R290与R404A在水平管内沸腾换热的压降研究

    1 引言

    对蒸发器、冷凝器进行两相流压降的预测是极其重要的,这将有助于准确的设计和优化制冷、空调以及热泵系统。内螺纹管作为一种强化传热的管型,在制冷空调工程中应用非常广泛。研究表明内螺纹管沸腾换热系数的提高是以压力损失的增大为代价。为了全面分析内螺纹管的强化换热特性,就有必要比较研究内螺纹管与光管之间的沸腾换热特性及其压降特性[1,2]。迄今有关R22的替代工质R290与R404A管内沸腾换热压降的研究公开报道尚不多见。重庆大学童明伟教授指导研究生开展了R290含油混合物在水平微肋管内沸腾换热及流阻特性的实验研究[3]。而有关R404A的光管及内螺纹管中的沸腾换热压降研究未见报道。因此实验研究了R22的两种新型替代工质R290与R404A管内沸腾换热压降,并选择了适用的计算关联式。

    选择Lockhart&Martinelli关联式计算管内沸腾换热压降,将关联式预测结果与R290和R404A在光管和内螺纹管中的沸腾换热压降实验结果进行了对比。工质不同,关联式的预测精度不同。针对R290,依据实验压降数据值对关联式进行了必要的修正。研究结果对深入认识R22不同替代工质的流动沸腾传热机理,并对新型内螺纹管的研究与开发及换热器的设计与优化具有实际指导意义。

    2 管内沸腾换热压降的计算关联式

    管内沸腾换热压降的计算详见文献[4]。管中两相流的总压降由三部分组成,即重力压降ΔPgrav,加速压降ΔPacce和摩擦压降ΔPfrict,表达式如下:

ΔPtotal=ΔPgrav+ΔPacce+ΔPfrict(1)

    对于水平管,重力压降没有变化,所以ΔPgrav=0。

    加速度压降反映了流体动能的变化,计算式如下:

    其中,m_total是气液相的总质量流速;x是气相干度;ε是空隙率,计算式如下:

    将进出口处的气相干度值代入,加速压降便可得到。因为实验中所测得的是工质在测试管段的摩擦压降和加速压降之和。所以,将实验压降值减去通过(2)和(3)式计算得到的加速压降就得到实验摩擦压降值了。一般说来,摩擦压降在总压降占据主要份量。在实验工况下,加速压降大约只占到实验压降值的7%~11%。

    两相流的摩擦压降可以用Lockhart &Martinelli(以下图表中简称L-M)关联式进行预测。Lockhart&Martinell认为管内两相流摩擦压降可以通过将管内单相(液相或气相)流体的摩擦压降乘以两相修正因子而得到。表达式如下:

    液体和气体的单相摩擦因子fL和fG可以通过下式得到:

    相应的两相修正因子为:

    其中,

    Xtt是紊流流型的两相Martinelli参数,可由下式得到: