R404A和R407C在水平強化管外的凝結換熱實驗研究

歐陽新萍 劉超 林夢

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

R404A和R407C在水平強化管外的凝結換熱實驗研究

歐陽新萍 劉超 林夢

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

實驗研究了近共沸制冷工質R404A與非共沸制冷工質R407C在水平強化換熱管管外的凝結換熱性能。采用“Wilson圖解法”對實驗數據進行處理。結果表明：對于R404A和R407C，強化管外的凝結換熱系數隨著壁面過冷度的增加而增大，呈現出與純工質冷凝時不同的變化趨勢，這主要是近共沸或非共沸工質凝結過程中，某些組分的凝結會遇到其它組分的凝結氣膜熱阻所造成的；隨著過冷度增加，易揮發組分開始凝結，氣膜變薄，冷凝傳熱系數增大。R407C在強化換熱管管外的凝結換熱系數比R404A要小70%左右，這是由于R407C的溫度滑移較R404A要大，管外形成的凝結擴散氣膜造成的影響更大。R407C在高熱流密度工況下的換熱效果提升明顯，故應盡量工作在高熱流密度區域。

強化傳熱；凝結換熱；R404A；R407C

出于對環境的保護，HCFC類制冷工質將逐步被替代。目前在多種場合替換R22、R502的常用工質有R407C、R404A、R410A、R290和R32等［1］。國內外學者已對R404A、R407C和R410A的性能做了許多實驗研究［2－5］，但對于R404A和R407C等新型工質在水平強化管外的凝結換熱實驗研究不多。Bois?sieux X等［6］對R404A在光管外的凝結換熱性能進行了實驗研究，并選出了預測精度較好的換熱關聯式；南曉紅等［7］對R404A在水平螺紋管中的局部凝結換熱系數進行了實驗研究以及關聯式的理論研究，從而確定了適用于R404A的計算關聯式；Cavallini A等［8］對管內的壓降及凝結換熱關聯式進行了綜述和總結；成昌銳等［9］對R407C在光管和兩種雙側強化管管外的凝結換熱性能進行了實驗研究，得出R407C在光管和兩種雙側強化管管外換熱系數隨著熱流密度的增加而增加，強化管的凝結換熱系數增長的程度要比光管的強烈，R407C凝結時換熱系數隨冷凝溫度的上升而上升，呈現出與純工質冷凝時不同的變化趨勢。Jung D等［10］在39℃的飽和蒸汽溫度下測試了R22、R407C和R410A在光管、低肋管和Turbe?C管的管外凝結換熱系數，得出 R407C的凝結現象與R22和R410A不同，凝結傳熱系數比R22低50%左右。

冷凝強化換熱管從上世紀60年代的低翅管發展到各種形式的三維低肋管，如Hitachi的Thermoexcel?C管、Wolerine的Turbo?C管、Wieland的 GEWA?SC管等［11］。國內外學者針對不同工質在不同管型的冷凝傳熱問題進行了大量研究［12－13］，并取得了豐富的成果。對于一維和二維表面的單管冷凝傳熱已經有了基本的求解模型［14－16］，但對于三維強化管，由于表面結構的復雜性，其管外冷凝傳熱問題主要還是以實驗研究為主，尚未建立完善的理論求解模型。此外，一些新型替代工質在各種強化管中的相變換熱研究還不夠充分，還需進行大量的實驗研究。R404A和R407C作為R22的可選替代工質，對其在強化管的冷凝實驗研究具有重要意義。

本文對R407C和R404A在水平強化管管外的冷凝進行實驗研究。

1 實驗裝置與管件

實驗裝置的原理圖如圖1所示。整個系統主要由四部分組成：制冷劑循環系統、水循環系統、乙二醇循環系統和數據采集系統。該系統用于換熱管管內通水、管外制冷劑冷凝或蒸發的換熱實驗。

圖1 冷凝傳熱系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of condensation heat transfer system

