第41卷第10期 2007年10月
上海交通大学学报
JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT Y
Vol.41No.10 Oct.2007
收稿日期:2006 10 28
基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目([2005]290)
作者简介:胡海涛(1978 ),男,河北定州人,博士生,主要研究方向为制冷装置仿真及制冷工质两相流动换热.
丁国良(联系人),男,教授,博士生导师,电话(T el.):021 ********;E mail:glding@https://www.doczj.com/doc/1114434309.html,.
文章编号:1006 2467(2007)10 1633 05
R410A -油混合物在7mm 水平直光管内
流动沸腾的换热特性 I.实验研究
胡海涛1, 丁国良1, 魏文建1, 汪振策1, 王凯建2
(1.上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240;2.日本富士通将军空调技术研究所,川崎213 8502)
摘 要:实验研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在水平直光管内的流动沸腾换热特性.实验测试管长度2m 、外径7m m.实验工况的蒸发温度为5 C,质量流率为200~400kg/(m 2
s),热流密度为7.56~15.1kW/m 2,入口干度x =0.2~0.7,干度变化为0.2,油的平均质量分数w no =0~5%.实验结果表明,R410A-油混合物管内流动沸腾的换热系数随质量流率的增大而增大;在x <0.7的工况下,油的存在总是增大换热,当w no 从0增长到5%时,换热系数最大可增加61%.在x =0.8的高干度情况下,换热系数在w no =1%时达到最大值,然后随着w no 的增大换热系数逐渐降低.
关键词:R410A;油;流动沸腾;换热中图分类号:TK 124 文献标识码:A
Heat Transfer Characteristics of R 410A Oil Mixture Flow Boiling
in a 7m m Horizontal Straight Smooth Tube
I.Ex perimental Study
H U H ai tao 1
, DI N G Guo liang 1
, WEI Wen j ian 1
, WA N G Zhen ce 1
, WA N G K ai j ian 2
(1.Inst.of Refrigeration and Cry ogenics Eng.,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai 200240,China;2.Fujitsu General Inst.of A ir Conditioning Technolog y Lim ited,Kaw asaki 213 8502,Japan)Abstract:Experimental study of the heat transfer characteristics of R410A oil mixture flow boiling in a horizontal smooth tube w as performed to investig ate the influence of oil concentration,vapor quality and mass flux on the heat transfer coefficient.The length of the test tube is 2000mm,and the outside diameter is 7.0mm.The exper imental parameters include the evaporating temperature of 5 ,the mass flux from 200to 400kg/(m 2
s),the heat flux from 7.56to 15.1kW/m 2,the inlet vapor quality from 0.2to 0.7,and oil concentration from 0to 5%.The test result shows that the heat transfer coefficient of the R410A oil mixture increases with the mass flux;the presence of oil enhances the heat transfer coefficient w hen the vapor quality is less than 0.7;the heat transfer coef ficient can be enhanced by 61%as the oil concentration increases from 0to 5%.When the vapor quality is 0.8,the heat transfer coefficient gets the maximum value at the oil concentration of 1%,and then it decreases w ith the in creasing of oil concentration.
Key words:R410A;o il;flow bo iling;heat transfer
环保替代工质R410A 为近共沸混合物,温度滑移微小,是R22的理想替代物.近年来随着R410A 空调器越来越多地出现在市场中,使得替代工质R410A 的研究更加迫切.为了改善环境效益和能源效率,需要对换热器进行优化设计,换热器优化设计的一个重要前提是要了解制冷工质在换热管内流动沸腾的换热特性.
在制冷系统中,由于制冷剂对油有较好的溶解性,当压缩机开始运行时,势必有一定量的润滑油随制冷剂循环进入制冷系统,从而影响管内流动沸腾的换热特性[1]
.目前已有文献研究了不含油时R410A 在换热管内流动沸腾的换热特性[2 6],但尚未见有关R410A -油混合物在换热管内流动沸腾换热特性的研究报道.
本文研究R410A-油混合物在7mm 水平光管内流动沸腾的换热特性,分析润滑油对管内换热特性的影响,以指导R410A 空调换热器的设计.
1 实验装置与测试工况
1.1 实验装置
如图1所示,实验装置共包括3个回路:制冷剂主回路、制冷剂旁通回路和润滑油回路.有关实验原理和装置的详细介绍可参见文献[
7].
