不同制冷劑在空調冷凝器內換熱性能的比較

馮永斌,晏　剛,錢文波,張　敏,陶　鍇

(西安交通大學,陜西西安　710049)

    摘　要：通過建立空調換熱器分布參數(shù)模型,并對模型進行了驗證,進而對R22替代制冷劑R32、R410A、R407C和R290在翅片管冷凝器進行了研究,分析了不同迎面風溫和風速下冷凝器的流動和傳熱規(guī)律。研究表明:在一定的條件下,無論增加迎面風溫或風速, R407C單位面積換熱量,壓降和質量流量最大;R290和R32壓降和循環(huán)質量流量均小于R22;R410A雖然壓降較小,但循環(huán)流量大;R290循環(huán)質量流量較R22小40%左右,且R290換熱溫差較小,換熱系數(shù)較高。

    關鍵詞:　制冷劑;翅片管冷凝器;迎面風溫;迎面風速;壓降

    中圖分類號:　TK05　　　　文獻標識碼:　A　　　　do:i 10. 3969/.j issn. 1005-0329. 2009. 12. 015

    文章編號:　1005—0329(2010)01—0055—06

    1　前言

    翅片管換熱器在制冷和空調系統(tǒng)中得到廣泛的應用。由于流路、管型、翅型、風速場、兩相流型、制冷劑種類以及運行工況等的復雜性,對翅片管換熱器的試驗研究顯得相對耗時且昂貴。翅片管換熱器的模擬研究在縮短研究周期和節(jié)約資金上是一種行之有效的手段?；谶@點,許多學者做了大量研究。

    Domanski等人優(yōu)化了6種制冷劑R22、R600a、R134a、R32、R410A、R290蒸發(fā)器的流程,分析了優(yōu)化的蒸發(fā)器流程對系統(tǒng)性能的影響[1]研究表明高壓制冷劑較低壓制冷劑獲得較好的系統(tǒng)性能,且可使系統(tǒng)性能提高11. 7%。Liang等人研究R134a制冷劑在復雜流路下蒸發(fā)器和冷凝器的性能,研究表明:對于蒸發(fā)器和冷凝器來說,制冷劑側和空氣側的熱阻基本相當;對于復雜流路改變制冷劑的質量流率可以提高換熱器性能;相對傳統(tǒng)流路設計,合適的復雜流路設計可以減少5%的換熱器面積[2、3]。Byun等人對比分析了R22、R134a和R410A在翅片管蒸發(fā)器的換熱性能,研究表明R410A較R22和R134a具有較高的換熱性能且具有較低的傳輸壓降[4]。目前,涉及不同替代制冷劑在冷凝器內性能的合理比較分析尚缺。

    本文通過建立空調換熱器分布參數(shù)模型,分析比較不同制冷劑在同一翅片管冷凝器內的流動和換熱規(guī)律,旨在尋求現(xiàn)有空調制冷劑R22的最佳替代工質。

    2·模型及研究對象

    2. 1　冷凝器模型

    針對空調翅片管換熱器建立了分布參數(shù)模型。該模型將換熱器劃分為若干個控制容積,模擬時假定工況穩(wěn)定,管內制冷劑沿軸向作一維流動且軸向及翅片間無導熱,管外空氣垂直于翅片管且沿翅片一維均勻分布,忽略翅片和管間的接觸熱阻。每個控制容積包含制冷劑、空氣側,對每一微元控制容積建立守恒控制方程。

    2. 1. 1　制冷劑側控制方程

    質量守恒方程:

    模型的準確預測還依賴于精確的換熱和壓降關聯(lián)式。Lee等人研究了不同制冷劑R22、R290、R600a等在水平管下的冷凝換熱性能,對比分析了不同關聯(lián)式,研究表明Cavallini關聯(lián)式相對具有較高的準確性[5、6]。該關聯(lián)式也被Hwang等人理論和試驗所證實,該研究涉及制冷劑R410A、R290和R404A[7]。Lee等人基于Cavallini冷凝換熱關聯(lián)式理論和實驗研究了R22和R407C的冷凝換熱性能[8]。因此,本文兩相區(qū)冷凝換熱也采用Cavallini關聯(lián)式[6]。單相區(qū)傳熱采用Dittu-Boelter關聯(lián)式;制冷劑在單相區(qū)壓降采用Bla-sius關聯(lián)式;兩相區(qū)的壓降采用Müller-Stein-hagen關聯(lián)式[9];U型彎頭單相與兩相區(qū)的局部壓降分別采用Chisholm和Idelchik關聯(lián)式[10、11]。

    2.1.2　空氣側控制方程

    空氣側換熱量計算采用NTU-ε方法:

    空氣側換熱系數(shù)采用Wang關聯(lián)式[12]?？諝鈧葔航挡捎肳ang關聯(lián)式[12]?？諝鈪?shù)基于ASHRAEHandbookData[13],制冷劑熱物理性質采用REFPROP源程序[14]。

    2. 2　模型驗證及研究對象

    為了驗證模型的準確性,本文采用Lee等人的冷凝器和試驗數(shù)據,以制冷劑R22和R407C為例,基于空調工況,采用該文獻相同結構參數(shù)的U型和Z型單回路冷凝器進行了驗證,結果表明冷凝器模擬值與實驗值相差在±10%內[8],如圖1所示?？梢?本文建立的空調冷凝器分布參數(shù)模型具有一定的準確度。