制冷劑循環系統如圖1右半部分所示，蒸發和冷凝在同一筒體內，中間由丁字板隔開，左側為蒸發側，右側為冷凝側。屏蔽泵驅動制冷劑從筒體底部流經質量流量計和套管式預熱器，再由蒸發側上部的噴淋管噴到下部的蒸發管表面，進行降膜蒸發；部分未蒸發的制冷劑直接落入底部；蒸發的制冷劑繞過丁字板，進入容器右邊冷凝側冷凝為液體落入底部，如此不斷循環。

水循環系統分為蒸發側水循環和冷凝側水循環。蒸發側水泵驅動冷劑水流經電磁流量計、在電加熱器中被加熱并控制到所需溫度、隨后進入蒸發管，與噴淋在蒸發管外表面的制冷劑液體換熱降溫，循環往復。冷凝側水泵驅動冷卻水流經板式換熱器，與較冷的乙二醇水溶液進行換熱，放出熱量，再經電磁流量計進入冷凝管，與管外的制冷劑蒸汽換熱升溫，循環往復。乙二醇泵驅動乙二醇水溶液在板式換熱器內吸收冷凝側水的熱量后回到乙二醇水箱，與經過制冷機組冷卻的乙二醇水溶液混合冷卻，再經乙二醇泵循環。該回路中的加熱器輔助調節乙二醇水溶液溫度。圖1還給出了詳細的溫度和壓力、壓差測點。

圖2 冷凝管表面結構Fig.2 Surface structure of condenser tub

實驗管為一種具有內外雙側強化的冷凝管，管外表面是在低肋管的基礎上加工而成的斜翅表面，管內為內螺紋表面。外表面結構形狀如圖2所示，主要參數如表1所示。

表1 冷凝管的結構參數Tab.1 Structure parameters of condenser tube

2 實驗參數及數據處理方法

2.1 實驗參數

R407C是一種非共沸制冷劑，其物性與R22非常接近。R22在管內相變換熱的制冷設備，不做很大改動，改用R407C后，COP和制冷（熱）能力的變化一般不超過8%。R404A是一種三元近共沸混合制冷劑，比較適合替換R502，也可替換R22。在替換R22的機組中其吸氣壓力和排氣壓力分別比R22高22% 和18%左右，高出比例不大，壓縮機無需重新設計；在蒸發器和冷凝器內的傳熱性能與R22相近。

R407C與R404A的管外冷凝對比研究很少，本文即對此展開研究。

幾種工質主要特性參數如表2所示。

表2 R22、R404A和R407C的特性對照表Tab.2 Characteristics of R22，R404A and R407C com parison table

本文借助實驗，研究R407C和R404A在水平強化換熱管管外的冷凝換熱性能。實驗的過程中，分別改變冷凝管的管內水速、熱流密度和冷凝溫度。測量冷凝側和蒸發側管內水的流量和進出口溫度，管外冷凝壓力和溫度；計算總的傳熱系數、管內外換熱系數，分析對比兩種工質的換熱性能。

2.2 非共沸制冷劑冷凝溫度的確定

如圖3所示，R407C在冷凝和蒸發過程中，冷凝壓力和蒸發壓力變化很小，可看作是不變的，但恒溫線是傾斜的。冷凝開始的溫度為露點溫度td，冷凝至飽和狀態時滑移至泡點溫度tb。在蒸發過程中，因為R125和R32兩種較輕的成分較R134a更易于蒸發，所以余下的溶液中R134a的含量升高，沸點從入口溫度t1開始逐漸升高至露點td′，直至R407C全部蒸發。

圖3 R407C理論循環p?h圖Fig.3 R407C theory circulating p?h diagram

在某一冷凝壓力下的冷凝溫度tk有以下4種取法：1）露點溫度td；2）泡點溫度tb；3）等效平均溫度ta（等效平均溫度為定壓下飽和氣體和飽和液體的焓差與熵差之比，K）；4）中點溫度tm（露點溫度td和泡點溫度tb的算術平均值）。本實驗選用中點溫度tm作為制冷劑在水平強化管管外冷凝的冷凝溫度tk。