1 室外机组,
2 压缩机,
3 冷凝器,
4 室外机电子膨胀阀,
5 油分离器,
6 贮油器,
7 回油毛细管,
8 室内机组,
9 室内机后置加热器,10 制冷剂质量流量计,11 止回阀,12 润滑油质量流量计,13 油泵,14 细微刻度调节手阀,15 贮油器,16 高效油分离器,17 混合室,18 采样筒,19 预热器,20 管道视镜,21 测试段,22 测试段后置加热器,23 视镜
图1 实验测试装置示意图F ig.1 Schematic of the test r ig
1.2 实验对象与测试工况
实验对象为水平直光管,总长2m,外径7m m,
壁厚0.33mm.测试管外均匀布置电加热带,有效加热长度为1.8m,电加热带外包有隔热层和隔气层,经漏热分析表明,漏热量小于加热量的2%,可以认为测试段与环境绝热.测试管的壁温测点布置如图2所示.实验所用的制冷剂为R410A,润滑油为酯类油RB68EP.实验工况的蒸发温度为5 C,质量流率为200~400kg /(m 2
s),热流密度为7.56~15.1kW/m 2,测试段入口干度x =0.2~0.7,油的平均质量分数w no =0~5%.
图2 测试段壁温测点布置示意图(mm)F ig.2 T hermo couple lo cat ion distributio n on the
test sect ion (mm)
2 数据导出
2.1 换热系数
R410A-油混合物管内流动沸腾的换热系数
tp,r,o =q test
T w -T bub,r,o
(1)
式中:q test 为测试段热流密度;T w 为换热管内壁面的平均温度,由于测试管壁厚仅为0.33mm,根据壁面导热方程计算得到的管内外壁温差小于0.05 C,小于壁面测量热电偶的测温分辨率,因此T w 近似等于换热管外壁面温度,外壁面的温度由热电偶测量获得;T bub,r,o 为R410A-油混合物的泡点温度.
由于制冷剂-油混合物的物性与纯制冷剂不同,T b ub ,r,o 不同于纯制冷剂的饱和温度,其计算公式
[8]
为
T bub,r,o =
A(w lo )
ln (p sat )-B (w lo )
(2)
A (w lo )=a 0+a 1w lo +a 2w 3lo +a 3w 5lo +a 4w 7
lo B(w lo )=b 0+b 1w lo +b 2w 3lo +b 3w 5lo +b 4w 7lo
式中:p sat 为制冷剂-油混合物的饱和压力;对于不同的制冷剂-油混合物,a i 、b i (i =1,2,3,4)为常数[8],a 0和b 0可以由纯制冷剂的饱和压力和饱和温度求出[8];w lo 为液相中油的质量分数,
w lo =
q m,o q m,o +q m,r,L =w no
1-x test
(3)
式中:q m ,o 、q m ,r 和q m ,r,L 分别为润滑油、制冷剂和液相
制冷剂质量流量;x test 为测试段R410A -油混合物干度,定义为气相制冷剂在混合物中的质量分数.
1634
上 海 交 通 大 学 学 报
第41卷
考虑实验设备的测量精度[7],对换热特性的不确定性进行分析,换热系数的最大测量误差为 8.1%,详细的误差分析可参见文献[7].
2.2 油的平均质量分数
油的平均质量分数
w no=
q m,o
q m,r+q m,o
(4)
q m,o、q m,r分别由润滑油流量计和制冷剂流量计测得.为了确认测试段注油浓度的准确性,在制冷剂主回路的混合室出口与电子膨胀阀进口之间布置了采样口,对注油浓度和采样油浓度进行对比.对质量流率为400kg/(m2 s)的部分工况按照文献[9]进行实时采样,结果如表1所示,可见两者最大偏差小于0.25%.
表1 注油浓度与采样浓度的对比
Tab.1 The contrast of injection oil concentration to sampled oil concentration
q m,r/ (g s-1)
q m,o/
(mg s-1)
w no/%
注油采样
12.67000.02
12.56122.20.960.92
12.75372.2 2.84 2.60
12.58511.1 3.90 3.90
2.3 测试段入口干度、出口干度和平均干度
R410A-油混合物在流动沸腾过程中,气相中润滑油的分压可忽略不计,可以认为润滑油只存在于液相中[10],因而R410A-油混合物的焓值包括3部分:油的焓值、气相制冷剂的焓值和液相制冷剂的焓值[11].测试段入口和出口处R410A-油混合物的比焓分别为:
h r,o,in=h o,in w no+x in h r,V,in+
(1-w no-x in)h r,L,in(5)
h r,o,out=h o,out w no+x out h r,V,out+
(1-w no-x out)h r,L,out(6)式中:下标in、out分别表示测试段入口和出口;下标r、o、L、V分别表示制冷剂、油、液相和气相.
