李敏霞 杨英英 顾昊翔 马一太

(天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室 热能工程系 天津 300072)

低温室气体效应制冷工质的使用是目前制冷领域面临的重要问题，四氟丙烯R1234ze和R1234yf作为替代品已经脱颖而出。参照ASHRAE 34 标准[1]，见表1，R1234ze的ODP值为0，GWP仅为6，远低于R32和R134a，并且为低毒不可燃物质，与润滑油有良好的互溶性，与大多数材料具有良好的相容性[2-3]。汪训昌[4]对比分析了Honeywell公司和日本学者在2009 年公开发表的R1234ze热物性实验测试结果，从热物性方面证明了R1234ze这种不饱和氟化丙烯在替代高GWP 值的HFC 上具有良好的前景。另一方面，科学技术的发展和市场的需求推动了电子设备和机械系统的微小型化，紧凑式换热器也越来越受到关注，因此新型低GWP制冷剂在小通道内的换热特性成为了近几年研究热点之一。Hossain等[5]用R1234ze在比较常规的通道4.35 mm的水平光管内进行了冷凝实验，发现其换热系数比R32低20%～45%，但比R410A高10%～30%。Park等[6]对R1234ze在1.45 mm的竖直小通道内进行了冷凝换热实验。发现其换热系数比R134a低15%～25%。根据Kew和Cornwell[2]提出受限数作为微通道的判据，即认为Co<0.5为常规通道，否则为微通道。管径4 mm可认定为大通道，而管径为2 mm时，对R1234ze而言Co值正好接近临界值0.5。因此观察此管径下的换热情况是有必要的。因此本文选择研究的管径为2 mm, 对工质R1234ze水平光滑圆管内的冷凝换热系数和摩擦压降特性进行实验研究和理论分析。

表1 常见制冷剂的ODP、GWP和大气停留时间

1 实验系统和数据处理

1.1 实验系统的介绍

图1是R1234ze在水平细管内冷凝换热的实验系统图，主要由制冷剂循环、冷却水循环以及数据测量和采集系统组成。R1234ze流体整个循环过程如下：从冷凝器出来的液态R1234ze流经泵、过滤器、流量计、可视窗后，经预热段电加热管被加热到过热状态后进入测试段，在测试段内进行冷凝换热后流回冷凝器完成一个循环。储液罐用来调节系统中制冷剂的充灌量。冷却水循环由恒温水槽，过滤器，磁力泵，流量计和混水器组成两段并联管路。

图2为测试段整体示意图，测试段总长为1900 mm，其中总有效换热长度为1440 mm；分成六小段，每段长为290 mm，有效换热长度为240 mm，间隔20 mm；中间部分留出30 mm，布置中间压力测点。

图1 实验系统图

测试段总体为套管结构，制冷剂在管内流动，冷却水在管外流动，流动方向与制冷剂的流动方向相反，每一段的冷却水的出口都设置有混水器，混合经过管环的冷却水，并在每一段的进出口都设置有温度测点。图3为测试段截面图和实物图。内管为外径4 mm、内径2 mm的铜管(纯铜)，外管为内径8 mm、外径10 mm的铜管(黄铜)。

图2 测试段整体示意图

图3 测试段

1.2 数据处理

为了获得在一定质量流量和饱和温度下制冷剂的不同干度的冷凝换热系数和摩擦压降，需要进行如下计算。

1)测试段入口干度xin

制冷剂在测试段入口的干度xin即预热段的出口干度xpre,o,可通过电加热的能量平衡获得，制冷剂在预热段从电加热获得的热量Qpre分为潜热Qlat和显热Qsens两部分：

Qpre=Qsens+Qlat

(1)

显热Qsens为制冷剂从过冷加热到饱和温度tsat(测试段入口温度)所需要的热量：

Qsens=mrcp,r(tsat-tpre,i)

(2)

潜热Qlat为制冷剂加热到一定干度所需要的热量：

Qlat=mr(hv-hl)xpre,o

(3)

式中：hv和hl分别为制冷剂的饱和气和饱和液的焓值。

制冷剂的入口干度xin：

(4)

2) 制冷剂的分段换热量Qr,sub

制冷剂在每一分段的换热量Qr,sub即分段冷却水的换热量Qw,sub：

Qr,sub=Qw,sub=mwcp,w(tw,out-tw,in)

(5)

3) 制冷剂的分段平均干度xm

制冷剂在每一段的平均干度xm为制冷剂在分段的入口干度xsub,i和出口干度xsub,o的算术平均值：

(6)

分段的出口干度可由分段的能量平衡获得：

(7)

4)分段换热系数h：

(8)

Ai每一分段的有效换热面积：

Ai=πdiLsub

(9)

式中：di为内管内径；Lsub为分段有效换热长度。

twall,i为测试段内管的内壁温度：

(10)