2.3 數據處理方法

為了通過實驗得到傳熱過程各環節的熱阻，經常應用Wilson圖解法及其修正方案［17］，如制冷蒸發器、冷凝器及各種不同管型的強化換熱管的傳熱實驗等［18］。

以管外光滑表面作為傳熱面積，不計污垢熱阻的總的熱阻關系式為：

式中：K為總傳熱系數，W／（m2·K）；hi為管內傳熱系數，W／（m2·K）；ho為管外冷凝換熱系數，W／（m2·K）；di為冷凝管內徑，m；do為冷凝管外徑，m；Rw為管壁導熱熱阻，（m2·K）／W。

對于管內旺盛湍流狀態，一般認為管內換熱系數hi與流速u0.8成正比，即：

保持各工況管外冷凝壓力和壁面過冷度基本不變，即保持管外冷凝換熱系數基本不變，改變管內水速，式（1）可表示為：

以u－0.8為橫坐標，以1／K為縱坐標，根據變水速的各工況點繪制并擬合成威爾遜圖，按照式（3）可以擬合得到a，b兩個常數，得到管內換熱系數及對流換熱關聯式。然后進行變化管外冷凝換熱熱阻的實驗，采用直接熱阻分離的方法，求得管外的冷凝換熱系數。

對管外凝結換熱而言，其關聯式一般整理成管外凝結換熱系數ho與壁面過冷度（tk－tw）的某次方的函數關系，即：

式中：tk為冷凝溫度，℃；tw為冷凝管外壁溫度，℃。

3 實驗結果與分析

3.1 強化換熱管管內換熱性能

圖4所示為根據強化換熱管分別在制冷工質R407C和R404A下的兩組實驗數據擬合的關于強化管管內換熱系數的Wilson圖。

圖4 強化管的W ilson圖Fig.4 W ilson graph of enhanced tube

實驗數據的工況為：對應恒定冷凝壓力的冷凝溫度為34.5℃（泡點溫度和露點溫度的平均值），恒定的熱流密度為q＝23000 W／m2，管內水的流速從u ＝1 m／到u＝3 m／s變化若干個工況點。

圖4中圖線的斜率即為式（3）中的系數a，由此可得到管內水對流換熱系數及其簡單關聯式。管外R404A冷凝時：

管7C冷凝時：

管外制冷劑的品種對管內的性能應該沒有影響，但式（5）和式（6）得到的管內換熱系數略有，這是實驗的誤差造成的?？蓪烧呷∑骄底鳛楣軆鹊膿Q熱性能的最終結果。即：

經過與光管管內的經典換熱計算式對比，其管內換熱系數的增強倍率為2.13。這是由于管內的螺紋凹凸結構可以使靠近壁面的一部分流體沿著螺旋線做旋轉流動。這種螺旋流動增大了流體微團參與換熱過程的行程，增強了流體對近壁面區的擾動。而且突起的內齒可迫使流體在齒后形成二次流動，增強了對管內流動的擾動，減小了邊界層厚度，能在較小的流速下達到紊流，增強了流體與壁面間的熱交換能力。

3.2 強化換熱管管外換熱性能

圖5和圖6所示為制冷工質R404A和R407C在水平強化換熱管管外的凝結換熱系數與壁面過冷度的關系圖。

圖5 管外換熱系數與壁面過冷度的關系Fig.5 Relations between heat transfer coefficient outside tube and the wall supercoiling degree

圖6 管外換熱系數與壁面過冷度的關系Fig.6 Relations between heat transfer coefficient outside tube and the wall supercooling degree

從圖5和圖6中分析可知，對于近共沸制冷劑R404A和非共沸制冷劑R407C，其管外凝結換熱系數隨著壁面過冷度的增加而增加，都呈現出與純工質冷凝時不同的變化趨勢。這一現象是由R404A和R407C所特有的特殊的熱物理性質所決定的。對于非共沸制冷工質，在蒸汽凝結過程中，氣?液界面形成一層未凝結氣體層，因為氣膜阻力遠大于液膜阻力，氣膜阻力占主導地位，大大降低了管外凝結換熱效率；隨著壁面過冷度的增大，這層未凝結的氣膜開始凝結，氣膜厚度開始變薄，管外的凝結換熱阻力降低，凝結傳熱系數增大。