    為了著重研究空調替代制冷劑在翅片管換熱器的流動和換熱性能,基于同一典型空調流路布置進行分析。換熱器流程布置如圖2所示,采用單回路U型和Z型,且換熱器幾何結構參數(shù)完全相同(見表1)。本文以U型單回路、天窗型翅片結構換熱器為研究對象進行分析;對于不同翅片形狀,只需更換程序對應結構參數(shù),同樣可以迭代計算。由于本文分析基于換熱器單位面積換熱量進行研究,所以計算結果并不影響其在不同冷凝器結構、不同翅片形狀以下的結論[15]。

    不同制冷劑在制冷系統(tǒng)冷凝器內的約束條件如表2所示。在空調工況下,對于不同制冷劑,冷凝器進口溫度和壓力確定方法基于Casson[16]。

    冷凝器的進口壓力和溫度不僅會影響壓縮機的功率,而且反應了冷凝溫度;冷凝器的出口過冷度會影響冷量的大小,而且足夠的過冷度更是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件。因此把冷凝器的出口過冷度作為冷凝器模擬的收斂條件。

    3　結果及分析

    3. 1　空氣進口溫度對換熱器性能的影響圖3為不同制冷劑冷凝器單位面積換熱量隨迎面風溫的變化。雖然R290導熱系數(shù)較R407C優(yōu)越,但是R407C壓降較R290大,所以相同壓降時R407C平均換熱溫差較R290大,且平均換熱系數(shù)基本持平,如圖6、7所示。R407C氣相比重較R32和R410A小,在相同流量下,導致氣相流速增加以至于氣液界面剪切力增加,傳熱得到強化,彌補了相對較小的液相導熱值與潛熱值。如圖6、7所示:隨著迎面風溫的增加,單位面積換熱量下降,冷凝器平均換熱溫差和平均換熱系數(shù)均下降,換熱惡化;R290具有較小的換熱溫差,較高的換熱系數(shù),有利于減小不可逆損失。

    圖4為不同替代制冷劑質量流量隨迎面風溫的變化。

    隨著迎面風溫的增加,冷凝器單位面積換熱量降低,需要減少制冷劑質量流量來滿足冷凝器出口一定的過冷度。由于R410A和R407C潛熱值較R22基本持平,而單位面積換熱量較大,所以需要相對較高的循環(huán)質量流量。而R290和R32相對R22潛熱值較大,同時液相比重較小,有利于降低充灌量,對應循環(huán)流量較小。當迎面風溫為30℃時, R407C和R410A質量流量較R2質量流量高30%和8. 95%,R22質量流量較R3和R290高28. 81%和40. 57%。

    圖5為不同替代制冷劑壓降隨迎面風溫的變化。對于給定冷凝器出口過冷度,壓降與氣液相粘度比值和比重比值有關。R407C和R22粘度基本持平,但是循環(huán)質量流量較R22大,造成兩相流速和相面剪切力增加,從而壓降升高。R410A、R32和R290較R22有較小的粘度和循環(huán)質量流量,從而壓降較小。當迎面風溫為30℃時,R407C壓降較R22高47. 21%, R22壓降較R410A、R32、R290分別高25. 29%、48. 09%和25. 15%。

    3. 2　空氣進口風速對換熱器性能的影響

    圖8為不同替代制冷劑單位面積換熱量隨迎面風速的變化。當風速為1. 5m/s時,以R22換熱量為基準, R22單位面積換熱量分別較R32、R290、R410A和R407C小13. 96%、6. 20%、15.50%和44. 96%。當風速增加兩倍時,不同制冷劑平均換熱系數(shù)增加30%左右,而平均換熱溫差增加10%左右。平均換熱溫差較平均換熱系數(shù)變化緩慢,如圖11、12所示;在滿足換熱量的條件下,不同風速下,R290同樣具有較小的換熱溫差,較高的換熱系數(shù),可以降低系統(tǒng)不可逆損失。

    圖9、10為不同替代制冷劑質量流量和總壓降隨迎面風速的變化。總壓降增加主要由于一方面空氣側壓降的增加;此外單位面積換熱量的增加造成制冷劑循環(huán)質量流量增加來滿足一定冷凝器出口的過冷度,制冷劑質量流量的增加造成兩相流速和相面剪切力提升,從而總的壓降增加。

    在一定的風速范圍內, R290循環(huán)質量流量分別較R22、R407C、R32和R410A平均小40%、60%、19%和47%左右。當迎面風速為3. 5 m/s時,R407C壓降較R22高91. 69%,R410A、R32和R290壓降較R22分別小11. 55%、39. 72%和19.63%。

    4　結語

    通過建立空調冷凝器分布參數(shù)模型,并對模型進行了驗證,分析了不同迎面風速和風溫下不同替代制冷劑的流動和換熱性能。研究表明:在一定的約束條件下,無論是增加迎面風速或風溫,R407C單位面積換熱量,但是壓降和質量流量最大,且環(huán)保性能差;R290和R32壓降和循環(huán)質量流量均小于R22;R410A雖然壓降較小,但循環(huán)流量大,且環(huán)保性能差。R290循環(huán)質量流量均較R22小40%以上,且較R22換熱溫差小,換熱系數(shù)高,換熱過程不可逆損失小。在滿足換熱量的條件下,R290在協(xié)調壓降與質量流量具有一定的優(yōu)勢且滿足現(xiàn)行工質替代理念,可以作為現(xiàn)有空調制冷劑R22的環(huán)保型替代工質。雖然R290具有可燃性,但是隨著換熱器的微型化設計以及降低充灌量的研究,其在家用空調的應用前景值得看好。