预热器和测试段用保温层与环境绝热,根据预热器和测试段的热平衡,测试段入口和出口处R410A-油混合物的比焓为:
h r,o,in=h r,o,EEV+Q pre
q m,o+q m,r
(7)
h r,o,out=h r,o,EEV+Q pre+Q test
q m,o+q m,r
(8)
式中:Q pre、Q test分别为预热器和测试段的加热量; h
r,o,EEV为电子膨胀阀前R410A-油混合物的焓值,由于经过电子膨胀阀节流前后的焓值变化很小,可以认为阀前后的焓值不变,在电子膨胀阀前R410A -油混合物处于过冷状态,
h r,o,EEV=h r,EEV(1-w no)+h o,EEV w no(9) h r,EEV为电子膨胀阀前R410A的焓值,由N IST REFPROP7.0求出,h o,EEV为电子膨胀阀前润滑油的焓值.
由式(7)和(8)求出h r,o,in和h r,o,out,分别带入式(5)和(6)中,可以求出x in和x out.测试段的平均干度取为入口干度和出口干度的算术平均值:
x test=x in+x out
2
(10) 3 实验结果与分析
3.1 质量流率对换热系数的影响
图3给出了质量流率对换热系数的影响.由图3可见,在不同的干度和油质量分数工况下,R410A -油混合物的换热系数随质量流率的增加而增大,这是因为随质量流率的增加,加速了流型向环状流的转化,增强了对流沸腾,从而增强换热.而且质量流率G从200kg/(m2 s)增长为300kg/(m2 s)时,换热系数增长较大,这是因为实验观测中发现,质量流率的增加促进流型从波纹层状流向间歇流或者环状流转化,文献[12]给出的流型图也表明了质量流率对流型转化的促进作用,这种流型的转化使得液相与壁面的接触面积增大,从而增大了换热系数;G从300kg/(m2 s)增至400kg/(m2 s)时换热系数的增长较小,因为G=300~400kg/(m2 s)时,流型处于间歇流或者环状流,质量流率对流型的促进作用引起的换热增强作用不明显,换热系数的增长主要是质量流率的增大对沸腾换热的增强引起的,因此换热系数增长得较小.
图3 质量流率对换热系数的影响
F ig.3 T he influence o f mass flux o n heat transfer coefficient
3.2 干度对换热系数的影响
图4给出了G=200,300,400kg/(m2 s)工况下,R410A-油混合物的流动沸腾的换热系数随干
1635
第10期胡海涛,等:R410A-油混合物在7m m水平直光管内流动沸腾的换热特性
度的变化,实验工况的蒸发温度t e=5 C.由图4可见,在不同的质量流率工况下,w no<1%时,换热系数随着干度的增大而增大;当w no>2%时,换热系数随干度先增大后减小,随着w no的增大,换热系数出现峰值的干度逐渐减小,当w no=2%和5%时,换热系数出现峰值的干度值分别为0.6和0.4;当x> 0.7时,R410A-油混合物的换热系数随着干度的增大迅速降低
.
图4 不同质量流率时换热系数随干度的变化
F ig.4 T he inf luence of v apo r quality on heat tr ansfer co efficient at different mass f luxes
3.3 油的质量分数对换热系数的影响
图5给出了G=200,300,400kg/(m2 s)工况
下,R410A-油混合物流动沸腾的换热系数随w no
的变化
.
图5 换热系数随油质量分数的变化
F ig.5 T he influence o f nominal oil concentr atio n
on heat transfer coefficient
由图5可见,在x<0.4时,换热系数总是随着
油质量分数的增大逐渐增大,这是因为此时流型主
要处于波纹层状流或间歇流[12],润滑油的存在使得
液相的表面张力增大,增大了液相与管壁的接触面
积,并且增加了制冷剂的发泡点,从而增强换热.
x>0.5时,换热系数随着w no的增大先增高后降低,
并且随着干度的增大,换热系数出现峰值时的油质
量分数逐渐降低,在x=0.5时,换热系数在w no
3%时达到峰值,在x=0.8时,换热系数在w no
1%时出现峰值.
为了定量地研究油的存在对换热系数的影响,
将R410A-油混合物与纯工质R410A换热系数的
比值定义为油影响因子:
EF=
tp,r,o
tp,r(11)
式中, tp,r为纯制冷剂R410A管内流动沸腾的换热
系数.
图6给出了不同质量流率工况下油影响因子随
w no的变化.
