R290和R22在水平細圓管內流動凝結換熱的實驗研究

肖航　李俊明（清華大學熱能工程系熱科學與動力工程教育部重點實驗室　北京　100084）

R290和R22在水平細圓管內流動凝結換熱的實驗研究

肖航李俊明
（清華大學熱能工程系熱科學與動力工程教育部重點實驗室北京100084）

實驗研究了R290、R22在細圓管中的流動凝結換熱特性。實驗管內徑為1.085 mm，R22的質量流率為200～1200 kg/ （m2.s），R290的質量流率為200～650 kg/（m2.s），飽和溫度分別為40℃與50℃。實驗結果表明，高質量流率時R22在較高干度下換熱系數隨干度增加緩慢或略有下降，低質量流率時，R290在較小干度下出現換熱系數下降。兩種制冷劑蒸氣相比，相同條件下R290的凝結換熱系數高于R22的。本文的實驗結果還與現有典型關聯式的計算結果作了對比，其中，Wang et al. （2002）關聯式對R290的實驗數據預測偏差在17.5％之內，Kim et al.（2013）關聯式對R22的實驗數據預測偏差在18.4％之內。

微細通道；流動凝結；對流換熱；R290

由于HCFCs類制冷劑對臭氧層的破壞且溫室效應明顯，尋求合適的環保制冷劑是制冷行業近年來的研究熱點。由于自然工質具有零 ODP值和極低的GWP值的特點，不存在人工合成工質可能具有的潛在威脅［1］，因此成為了部分學者關注的對象。在擬選用的R22替代物之中，R290（丙烷）的ODP值為0， GWP值小于20，熱力學性能優良，是家用空調擬選的重要替代工質之一［2-3］。

選擇R290等碳氫化合物類物質用作家用空調制冷劑時，其可燃性是必需應對的重要公共安全問題。目前的主要方向為嚴格控制其在系統中的充灌量。由于微細通道換熱器換熱性優異，并可明顯減少充灌量［4-5］，且易于適應設備的緊湊化，因而受到廣泛關注。在微通道換熱器扁管子通道尺寸范圍（0.5 ～1.2 mm）內制冷劑蒸氣的凝結換熱特性研究，具有重要應用價值。

近年來，Kim S M等［6-7］收集了來自36個研究者共7115個關于絕熱氣液混合物、絕熱兩相流和兩相流凝結換熱的壓降實驗數據，這些實驗數據包含17種制冷劑。他們將收集的數據與現有25個關聯式的計算結果進行了比較，并提出了一種新的關聯式，該關聯式對所有數據的絕對偏差在23.3％之內。Park J E等［8］做了一種新型制冷劑R1234ze（E）在水力直徑為1.45 mm多通道管中的凝結換熱實驗，并與R134a和R236fa的實驗結果進行了比較，之后提出了一種新的換熱關聯式。

Nema G等［9］根據現有R134a的凝結流型數據提出了一種新流型轉變條件，其中包括間歇流、波狀流、環狀流、霧狀流和彌散流。Wu J等［10］和Chen Y等［11］進行了蒸氣在微通道矩形和三角形管中凝結的可視化實驗，實驗中觀測到了霧狀流、環狀流、間歇流及彈狀流，并發現在矩形管中，間歇流出現的位置隨著雷諾數的增加而延后；在三角形管中，質量流率的增加和水力直徑的增大會導致間歇流的出現延后；在這兩種管型中，間歇流的頻率隨雷諾數和韋伯數增加而增加。

Del Col D等［12］使用R134a和R32通過實驗研究了微通道管的傾斜對凝結換熱的影響，管道的傾斜范圍為與水平夾角15°～90°，流動分為上升流和下降流。他們的結論為：上升流動時，管道傾斜對凝結換熱的減弱有較小的影響；下降流動時，質量流率較低時，管道傾斜對凝結換熱的減弱有很大的影響。

本文以R290和R22在細圓管內的流動凝結換熱規律對比作為主要內容進行了實驗研究，并采用本文的實驗數據與現有關聯式進行了比較。

1　實驗系統及數據處理

1.1實驗系統

實驗系統的流程如圖1所示。實驗時，儲液灌中的加熱器將制冷劑的壓力提高至設定工況的壓力，制冷劑通過磁力齒輪泵驅動，流經過濾器、質量流量計和預熱器，在預熱器中被加熱至設定的溫度，此時制冷劑為飽和蒸氣或具有一定干度的氣液兩相混合物，在實驗段中被冷卻水冷卻。通過控制預熱器加熱功率，保證制冷劑在實驗段出口不為過冷液體。制冷劑流出實驗段后，在過冷段中繼續冷卻為過冷液體，隨后回到儲液罐。

