润滑油对小管径光管内R410A流动沸腾流型及换热特性的影响.pdf

润滑油对小管径光管内润滑油对小管径光管内 R410A 流动沸腾流动沸腾 流型及换热特性的影响流型及换热特性的影响 胡海涛1 丁国良 1 邓斌2 郑永新3 高屹峰3 宋吉3 1上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240 2金龙精密铜管集团股份有限公司上海研发中心 上海 200135 3国际铜业协会 中国 上海代表处 上海 200020 摘摘 要要 实验研究了 R410A 油混合物在 5 0 mm 光管内流动沸腾的流型及换热特性 实验结果 表明 润滑油延迟流型向环状流和干涸流的转化 实验得出的流型与基于混合物性的流型图 吻合较好 纯制冷剂 R410A 的换热系数随干度的增大先增大后减小 峰值出现在干度为 0 7 0 8 左右 对于 R410A 油混合物 在干度小于 0 6 的工况下 油的存在总是增强换热 在干 度为 0 7 时 换热系数随油浓度的增大先增加后减小 在干度大于 0 8 情况下 换热系数在随 油浓度和干度的增大迅速降低 基于混合物性开发了流动沸腾的换热关联式 新的关联式预 测值与 90 的实验数据的误差在 30 以内 平均误差为 17 关键词关键词 R410A 油 流动 沸腾换热 关联式 Effect of oil on flow pattern and heat transfer characteristic of R410A flow boiling inside small diameter smooth tubes Hu Haitao1 Ding Guoliang1 Deng Bin2 Zheng Yongxin3 GAO Yifeng3 Song Ji3 1Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240 China 2Shanghai R 3International Copper Association Shanghai Office Shanghai 200020 China Abstract An experimental study of flow patterns and heat transfer characteristics of R410A oil mixture flow boiling inside a smooth tube with outside diameter of 5 0 mm is performed The test results showed that the presence of oil may retard the transfromation of flow patter to annular flow and dryout flow and the observed flow patterns match with the new flow pattern map very well the heat transfer coefficient of the R410A initially increases with vapor quality and then decreases presenting a local maximum in the vapor quality range between 0 7 and 0 8 the presence of oil 第一作者 胡海涛 1978 男 河北保定人 博士 助理研究员 电话 34206295 E mail huhaitao2001 自然基金项目编号 50906048 enhanced the heat transfer coefficient when the vapor quality is less than 0 6 when the vapor quality is about 0 7 the heat transfer coefficient initially increases and then decreases with the increase of oil concentration when the vapor quality is higher than 0 8 the heat transfer coefficient decreases rapidly with increasing nominal oil concentration and vapor quality A new heat transfer coefficient correlation of R410A oil mixture flow boiling inside small diameter smooth tube is developed based on the mixture properties and it could agree with 90 of the experimental data within deviation of 30 and the mean deviation is 17 Key words R410A oil flow boiling heat transfer correlation 0 引言 环保替代工质R410A为近共沸混合物 温度滑移微小 是R22的理想替代物 正成为国际 上空调器的主流制冷工质 在制冷系统中 由于制冷剂对油有较好的溶解性 当压缩机开始运 行时 势必有一定量的润滑油随制冷剂循环进入制冷系统 从而影响管内流动沸腾的换热特性 1 为了节能和节材 目前换热器的设计越来越小型化 换热管的管外径从9 52 mm开始 朝 着8 0 mm 7 0 mm 