式中：do是测试段内管的外径；λcopper为铜管的导热系数；twall,o是管外壁平均温度，为每个分段六个壁温测点的平均值：

(11)

5)实验中的总压降为加速压降、摩擦压降和收缩压降之和。

总压降：

Δptotal=pin-pout

(12)

摩擦压降：

Δpfriction=Δptotal-Δpacceleration-Δpcontraction

(13)

其中加速压降：

(14)

(15)

收缩压降：

(16)

γ为截面积收缩比：

(17)

式中：A为测试段管内截面积；Al为测试段入口前的管道截面积。

Cc为收缩效率：

Cc=1/(0.639(1-γ)0.5+1)

(18)

1.3 误差分析

本实验需要对温度、压力、流量和电加热功率进行测量和采集，数据测量和采集系统包括温度和压力传感器、数据采集系统、功率仪和六位半数字万用表。各参数的测量存在一定误差。利用误差传递公式(19)，对换热系数的可靠性进行了分析。结果见表2，认为测试的换热系数是可靠的。

N=f(x1,x2,x3)

(19a)

(19b)

在进行冷凝实验之前进行了热平衡实验。经计算实验系统的漏热量在6%以内，实验系统保温效果较好。

2 结果与分析

2.1 实验结果

进行冷凝换热实验时，设定R1234ze的饱和温度为35 ℃、40 ℃，质量流量为100～400 kg/(m2·s), 热流密度4～22 kW/m2。

表2 实验测试的可靠性分析

如图4所示，在饱和温度分别为35 ℃和40 ℃时，对不同质量流量情况下的冷凝换热系数进行了比较。从图中可以看出，在相同饱和温度和质量流量下，换热系数随干度的升高而增加，且干度大于某一值(称过度干度值)后，冷凝换热系数随干度增加的速率变大；质量流量越大时，该过度干度值越小；相同饱和温度下质量流量越低时，冷凝换热系数随干度增加得越缓慢；在相同饱和温度下，换热系数随质量流量的增加而增大，且在干度较大时，质量流量的影响越明显。

图4 质量流量对冷凝换热系数的影响

根据流型分析可知，R1234ze在管内冷凝过程中，干度由大变小，流型从环状流变化到间歇流，环状流时，切应力为主要的作用力，质量流量的增加会导致切应力增大，管壁的液膜厚度变小，热阻减小，因此在干度较大时，质量流量的变化对换热系数的影响更显著。质量流量较低时，完全环状流出现在干度较大的时候，而质量流量较大时，在干度较低的情况下就已经出现环状流。环状流时流体换热受主要受质量流量影响，环状流时工质的换热能力比半环流和间歇流更好。

图5表示了在相同质量流量下冷凝温度的影响。 可以看出冷凝换热系数随饱和温度的升高而降低，这主要是由于饱和温度不同导致物性变化造成的。R1234ze的气化潜热和液态导热系数随着饱和温度的升高而降低。饱和温度为35 ℃、40 ℃时，R1234ze的气化潜热分别为158.86 kJ/kg和154.64 kJ/kg。

图5 饱和温度对换热系数的影响

图6比较了饱和温度40 ℃时，质量流量分别为300、400 kg/(m2·s) 时，不同热流密度下的换热系数，通过比较发现，热流密度的变化对换热系数几乎没有影响。热流密度改变，即饱和温度和壁温的温差改变，当管内环状流时，饱和温度和壁温温差对流体换热系数影响不大。实验时，流体大部分阶段处于环状流，因此热流密度对其换热系数影响不大。Matkovic 等[7]实验时发现了同样的现象。

图6 在不同质量流量下热流密度对换热系数的影响

对制冷剂饱和温度分别为35 ℃和40 ℃时，不同质量流量情况下的摩擦压降进行了比较，如图7所示，发现在相同饱和温度和干度情况下，质量流量越大，摩擦压降越大；质量流量较低时，摩擦压降随干度的变化率较小。

在相同质量流量和干度下，饱和温度越高，摩擦压降梯度越小，认为是不同饱和温度情况下制冷剂物性不同导致的，随着饱和温度的升高，R1234ze的粘度降低，因此，由摩擦产生的压降损失减小；干度越大时，摩擦压降梯度越大，且随质量流量的增加，饱和温度对摩擦压降的影响越大。

2.2 与其它制冷剂进行比较

将实验数据与文献[8]中R32以及文献[9]中R134a的实验数据进行对比分析(见图8)，这些数据都是在2 mm水平光滑管内，饱和温度40 ℃工况下冷凝换热的数据。表3列有三种制冷剂在40 ℃时的基本物性参数。从中发现R1234ze的一些物性与R134a非常的接近，R1234ze的液态导热系数和气化潜热比R32和R134a都低。从图中可以发现R1234ze的冷凝换热系数比相同工况下R134a的冷凝换热系数平均低约22 %。R32的冷凝换热系数最高，其导热系数和汽化潜热也最大。R1234ze的冷凝换热系数比相同工况下R32平均低约31%。