根據公式（4）擬合求得，在實驗范圍內采用制冷工質R404A，強化管管外凝結換熱系數：

在實驗范圍內采用制冷工質R407C，強化管管外凝結換熱系數：

此外，從圖5和圖6中可知，R407C在強化換熱管管外的凝結換熱系數比R404A要小很多，這是由于R407C的溫度滑移較R404A要大，管外形成的凝結擴散氣膜造成的影響更大。當然，凝結擴散氣膜對不同的強化管影響會有差異，有可能此實驗強化管不太適合R407C，更適合于R404A，這方面還有待研究。減小凝結擴散氣膜所帶來的熱阻成為強化R407C和R404A管外冷凝換熱的關鍵。從理論上講，應該盡可能地破壞、干擾氣膜。從實驗的結果來看，隨著壁面過冷度增加，熱流密度也增加，管外冷凝換熱系數隨之提高，這一點與純工質的趨勢正好相反，R407C的這一表現尤其突出?？梢?，采用R407C時最好運行在高熱流密度工況。可以預見，通過提高蒸汽流速來強化換熱，對R407C和R404A的強化效果比純工質的強化效果更明顯。因為，這樣不僅拉薄了凝結液膜，而且破壞了凝結氣膜。對于粘性較小的凝結氣膜中的氣體，蒸汽流速的影響將會比對凝結液膜的影響更顯著。因此，提高蒸汽流速將會更強烈地擾動和破壞凝結氣膜，提升傳熱效果。

4 結論

本文采用R404A和R407C工質在外表面斜翅、內表面螺紋形狀的強化換熱管管外進行了冷凝換熱實驗，管內通水。實驗得出以下結論：

1）對于R404A和R407C，在強化管外的凝結換熱系數隨著壁面過冷度的增加而增大，呈現出與純工質冷凝時不同的變化趨勢。這主要是近共沸或非共沸工質凝結過程中會遇到其它組分的凝結氣膜熱阻所造成的。分析認為，隨著過冷度的增加，易揮發組分開始凝結，氣膜變薄，冷凝傳熱系數增大。

2）R407C在強化換熱管管外的凝結換熱系數比R404A要小70%左右，這是由于R407C的溫度滑移較R404A要大，管外形成的凝結擴散氣膜造成的影響更大，提高蒸汽流速將會改善換熱效果。

3）與光管相比，此強化換熱管管內換熱系數強化倍率平均為2.13。

4）采用R407C制冷劑冷凝時，高熱流密度工況下的換熱效果提升明顯，故應盡量工作在高熱流密度區域。

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劉超，男，碩士研究生，上海理工大學制冷與低溫工程研究所，13761066075，E?mail：994320576＠qq.com。研究方向：換熱器與強化傳熱。

About the corresponding author

Liu Chao，male，master，Institute of Refrigeration and Cryogenics，U?niversity of Shanghai for Science and Technology，＋86 13761066075，E?mail：994320576＠qq.com.Research fields：heat exchanger and heat transfer enhancement.

Experimental Investigation on Condensation Heat Transfer of R404A and R407C outside Horizontal Enhanced Tubes

Ouyang Xinping Liu Chao Lin Meng

（Institute of Refrigeration and Cryogenics，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Water The condensation heat transfer performance outside horizontal enhanced tubes of near?azeotropic refrigerant R404A and zeotropic refrigerant R407C was investigated in this study.The experimental data were analyzed using W ilson graphical method.The results show that the coefficients of condensation heat transfer outside horizontal enhanced tubes of R404A and R407C increase with the increase of supercooling degree of tube wall，which is different from pure refrigerant.For near?azeotropic or zeotropic refrigerant，some components will encounter the gas film resistance caused by the condensation of other components.With the increase of super?cooling degree of tube wall，the volatile components begin to condense and the gas film becomes thin，thus the coefficient of conden?sation heat transfer will increase.The coefficient of condensation heat transfer outside horizontal enhanced tubes of R407C is 70% lower than R404A，which is due to the fact that the temperature glide of R407C is larger than R404A，and the impact of gas film outside tubes is greater.The heat transfer coefficient of R407C is improved obviously at higer heat flux condition，which is suitable for practical application.

enhanced heat transfer；condensation heat transfer；R404A；R407C

TB657.5；TB64；TK124

A

0253－4339（2015）04－0072－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.072

簡介

2015年1月5日