6 35 mm的方向发展 现在外径为5 mm的铜管已经开始在小型换热器中试 用 并成为国内各大空调公司研究开发的重点 因此 需要了解R410A 油混合物在5 mm换热 管内流动沸腾的换热特性 按照Mehendal等 2 对换热管径尺度的定义 管径为100 m 6 mm的换热管为中尺度类型 介于常规尺度 管径大于6 mm 和微尺度 管径为1 m 100 m 之间 相对于微尺度换热管 这 种中尺度换热管更有可能被应用于实际的小型紧凑式换热器中 被称之为小管径换热管 由于 毛细作用的存在 小管径换热管与常规尺度换热管内的换热特性是不相同的 3 4 目前已有文 献对R410A 油混合物在管径大于6 mm的常规尺度换热管内的流动沸腾换热特性进行了研究 5 但是到目前为止 尚未有R410A 油混合物在小管径换热管内流动沸腾换热特性的研究报道 已有的常规尺度换热管内的研究结果 5 可能不适用于小管径 因此 需要通过实验研究 分析润滑油对小管径管内流型及换热特性的影响 并开发适用 于小管径换热管的换热关联式 1 实验装置与测试工况 1 1 实验装置 实验装置如图 1 所示 实验装置共包括三个回路 制冷剂主回路 制冷剂旁通回路和润 滑油回路 有关实验原理和装置的详细介绍可参见文献 5 1 2 实验对象与测试工况 实验对象为水平直光管 总长为 1400 mm 外径为 5 mm 内径为 4 18 mm 测试管外均 匀布置电加热带 有效加热长度为 1300 mm 电加热带外包有隔热层和隔气层 经漏热分析 表明 漏热量小于加热量的 2 可以认为测试段与环境绝热 实验所用制冷剂为 R410A 润滑油为酯类油 RB68EP 实验工况的蒸发温度为 5oC 质流密度为 200 400 kg m 2 s 1 热 流密度为 6 91 13 81 kW m 2 测试段入口干度为 0 1 0 8 平均油浓度为 0 5 1 室外机 2 压缩机 3 冷凝器 4 电子膨胀阀 5 油分器 6 储油罐 7 毛细管 8 室内机 9 过热器 10 制冷剂流 量计 11 单向阀 12 有流量计 13 油泵 14 调节阀 15 油罐 16 油分器 17 混合室 18 采样筒 19 预热器 20 可视化段 21 测试段 22 过热器 23 视镜 图 1 实验台示意图 2 数据导出 2 1 换热系数 纯制冷剂 R410A 和 R410A 油混合物管内流动沸腾的换热系数 可分别根据下式导出 tp r qTest TW Tsat 1 tp r o qTest TW Tbub r o 2 式中 qTest为测试段热流密度 W m 2 TW为换热管内壁面的平均温度 K Tsat为纯制冷剂 的饱和温度 Tbub r o分别为和 R410A 油混合物的泡点温度 6 K 当油浓度为 0 时 Tbub r o 等于 Tsat 公式 1 和 2 等价 考虑实验设备的测量精度 7 对换热特性的不确定性进行分析 换热系数的最大误差为 10 4 详细的误差分析见文献 5 2 2 平均油浓度 平均油浓度定义为润滑油的质量流量与制冷剂 油混合物的质量流量的比值 no mo mr mo 3 式中 mr和 mo分别为制冷剂和润滑油的质量流量 kg s 1 为了确认测试段注油浓度的准确性 在制冷剂主回路的混合室出口与电子膨胀阀进口之 间布置了采样口 对注油浓度和采样油浓度进行对比 通过对质流密度 G 400 kg m 2 s 1部分 工况下按照文献 8 进行实时采样 采样结果表明 二者最大绝对偏差小于 0 25 3 实验结果分析与关联式的开发 3 1 润滑油对小管径换热管内流型的影响分析 图 2 给出了实验观测得出的 R410A 油混合物在小管径换热管内流动沸腾的流型 并给出 了基于混合物物性 5 参照 Wojtan 9 流型开发方法开发的 R410A 油混合物在小管径光管内的 流型图 a G 200 kg m 2 s 1 b G 400 kg m 2 s 1 图 2 润滑油对小管径光管内流动沸腾流型的影响 由图 2 可以看出 实验得出的流型与基于混合物性的 Wojtan 9 流型图吻合较好 润滑油 延迟环状流和干涸流的出现 在小干度工况下 润滑油的存在对流型的影响较小 在高干度 工况下 润滑油的存在对流型的影响较大 在所测试的工况范围内 R410A 油混合物不存在 雾状流型 3 2 润滑油对流动沸腾换热系数的影响分析 图 3 给出了 R410A 油混合物流动沸腾的换热系数随平均油浓度的变化 a G 200 kg m 2 s 1 b G 400 kg m 2 s 1 图 3 R410A 油混合物在小管径光管内的流动沸腾换热特性 由图 3 可以看出 换热系数随质流密度的增大而增大 在不同的质流密度工况下 纯制 冷剂 R410A 的换热系数随干度的增大先增大 在干度为 0 7 0 8 左右时达到最大值 干度大 于 0 8 时 换热系数随干度的增大急剧下降 这是因为在干度大于 0 8 情况下 流型逐渐向干 涸流转化 气相制冷剂与管壁接触 液态制冷剂与管壁面的接触面积减小 导致换热系数的 急剧减小 在干度小于 0 6 时 润滑油的存在对换热起到增强作用 在干度为 0 7 时 换热系数随润 滑油浓度的增加先增大后减小 在油浓度 3 4 左右时存在峰值 在干度大于 0 8 时 R410A 油混合物的换热系数随着油浓度和干度的增大迅速降低 这是由于润滑油的存在对混合物的 换热有两方面的影响 一方面由于油的存在增大液相的表面张力 从而增大液相与管壁的接 触面积 同时油的存在增加发泡点 增强核态沸腾 从而增强两相换热 另一方面 由于液 相粘度和表面张力的增大 对气泡的长大起到抑制作用 从而恶化换热 两方面影响因素的 综合作用 决定了油的存在对混合物换热增强或弱化作用 在干度小于 0 6 时 润滑油对换 热的增强作用占主导地位 因而增强换热 干度大于 