技术：R32与R290在小管径内的沸腾压降与换热特性

国内外对制冷剂Ｒ32与Ｒ290 在小管径中压降与换热特性的研究主要针对其中单独一种，缺乏两种替代制冷剂的对比研究。本文通过搭建5mm小管径铜管水平单管沸腾换热特性实验台，对比研究Ｒ32与Ｒ290 在不同干度与质量流速下的沸腾摩擦压降与换热特性。

1 、沸腾换热实验

1. 1 实验装置  

实验设计了流动沸腾换热特性实验台，如图 1所示。实验台共包括两个循环回路: 制冷剂循环回路、冷却水循环回路。

实验对象为总长为 1 000 mm 的 5 mm 内螺纹铜管，且在实验段及其连接处敷设两层厚度为 20mm、导热系数小于0. 07 W / ( m·K) 的保温材料，管螺纹连接处用多层生胶带密封来避免实验段散热对测试结果造成影响。为了避免入口效应对沸腾换热系数造成影响，在距离入口350 mm的地方设置测温截面，截面上每隔90°设置一个热电偶测量管外壁温度，共等距设置3个测温截面，如图2所示。

制冷剂循环回路的主要组成设备为储液罐、过滤器、柱塞计量泵、电磁流量计、冷凝器及过冷器。冷却水循环回路的主要设备为恒温水箱、循环水泵和旁通阀。实验中，可通过调整冷却水的流量与温度来控制饱和蒸发温度。

1. 2 数据处理  

1. 3 误差分析  

考虑到实验中所使用的测量仪器存在测量误差，实测数据与真实数据存在差值且不同测量数据相互关联，测量仪器所产生的误差相互叠加。因此采用 Moffat ［11］法对实验系统误差进行分析，具体计算结果如表 1 所示。

2 、结果与分析

实验通过测得不同工况下，Ｒ32与Ｒ290 在5 mm内螺纹铜管中的沸腾摩擦压降与换热数据，绘制出不同工况下摩擦压降与沸腾换热系数随干度变化曲线。沸腾换热实验的工况数据如表 2 所示。

2. 1 摩擦压降

如图 3 所示，保持热流密度25 kW/ m 2，饱和蒸发温度为 20 ℃，研究质量流速为 100、200 和 300kg / ( m 2·s) 时，干度 0. 1～0. 9 内两种制冷剂摩擦压降的变化情况。从图 3 可以看出，两种制冷剂的摩擦压降均随质量流速的增加而显著增大，干度为 0. 5 时，质量流速从 100 kg /( m 2·s) 增大至 300 kg/( m 2·s) 时，Ｒ32 与 Ｒ290 的摩擦压降分别增大 63. 1% 、39. 1% 。分析原因可知，质量流速的增加导致气液两相之间的速度差增大，形成较大壁面剪切应力与气液界面剪切力，且增强了流动的波动性，沿程阻力损失增大，两者共同作用导致摩擦压降显著增大。

对比Ｒ32 与 Ｒ290 在相同质量流速下摩擦压降可发现，Ｒ290 的的摩擦压降比 Ｒ32 平均大 59. 4% ，随着干度的增大摩擦压降的差值呈上升趋势。主要是由于在实验工况下，Ｒ290 的气液两相密度仅为Ｒ32 的 41. 2% 、52. 3% ，因此在相同工况下同一根管内，Ｒ290 的流动速度远大于Ｒ32，而摩擦压降与流动速度的平方成正比，导致两种制冷剂摩擦压降差值明显。随着干度的增大，Ｒ290 的气相速度远大于Ｒ32，气液界面剪切力的差值将越来越大，因此摩擦压降的差值上升。

2. 2 沸腾换热系数   

保持热流密度 25 kW/ m 2，饱和蒸发温度为 20 ℃，研究质量流速为 100、200 和 300 kg / ( m 2·s) 时，干度 0. 1～0. 9 内两种制冷剂沸腾换热系数的变化情况。