图7 摩擦压降实验值

表3 常见制冷剂物性参数

图8 R1234ze与R32、R134a的传热系数实验值进行对比

图9为R1234ze的摩擦压降梯度实验值与同样工况下进行冷凝换热的R32的实验数据[8]进行比较，从图中可以看出，R1234ze的摩擦压降梯度高于R32，这主要是因为R1234ze的气态粘度明显高于R32，导致R1234ze的摩擦系数较高。

图9 R1234ze与R32摩擦压降实验值对比

2.3 与经典预测模型对比分析

将本实验结果与六个经典的冷凝换热模型进行对比分析。分别为Baird等[10]模型、Gerimella[11]模型、Wang[12]模型、Koyama[13]模型、Moser[14]模型、Bandhauer[15]模型。其中Baird等[10]的模型如式 (20)～(25)，其换热系数与无量纲温度和壁面切应力有关。

(20)

t+是无量纲温度，与无量纲液膜厚度δ+有关：

δ+< 5时：t+=δ+Prl

(21)

5≤δ+<30时：

(22)

δ+≥ 30时：

(23)

其中：

(24)

τw为壁面切应力，与摩擦压降梯度有关：

(25)

比较结果如图10，发现图10(a)中Baird等[10]的模型和图10 (c)中Gerimella[11]模型对本次实验的换热系数预测最好，前者平均绝对误差为24.03%，其中对65.56%的数据预测误差在±30%内，后者平均绝对误差为24.69%，75.56%的数据预测误差在±30%内。其他Wang[12]模型Koyama[13]模型Moser[14]模型Bandhauer[15]模型四种模型对本次实验的预测平均绝对误差都在30%以内，对60%以上的数据预测误差在±30%内。

图10 R1234ze换热系数实验值与不同换热模型比较

同样，用Baird模型和Gerimella模型对文献[7-8]中的关于R32的276组实验数据和文献[9，16-17]中的关于R134a的193组实验数据进行预测，预测结果见表4和图11，可以看出，Baird换热模型对R1234ze、R134a和R32的预测都较好。

表4 换热模型对R32、R134a实验值预测结果

图11 换热模型对R32、R134a换热系数实验值预测

将本次摩擦压降的实验结果与4种摩擦压降模型的计算结果进行了比较和分析。结果见图12所示，对于本次实验的摩擦压降的实验结果，Müller-Heck的模型[18]预测最好，平均绝对误差为25.05%，且对65.63%的实验数据预测误差在±30%内。其次，Chisholm的模型[19]平均绝对误差为29.11%，对56.25%的数据预测误差在±30%内。而Friedel[20]模型和Zhang-Webb[21]模型对本次实验结果的预测值偏小。

图12 R1234ze摩擦压降实验值和不同预测模型比较

Müller-Heck[18]的模型中摩擦压降梯度是全液相压降梯度和全气相压降梯度的经验插值：

(26)

系数F：

F=A+2(B-A)x

(27)

参数A、B分别为全液相和全气相的摩擦压降梯度：

(28)

(29)

摩擦系数f计算为：

(30)

其中：

(31)

用Müller-Heck模型和Chisholm 模型分别对文献[8，17,22]中R32的 222个摩擦压降实验数据和文献[16-17,23]中R134a的185个实验数据进行预测，预测结果见表5和图13。

表5 压降模型对R32、R134a实验值预测结果

图13 压降模型对R32、R134a实验值预测

3 结论

本文对R1234ze在2 mm 水平光滑管内进行了冷凝换热实验研究，同时对实验数据进行了分析，得出以下结论：

1)当流量在100～400 kg/(m2·s)，冷凝温度为35 ℃和40 ℃时，R1234ze的冷凝换热系数范围在1.5到8 kW/(m2·K)之间时。其冷凝换热系数随干度的增加而增加，随质量流量的增大而增大，随饱和温度的升高而降低。

2)在相同工况下R1234ze的冷凝换热系数比R134a、R32的换热系数分别平均低大约22%和31%。

3)通过六个换热模型的对比，发现Baird等[10]的模型和Gerimella模型的预测精度最好。不仅可以很好的预测R1234ze的冷凝换热系数，对文献[7-9,16-17]中R32、R134a的实验数据预测也比较好。

4)实验中制冷剂的摩擦压降随质量流量增加而增加，相同质量流量下，饱和温度升高，摩擦压降降低。R1234ze的摩擦压降梯度高于R32，这主要是因为R1234ze的气态粘度明显高于R32，导致R1234ze的摩擦系数较高。Müller-Heck模型和Chisholm模型对R1234ze和R32的摩擦压降预测较好。

致谢：感谢霍尼维尔(上海)有限公司给与的大力支持和帮助。

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