圖1　實驗系統Fig.1 The experiment system

圖2所示為實驗段截面圖。實驗段為不銹鋼圓管，內徑為1.085 mm，外徑為1.98 mm；換熱長度為328.2 mm。具體的實驗工況由表1中給出。圖3所示為實驗段凝結換熱示意圖。細圓管通過變徑四通接頭與實驗臺連接，管內的制冷劑被冷卻水以逆流的方式冷卻。6個T型熱電偶均勻的布置于管壁測量壁溫。

圖2　實驗管截面圖Fig.2 The cross-section of test tube

圖3　實驗段示意圖Fig.3 Schematic view of teat section

在預熱器的進口和實驗段的進出口分別使用鉑電阻和壓力傳感器測量制冷劑的溫度和壓力，并用差壓傳感器測量實驗段的流動壓降。在水套的進出口處放置鉑電阻測量冷卻水的進出口溫度，制冷劑的流量通過質量流量計測得。

1.2數據處理

實驗段冷卻水的換熱量為：

式中：Qc為冷卻水換熱量，W；cp為冷卻水定壓比熱容，J/（kg.K）；mc為冷卻水流量，kg/s；tc1為冷卻水進入水套的進口溫度，℃；tc2為出口溫度，℃。

制冷劑進入實驗段的進口干度為：

式中：xin為制冷劑進口干度；U為預熱段加熱電阻絲電壓，V；I為電阻絲電流，A；mr為制冷劑流量，kg/s；hp為預熱前制冷劑焓值，J/kg；hs為實驗前制冷劑焓值，J/kg；hfg為制冷劑汽化潛熱，J/kg。

由于冷卻水的換熱量等于制冷劑在實驗段中的換熱量，于是制冷劑出口干度xout可以表示如下：

表1　實驗工況Tab.1 Experimental conditions

冷卻水的換熱量同時等于細圓管壁跟制冷劑的換熱量。于是有：

式中：Δt為實驗管外壁面與制冷劑的溫差，℃；h為制冷劑凝結換熱系數，W/（m2.K）；A為內壁面換熱面積，m2；δ為實驗管的壁厚，m；k為實驗管的導熱系數，W/（m.K）。由此推導出制冷劑凝結換熱系數h的計算式為：

2　實驗結果及分析

2.1R290和R22的實驗結果

圖4～圖7分別是R22和R290在40℃和50℃飽和溫度時的凝結換熱系數隨質量流率和干度的變化。從圖中可看出，對兩種制冷劑，Nu數均隨質量流率和干度的增加而增加。中低干度時，質量流率一定的情況下，Nu數增長較快；在高干度時，Nu數增加較為平緩。對R22，在質量流率較大的情況下，Nu數甚至出現下降。這可能是質量流率較大時，氣液兩相的速度差也較大，高干度時，管壁上出現蒸氣單相對流換熱的區域增大，導致換熱能力的下降。

圖4　飽和溫度40℃時R290的Nu數隨干度變化Fig.4 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 40℃for R290

圖5　飽和溫度50℃時R290的Nu數隨干度變化Fig.5 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 50℃for R290

圖6　飽和溫度40℃時R22的Nu數隨干度變化Fig.6 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 40℃ for R22

在R290的實驗數據中，質量流率較低時，Nu數并不隨干度單調上升，在某一較低干度時，Nu數出現下降現象。這可能是由于在較小的質量流率時，管道中的流型存在彈狀流向環狀流的轉變，轉變初期氣液兩相的接觸面積和氣相對液相的界面剪切力略有下降，影響了氣液兩相之間的換熱。

圖7　飽和溫度50℃時R22的Nu數隨干度變化Fig.7 Nusselt number vs vapor quality at saturation temperature of 50℃ for R22

2.2R290與R22換熱能力比較

圖8和圖9是R290與R22在飽和溫度為40℃和50℃時換熱系數的對比情況。在質量流率范圍200～650 kg/（m2.s）的情況下，R290的換熱系數在總體上大于R22的換熱系數。在40℃飽和溫度下，R22與R290的差距明顯，但在50℃飽和溫度下，換熱系數的差距較小。并且換熱系數的差距在低質量流率和低干度下較大，而高質量流率和高干度下較小。

圖8　R22和R290在40℃飽和溫度下凝結換熱系數的對比Fig.8 Condensation heat transfer coefficients comparison between R22 and R290 at saturation temperature 40℃