0 8 时 润滑油对换热的弱化作用占主 导地位 从而恶化两相流动的换热特性 3 3 已有关联式预测值与实验数据的对比 到目前为止 还没有 R410A 油混合物在 5 mm 小管径换热管内的换热关联式 文献 5 中 给出的预测 R410A 油混合物在常规尺度换热管内换热的关联式 其预测值与本文实验数据的 对比分析如图 4 所示 图 4 已有关联式预测值与实验数据的对比 由图可见 已有关联式预测值与实验值的误差大于 50 不能适用于小管径光管 因此 有必要开发新的适用于小管径光管的换热关联式 3 4 R410A 油混合物在小管径光管内流动沸腾换热关联式的开发 本文基于混合物性开发适用于 R410A 油混合物的换热关联式 其形式为 poolo r Lo r tpo r SE 4 式中 r o tp表示混合物两相换热系数 r o L是液相制冷剂 油混合物换热系数 r o pool是池 沸腾换热系数 计算公式 10 如下 4 0 Lo r 0 8 Lo r in Lo r Lo r PrRe023 0 d 5 67 05 055 0 r10 12 0 rpoolo r log 55qMpp 6 上两式中 r o L Rer o L和 Prr o L分别是液相混合物的导热系数 雷诺数和普朗特数 混 合物的物性参数计算公式见文献 5 din是管内径 m M 是分子量 q 是热流密度 W m 2 新的换热关联式的开发 关键是要求出式 4 中 E 和 S 的表达式 参照 Gungor 关联式 10 的形式 E 是沸腾数 Bo 和 Martinelli 数的函数 S 是 E 和 Rer o L 的函数 S 和 E 关联式形式如下两式所示 86 0 tt 16 1 1 bXaBoE 7 17 1 Lr o Re1 d cES 8 Gh q Bo 9 Lo r Lo r Lo r Lo r Pr Cp 10 crit evap r p p p 11 式中 Bo 为沸腾数 Xtt为 Martinelli 数 q 是热流密度 W m 2 h 是纯制冷剂气化潜 热 J kg 1 Cpr o L是液相混合物的定压比热 J kg 1 K 1 pevap是蒸发压力 pcrit是临界压力 Pa 所要开发的关联式 就是要根据实验所得的数据 确定公式 7 8 中的参数 a b c d 通过数据拟合 E 和 S 的最终形式确定如下 86 0 tt 16 1 025 2240001 XBoE 12 17 1 Lo r 07 27 Re1016 21ES 13 新的关联式预测值与实验值的对比如图 5 所示 由图可以看出 新的关联式预测值与 90 的实验数据的误差在 30 以内 平均误差为 17 可以很好的预测 R410A 油混合物在 5 mm 光管内流动沸腾的换热特性 图 5 新的关联式预测值与实验值的对比 4 结论 1 润滑油延迟环状流和干涸流的出现 在所测试的工况范围内 R410A 油混合物不存 在雾状流型 实验观测得出的流型与基于混合物性的流型图吻合较好 2 对于纯制冷剂 R410A 换热系数随干度的增大先增大 在干度为 0 7 0 8 左右时达 到最大值 干度大于 0 8 时 由于出现干涸流 换热系数随干度的增大急剧下降 3 对于 R410A 油混合物 在干度小于 0 6 时 润滑油的存在对换热起到增强作用 在 干度为 0 7 时 换热系数随油浓度的增加先增大后减小 在油浓度为 3 4 左右时存在峰值 在干度大于 0 8 时 R410A 油混合物的换热系数随着平均油浓度和干度的增大迅速降低 4 基于混合物性开发了 R410A 油混合物在小管径光管内流动沸腾的换热关联式 新的 关联式预测值与 90 的实验数据的误差在 30 以内 平均误差为 17 参 考 文 献 1 Thome J R Boiling of new refrigerants a state of the art review International Journal of Refrigeration 1996 19 7 435 457 2 Mehendales S S Jacobi A M Shan R K Fluid flow and heat transfer at micro and mesco scales with application to heat exchanger design Applied Mechanics Review 2000 53 175 193 3 Wei WenJian Ding Guoiang HuHaitao et al Influence of lubricant oil on heat transfer performance of refrigerant flow boiling inside small diameter tubes Part I experimental study Experiment Thermal Fluid and Science 2007 32 1 67 76 4 WeiWenjian Ding Guoliang HuHaitao et al Influence of lubricant oil on heat transfer performance of refrigerant flow boiling inside small diameter tubes Part II Correlations Experiment Thermal Fluid and Science 2007 32 1 77 84 5 Hu Haitao DingGuoliang WeiWenjian et al Heat transfer characteristics of R410A oil mixture flow boiling inside