不同制冷剂在空调冷凝器内换热性能的比较

　　1 前言

　　翅片管换热器在制冷和空调系统中得到广泛的应用。由于流路、管型、翅型、风速场、两相流型、制冷剂种类以及运行工况等的复杂性,对翅片管换热器的试验研究显得相对耗时且昂贵。翅片管换热器的模拟研究在缩短研究周期和节约资金上是一种行之有效的手段。基于这点,许多学者做了大量研究。

　　Domanski等人优化了6种制冷剂R22、R600a、R134a、R32、R410A、R290蒸发器的流程，分析了优化的蒸发器流程对系统性能的影响[1]。研究表明高压制冷剂较低压制冷剂获得较好的系统性能,且可使系统性能提高11. 7%。Liang等人研究R134a制冷剂在复杂流路下蒸发器和冷凝器的性能,研究表明:对于蒸发器和冷凝器来说,制冷剂侧和空气侧的热阻基本相当;对于复杂流路,改变制冷剂的质量流率可以提高换热器性能;相对传统流路设计,合适的复杂流路设计可以减少5%的换热器面积[2、3]。Byun等人对比分析了R22、R134a和R410A在翅片管蒸发器的换热性能,研究表明R410A较R22和R134a具有较高的换热性能且具有较低的传输压降[4]。目前,涉及不同替代制冷剂在冷凝器内性能的合理比较分析尚缺。

　　本文通过建立空调换热器分布参数模型,分析比较不同制冷剂在同一翅片管冷凝器内的流动和换热规律,旨在寻求现有空调制冷剂R22的最佳替代工质。

　　2　　模型及研究对象

　　2. 1　　冷凝器模型

　　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。

　　2. 1. 1 制冷剂侧控制方程

　　质量守恒方程:

　　式中 mr----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 Ai---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

　　di---内管直径

　　Q---制冷剂密度

　　$zi---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--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。Lee等人研究了不同制冷剂R22、R290、R600a等在水平管下的冷凝换热性能,对比分析了不同关联式,研究表明Cavallini关联式相对具有较高的准确性[5、6]。该关联式也被Hwang等人理论和试验所证实,该研究涉及制冷剂R410A、R290和R404A[7]。Lee等人基于Cavallini冷凝换热关联式理论和实验研究了R22和R407C的冷凝换热性能[8]。因此,本文两相区冷凝换热也采用Cavallini关联式[6]。单相区传热采用Dittus-Boelter关联式;制冷剂在单相区压降采用Bla-sius关联式;两相区的压降采用M?ller-Stein-hagen关联式[9];U型弯头单相与两相区的局部压降分别采用Chisholm和Idelchik关联式[10、11]。