圖9　R22和R290在50℃飽和溫度下凝結換熱系數的對比Fig.9 Condensation heat transfer coefficients comparison between R22 and R290 at saturation temperature 50℃

2.3實驗數據與關聯式的對比

選取了 Kim et al.（2013）［13］、Koyama et al. （2003）［14］、Bohdal et al.（2011）［15］和 Wang et al. （2002）［16］四種關聯式的計算結果與本文的實驗結果進行了比較。結果見圖10、圖11。

其中，Kim et al.（2013）關聯式基于4045個實驗數據擬合得出，數據中包含多種類型的制冷劑；Koyama et al.（2003）關聯式依據R134a在多通道管中的實驗數據，基于對Haraguchi et al關聯式的改進得出；Bohdal et al.（2011）關聯式基于作者關于R134a和R404A在微通道管中的實驗數據擬合得出；Wang et al.（2002）關聯式基于數值模擬與分析得出。

實驗數據與關聯式的預測值對比時，絕對偏差的定義如下：

由圖可見，Kim et al.（2013）關聯式對R22的實驗數據預測最好，70.9％的數據預測的誤差在± 20％之內。在中低干度與中小質量流率工況下，關聯式的預測結果較為準確；在高干度、高質量流率的情況下，關聯式的預測結果偏高。Koyama et al. （2003）關聯式的預測結果總體偏低，最大誤差為28.2％。實驗數據集中在-20％的誤差線上，集中度較好。Bohdal et al.（2011）關聯式的預測值明顯高于實驗值，整體偏差為132.7％。Wang et al. （2002）關聯式整體預測較好，79.7％的數據預測誤差在±30％之內，在高質量流率和高干度時，關聯式預測結果偏高。

圖10　R22實驗結果與現有主要關聯式的對比Fig.10 Comparison of the experimental results from some of the existing correlations

圖11　R290實驗結果現有主要關聯式的對比Fig.11 Comparison of the experimental results from R290 with some of the existing correlations

在質量流率和干度不高的工況下，Kim et al. （2013）關聯式對R290的預測結果較好，高質量流率和高干度的情況下，預測結果偏高。整體預測的偏差為25.7％，僅有45.3％的數據預測在±20％之內。相比之下，Koyama et al.（2003）關聯式對R290的預測更好，整體預測偏差為 19.8％，有54.8％的數據預測在±20％之內。在中低質量流率和干度時，關聯式的預測結果偏低，在高質量流率、干度時，關聯式的預測結果較好。Bohdal et al. （2011）關聯式的預測結果與R22時的相似，整體偏差為125.0％；Wang et al.（2002）關聯式的預測結果最好，整體偏差為17.5％。

3　結論

本文通過實驗研究了R290和R22蒸氣在細圓管中的凝結換熱特性、對比分析了實驗結果，得出以下結論：

1）R290和R22蒸氣的凝結換熱系數均隨質量流率和干度的增加而增加。在低質量流率時，R290的凝結換熱系數會有所下降；R22在較高質量流率和較高干度時，凝結換熱系數出現隨干度增加的下降。

2）相同工況下，R290的凝結換熱系數總體上大于R22的。

3）Kim et al.（2013）關聯式對R22的實驗數據預測最好，Wang et al.（2002）關聯式對R290的實驗數據預測最好，Bohdal et al.（2011）關聯式對二者的預測都有較大的偏差。

［1］何國庚，劉璇斐.R290在小型空調器中替代 R22的優勢與問題及其解決措施［J］.制冷與空調（北京），2008，8（2）：58-62.（He Guogeng，Liu Xuanfei.The advantages and problems and their solutions of small air-conditioner using R290 to substitute for R22［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2008，8（2）：58-62.）

［2］李廷勛，楊九銘，曾昭順，等.R290灌注式替代R22空調整機性能研究［J］.制冷學報，2010，31（4）：31-34. （Li Tinxun，Yang Jiuming，Zeng Zhaoshun，et al.Experiment on R290 substituting for R22 in a room air-conditioner ［J］.Journal of Refrigeration，2010，31（4）：31-34.）

［3］常琳，祝偉.制冷劑 R290的國內研究進展［J］.制冷與空調（北京），2011，11（3）：65-68.（Chang Lin，Zhu Wei.Research progress of refrigerant R290 in China［J］. Refrigeration and Air-conditioning，2011，11（3）：65-68.）

［4］鐘毅，尹建成，潘晟旻.微通道換熱器研究進展［J］.制冷與空調，2009，9（5）：1-4.（Zhong Yi，Yin Jiancheng，Pan Shengmin.Research development of microchannel heat exchanger［J］.Refrigeration and Air Conditioning，2009，9（5）：1-4.）

［5］饒榮水，陳俊偉，蔡宗軍，等.微通道換熱器在空調器上的應用研究［J］.制冷與空調（北京），2009，9（4）：63-66.（Rao Rongshui，Chen Junwei，Cai Zongjun，et al. Application investigation of micro channel heat exchanger on air conditioner［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2009，9（4）：63-66.）

［6］Kim S M，Mudawar I.Universal approach to predicting two-phase frictional pressure drop for adiabaticand condensing mini/micro-channel flows［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55（11/12）：3246-3261.

