R404A在水平内螺纹管中的冷凝传热研究

　　随着R22禁用步调的加快,对其替代制冷剂性能以及工程应用的研究成为空调制冷领域的热点问题之一。内螺纹管,又称微肋管,是制冷系统冷凝器中广泛采用的强化传热管,因此研究替代制冷剂在内螺纹管中的冷凝传热特性是准确设计及其优化制冷、空调及热泵系统的重要前提。

　　R404A是一种近共沸混合工质,滑移温度小,在大气压力下只有0.8°C的温度滑移,它的性质与R22非常相近,因此采用灌注式替代对原系统改动较小,R404A还是替代R502的工业标准HFC制冷剂。国内外对于采用R404A的低温制冷系统或空调制冷机组的性能研究较多^[1][2],但是关于R404A在内螺纹管中的相变传热的研究仍不多见。Boissieux等^[3]实验研究了R404A在光管中的冷凝换热系数,并筛选出了预测精度好的关联式;Sami和Fontaine^[4]对R404A在内螺纹管中的平均冷凝换热系数进行了实验研究; Cavallini等^[5]对管内冷凝传热及压降关联式进行了总结和综述。本文则对R404A在水平内螺纹管中的平均局部冷凝传热系数进行了实验研究和关联式的理论研究,进而确定了适合R404A的计算关联式,为其工程应用提供一定理论依据。

　　1 内螺纹管内冷凝换热系数关联式

　　本文选取了较为认可的几个计算管内冷凝换热系数关联式对内螺纹管内冷凝换热进行了研究,具体形式如表1所示。由于R404A为近共沸混合工质,因此选取了Cavallini计算纯质和混合工质的关联式进行对比。

　　表1中,cp为比热容, J/(kg.K);D为以齿顶为基准的内螺纹管直径,m;dM为平均内径,m;e为肋宽,m;Fr为弗劳德数;Ga为伽利略数;g为重力加速度,m/s²;H为肋片间距,m;h为肋高,m;hfg为等压潜热, J/kg;Δhm为混合工质等压冷凝潜热,J/kg;k为导热系数,W/(m.K);L为管长,m;n为齿数;Nu为努塞尔数;p为压力, Pa;pcr为临界压力,Pa;Pr为普朗特数;qm为质量流速, kg/(m².s);Re为雷诺数;Rx为几何强化因子;Reeq为当量雷诺数;T为温度,K;u为速度,m/s;uGO为对应全部流量的蒸汽流速, m/s;Xtt为马丁内利参数;x为干度;Δx为干度变化;A为冷凝传热系数,W/(m².K);B为螺旋角, rad;C为齿顶角, rad;ρ为密度, kg/m³;R为表面张力,N/m;D为壁厚,m;ε为空隙率;L动力黏度,Pa.s;下标b为自然对流项, f为强迫对流项, g为气相状态, i为内侧,L为液相状态,w为管壁侧, s为饱和状态。

　　2 关联式计算结果和实验结果的比较

　　内螺纹管中冷凝换热实验是在荷兰代尔夫特理工大学制冷与室内气候控制实验室进行的。实验系统的组成如图1所示。

　　测试精度分别为:温度0.02K,绝对压力1%,压差0.1%,制冷剂质量流速0.3%。实验段有3组并列的蛇形套管逆流换热器,每组又为4个水平测试段,每段1m长。其中的测试管分别为光管、内螺纹管和内交叉肋管。测试管外径都是9.52mm,套管的外径为15mm。制冷剂在测试管内蒸发或冷凝,而体积分数10%的乙醇溶液在管外流动。制冷剂进出口安装有温度和压力传感器测量进出口的温度和压力。制冷剂流量由质量流量计测量。乙醇溶液在每1m测试段进出口的温度也是由Pt温度传感器测量。其流量由电磁流量计测定。