可以发现，在 0. 1～0. 6 中低干度区，两种制冷剂的沸腾换热系数均随质量流量的增大而增大。根据 Chen［1］提出的沸腾换热机理，在中低干度区域内核态沸腾换热占主导地位，增强换热主要是靠气泡的扰动作用与热边界层的脱离。在相同的工况下，汽化潜热和表面张力较小的制冷剂会产生较多的汽化核心。在实验工况下，Ｒ290 的表面张力与 Ｒ32 接近，但其汽化潜热值比Ｒ32 要大 22. 8% ，因此Ｒ32 产生的汽化核心数量与气泡扰动均强于Ｒ290，导致中低干度区域 Ｒ32 的沸腾换热系数明显大于Ｒ290。

在干度大于 0. 6 的高干度区，对流沸腾换热占主导地位，此时传热系数主要受气相速度与液相导热系数的影响。当饱和温度取 20 ℃ 时，Ｒ290 的气相密度比Ｒ290 低 41. 2% ，在相同的质量流速条件下，Ｒ290 的气相速度要大于Ｒ32。但考虑到 Ｒ32 的液相导热系数要高于Ｒ290，其传热性能明显优于Ｒ290。上述因素综合作用导致 Ｒ32 的沸腾换热系数略大于Ｒ290。

3 、关联式模型验证

由于现有关联式建立时所对应的制冷工质、实验工况、通道尺寸以及管型存在差异，因此需在现有模型的基础上进行进一步修正。

压降关联式的建立以 Sun ＆ Mishima［2］为基础，该关联式从 18 个文献收集了 2 092 个摩擦压降数据，其中含有 12 种实验工质，通道的水力直径为0. 069 5 ～ 6. 22 mm，质量流速为 50 ～ 2 000 kg / ( m 2·s) ，适用性较强。但是由于该关联式未根据两相雷诺数Ｒe tp 对气、液相流态进行划分，在选择对应公式时也未考虑到流型的影响，所以预测值与实验值的平均相对偏差为－ 67. 4% 。对该模型乘以修正系数1. 451 后，能够达到较好预测效果，如图 5( a) 所示，89% 以上的实验值与预测值偏差在± 20% 误差带范围内，平均相对偏差仅为 15. 93% 。

Li ［3］换热关联式建立在 Chen ［1］关联式的基础上，引入韦伯数 We 来体现管径的影响，且考虑到对流换热对核态沸腾的作用，在核态沸腾抑制因子 S 中引入沸腾数 Bo 和两相雷诺数 Ｒe tp ，但由于未考虑管道中流型变化的影响，需对该模型乘以修正系数0. 879。如图 5( b) 所示，修正后 91% 以上的实验值与预测值偏差在± 20% 误差带范围内，平均相对偏差仅为 16. 71% 。

4、结论

( 1) Ｒ32 与 Ｒ290 的摩擦压降均随质量流速的增加而显著增大，但Ｒ290的摩擦压降比 Ｒ32 平均大 59. 4% ，且随着干度的增大摩擦压降的差值呈上升趋势。

( 2) 在核态沸腾换热占主导的中低干度区域内，Ｒ32 的沸腾换热系数明显大于Ｒ290，但在对流沸腾换热占主导的高干度区域内，Ｒ32的沸腾换热系数仅比Ｒ290大9. 8% ，两者数值较为接近。

( 3) 通过对 Sun ＆ Mishima 压降关联式与 Li 换热关联式进行修正，提高了关联式的准确性，预测结果与实验结果能够较好地吻合，压降实验值与预测值平均相对偏差为15. 93% ，沸腾换热系数平均相对偏差 16. 71% 。

( 4) 实验工况下，制冷剂Ｒ32 的流动性能与传热性能均优于Ｒ290，但考虑到Ｒ290 优良的环保性能，在选择替代制冷剂时需综合考虑。

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