［7］Kim S M，Mudawar I.Review of databases and predictive methods for pressure drop in adiabatic，condensing and boiling mini/micro-channel flows［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，77：74-97.

［8］Park J E，Vakili-Farahani F，Consolini L，et al.Experimental study on condensation heat transfer in vertical minichannels for new refrigerant R1234ze（E）versus R134a and R236fa［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2011，35（3）：442-454.

［9］Nema G，Garimella S，Fronk B M.Flow regime transitions during condensation in microchannels［J］.International Journal of Refrigeration，2014，40：227-240.

［10］Wu J，Shi M，Chen Y，et al.Visualization study of steam condensation in wide rectangular silicon microchannels ［J］.International Journal of Thermal Sciences，2010，49 （6）：922-930.

［11］Chen Y，Wu R，Shi M，et al.Visualization study of steam condensation in triangular microchannels［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52（21）：5122-5129.

［12］Del Col D，Bortolato M，Azzolin M，et al.Effect of inclination during condensation inside a square cross section minichannel［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，78：760-777.

［13］Kim S M，Mudawar I.Universal approach to predicting heat transfer coefficient for condensing mini/micro-channel flow［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，56（1）：238-250.

［14］Koyama S，Kuwahara K，Nakashita K.Condensation of refrigerant in a multi-port channel［C］//ASME 2003 1st International Conference on Microchannels and Minichannels.American Society of Mechanical Engineers，2003：193-205.

［15］Bohdal T，Charun H，Sikora M.Comparative investigations of the condensation of R134a and R404A refrigerants in pipe minichannels［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2011，54（9）：1963-1974.

［16］Wang W W W，Radcliff T D，Christensen R N.A condensation heat transfer correlation for millimeter-scale tubingwith flow regime transition［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26（5）：473-485.

About the corresponding author

Li Junming，male，Ph.D.，professor，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，+86 10-62771001，E-mail：lijm @mail.tsinghua.edu.cn.Research fields：flow and heat transfer in micro and mini channels，renewable energy application and energy conservation in air conditioning and refrigeration engineering.

Experimental Study on the Flow Condensation Heat Transfer of R290 and R22 in a Horizontal Circular Minitube

Xiao Hang Li Junming

（Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084，China）

The condensation heat transfer characteristics of R290 and R22 were investigated experimentally in a horizontal circular minitube with 1.085 mm diameter.The mass flow rate of R22 is 200-1200 kg/（m2.s），and that of R290 is 200-650 kg/（m2.s）.The saturation temperature is 40℃ and 50℃ respectively during the experiment.The experimental results show that at the higher mass flow rate of R22，the condensation heat transfer coefficient increases slowly or even decreases little with the vapor quality increasing，for the R290 at a less mass flow rate，the heat transfer coefficient will decreases slightly at a low vapor quality.The condensation heat transfer coefficient of R290 is higher than that of the R22 at the same experimental conditions.The experimental results are also compared with some of the existing correlations，which shows that the Wang et al.（2002）correlation predicts the experimental data of R290 very well，with an overall mean absolute error of 17.5％，while Kim et al.（2013）correlation makes the best prediction to the R22's data，with an overall mean absolute error of 18.4％.

minichannel；flow condensation；convective heat transfer；R290

TK124；TB61+2；TB657.5

A

0253-4339（2015）05-0022-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.022

國家自然科學基金創新研究群體項目 （51321002）、環境保護部環境保護對外合作項目和國家科技支撐計劃項目（2012BAA13B02）資助。（The project was supported by the Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China（No.51321002），the Foreign Economic Cooperation Office （FECO），Ministry of Environmental Protection of China and Key Technologies R&D Program of China（No.2012BAA13B02）.）

2015年2月7日

簡介

李俊明，男，博士，教授，清華大學熱能工程系，（010）62771001，E-mail：lijm@mail.tsinghua.edu.cn。研究方向：微細流動與傳熱，空調制冷系統可再生能源利用與節能。