图6 油影响因子随油质量分数的变化
F ig.6 T he influence of nominal oil concentr atio n o n EF 1636上 海 交 通 大 学 学 报第41卷
由图6可见,在不同的质量流率和油质量分数工况下,x<0.7时,EF>1,润滑油的存在增强换热,当w no由0增长到5%的实验工况下,EF最大可增加61%;x=0.8时,EF随着w no的增加先增大,峰值出现在w no=1%左右,然后随着w no的增加, EF开始降低.这是由于润滑油的存在对混合物的换热有两方面的影响,一方面由于油的存在增大液相的表面张力,从而增大液相与管壁的接触面积,同时油的存在增加发泡点,增强核态沸腾,从而增强两相换热;另一方面,由于液相粘度和表面张力的增大,对气泡的长大起到抑制作用,从而恶化换热.两方面影响因素的综合作用,决定了油的存在对混合物换热增强或弱化作用.在x<0.7时,润滑油对换热的增强作用占主导地位,因而增强换热;x=0.8时,润滑油对换热的弱化作用占主导地位,从而恶化两相流动的换热特性.
4 结 论
(1)R410A-油混合物光管内流动沸腾的换热系数随质量流率的增大而增加.
(2)x<0.4时,换热系数随w no的增大逐渐增大;当x>0.4时,换热系数随w no的增大先增大,在一定的w no工况下达到峰值,然后随着w no的继续增大换热系数开始降低;并且随着干度的增大,换热系数出现峰值的w no值逐渐减小.
(3)在x<0.7的工况下,油的存在总是增大换热,当w no从0增长到5%时,换热系数最大可增加61%.x=0.8时,油影响因子随着w no的增加先增大,峰值出现在w no=1%左右,然后随着w no的增加换热系数逐渐降低,这是由于在高干度下,液相中的油浓度很高,油的存在增加了液相的粘度和表面张力从而抑制了沸腾换热.
参考文献:
[1] T home J R.Bo iling of new r efrig erants:A state of
the ar t r eview[J].International Journal of Refrigera
tion,1996,19(7):435-457.
[2] Goto M,Ino ue N,Ishiwatar i N.Condensatio n and
evapor atio n heat transfer o f R410A inside inter nally
g ro oved hor izontal tubes[J].International Journal of
Refrigeration,2001,24(7):628-638.
[3] K im Y,Seo K,Chung J T.Evapor atio n heat tr ansfer
characterist ics o f R 410A in7and9.52mm smooth/
micr o fin tubes[J].International Journal of Refrigera
tion,2002,25(6):716-730.
[4] K im M H,Shin J S.Evapor ating heat t ransfer of R22
and R410A in hor izontal smo oth and m icrof in tubes
[J].International Journal of Refrigeration,2005,28
(6):940-948.
[5] W ellsandt S,V amling L.Ev apo ration of R407C and
R410A in a ho rizo ntal her ring bo ne microf in tube:
H eat tr ansfer and pressur e dro p[J].International
Journal of Ref rigeration,2005,28(6):901-911. [6] G reco A,V ano li G P.F lo w bo iling of R22,R134a,
R507,R404A and R410A inside a smo oth ho rizontal
tube[J].International Journal of Ref rigeration,2005,
28(6):872-880.
[7] W ei W J,Ding G L,W ang K J.A new experimental
r ig o f testing flow boiling heat tr ansfer of refr ig erant
and lubr icant mix ture[J].Journal of Shanghai Jiaotong
University(Science),2004,E 9(4):62-67.
[8] T ho me J R,Phil D.Co mpr ehensive ther modynamic
appr oach to mo deling r efrig erant lubricat ing oil mix
tures[J].HVAC&R Research,1995,1(2):110-126.
[9] A N SI/A SHR AE41.4 1996,Standard metho d for
measur ement of pro po rtion of lubr icant o f liquid re
friger ant[S].
[10] Jensen M K,Jackman D L.Predictio n o f nucleate po ol
boiling heat transfer co eff icients of refr iger ant o il
mix tures[J].Journal of Heat Transfer,1984,106(1):
184-190.
[11] K edzierski M A.T he effect o f lubr icant co ncent ra
tio n,miscibility,and viscocit y on R134a poo l boiling
[J].International Journal of Refrigeration,2001,24
(4):348-366.
[12] Wo jtan L,U rsenbacher T,T ho me J R.I nv estigation
of flow bo iling in hor izo nt al tubes.Par t I.A new adi
abat ic tw o phase flow pattern map[J].International
Journal of Heat and Mass Transf er,2005,48(14):2955
-2969.
上海交通大学学报
国家期刊奖百种重点期刊 中国高校精品科技期刊欢迎投稿 欢迎订阅1637
第10期胡海涛,等:R410A-油混合物在7m m水平直光管内流动沸腾的换热特性