削弱，换热能力显著降低; 当进入凝结过程后半段(干度＜0.5)，此时管内 Ｒ290 气相占比小于液相，由于液相密度受饱和温度的影响不如气 相显著，该阶段饱和温度升高导致气液密度差减小的幅度不如凝结过程前半段，因而凝结换热能力受饱和温度的影响不如凝结过程前半段明显。

2.3  热流密度对凝结换热的影响  

由图5可得，质流密度为250 kg/(m²·s) ，饱和温度为40 ℃时,Ｒ290的凝结换热系数随热流密度的增大而增加，尤其在凝结过程的前半段，换热系数增加的更明显(当热流密度由 8 kW/m²增至10 kW/m² 时，换热系数增加了约16.46% ) ，这是由于增大热流密度会使气态Ｒ290与管内壁之间的温差扩大，从而增强传热的动力，凝结换热系数增加。

此外，热流密度为10 kW/m²时，凝结换热系数随干度的降低出现先增后减现象，这有别于热流密度分别为5 kW/m2与8 kW/m²时凝结换热系数随干度的降低而减小的规律; 其原因是Ｒ290 在管内开始凝结时，过大的热流密度减缓了气相Ｒ290 液化的 速度，换热被削弱，起始凝结换热系数偏小; 随着凝结的进行，管内开始出现Ｒ290的凝结液滴，但尚不足以形成液膜，强化了凝结换热，换热系数增大; 当管壁凝结液增多，凝结液膜开始形成，因液膜热阻抵消了大热流密度的强化传热效应，使得换热系数达到最大值( 此时干度约为0.78)，随凝结过程的继续进行，干度继续降低，液膜逐渐增厚，液膜热阻继续增大，使管内Ｒ290总的换热能力被不断削弱，凝结换热系数随干度的降低不断减小。

综合图3—5可得，随着换热的进行，凝结换热 系数一直随干度的减小而降低，仅在热流密度过大时( 10 kW/m²) 出现先增后减现象。

3、凝结换热关联式预测及结果比较

通过文献检索，尚未找到预测微肋管内Ｒ290 凝结换热系数的专用关联式，故选取了4 种计算纯制冷剂凝结换热系数的经典关联式进行预测，分别为 Chang 等［1］，Cavallini 等［2］，Yu 等［3］和 Kedzierski 等［4］; 并将微肋管内Ｒ290 凝结换热系数计算值与实验值进行对比，结果如图 6 所示。其中，平均相对偏差为：

表3 列出了关联式的预测偏差，ω表示凝结换热系数实验值在给定范围内的数据点占总数据点的比例。

可以看出，Chang等［1］和Yu［3］的预测平均相对偏差分别为13.92%,－7.56% ，平均绝对偏差分别为17.9% ，16.33% ，实验值± 30%范围内数据点比例高达89.3% ,91.9% ; 而 Cavallini 等［2］和 Kedzierski 等［4］的预测值整体偏大，预测偏差均15%以上，实验值 ± 30% 范围内数据点比例为85.5% ，88.7% 。综合图6和表3可得，Chang 等［1］和Yu等［3］对内径为4.3 mm水平微肋管内Ｒ290的凝结换热系数预测精度较高。

4、结论

( 1)相同工况下，凝结换热系数随质流密度、热 流密度的增加而增大，随饱和温度的升高而减小。

( 2) 相比于凝结过程后半段(干度＜ 0.5) ，质流密度、饱和温度及热流密度在凝结过程前半段(干度为 0.9—0.5) 对凝结换热的影响更为明显。

( 3)随着Ｒ290的凝结液化,干度减小,其凝结换热系数也随之减小，仅在热流密度过大时出现先增后减现象。

( 4)Chang 等［1］和 Yu 等［3］对Ｒ290 在内径为4.3 mm 水平微肋管管内的凝结换热系数预测较好，实验值± 30%范围内数据点比例高达89.3%和91.9% 。

参考文献：

［1］ CHANG Y S，KIM M S，ＲO S T． Performance and heat transfer characteristics of hydrocarbon refrigerants in a heat pumpsystem［J］． International Journal of Ｒefrigeration，2000，23:232-242．

［2］ CAVALLINI A，COL D D，DOＲETTI L，et al． Condensation in horizontal smooth tubes: A new heat transfer modelfor heat exchanger design［J］． Heat Transfer Eng，2006，27( 8) : 31-38．

［3］ YU J，KOYAMA S． Condensation heat transfer of pure refrigerants in microfin tubes［J］． British Journal of Haematology，1998，139( 1) : 281-288．

［4］ KEDZIEＲSKI M A，GONCALVES J M． Horizontal Convective condensation of alternative refrigerants within a micro-fin tube［J］． Journal of Enhanced Heat Transfer，1999，6( 2) : 161-178．

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