R410A_油混合物在7mm水平直光管内流动沸腾的换热特性__关联式

第41卷第10期 2007年10月

上海交通大学学报

JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY

Vol.41No.10 Oct.2007

文章编号:1006 2467(2007)10 1638 05

R410A-油混合物在7mm水平直光管内

流动沸腾的换热特性 .关联式

胡海涛1, 丁国良1, 魏文建1, 汪振策1, 王凯建2

(1.上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240;2.日本富士通将军空调技术研究所,川崎213 8502)

摘 要:基于R410A-油混合物管内流动沸腾换热的实验数据,对现有的制冷剂-油混合物的换热关联式进行了评价,对比发现已有关联式的预测值与实验值的误差最大达到80%.基于混合物物性,开发了R410A-油混合物在7mm直光管内流动沸腾的流型图,并基于流型图和混合物物性开发了R410A-油在7mm直光管内流动沸腾的换热关联式.所得关联式与90%的实验数据的误差在 20%以内,平均误差为11.8%,最大误差为26.7%.关键词:R410A;油;流动沸腾;换热;关联式中图分类号:TK124 文献标识码:A

HeatTransferCharacteristicsofR410A OilMixtureFlowBoiling

ina7mmHorizontalStraightSmoothTube

.Correlations

HUHai tao, DINGGuo liang, WEIWen jian, WANGZhen ce, WANGKai jian(1.Inst.ofRefrigerationandCryogenicsEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200240,China;2.FujitsuGeneralInst.ofAir ConditioningTechnologyLimited,Kawasaki213 8502,Japan)Abstract:Thepredictiveabilityoftheavailablestate of the artheattransfercorrelationsofrefrigerant oilmixturewasevaluatedwiththeexperimentaldataofR410A oilmixtureflowboilinginside7mmstraightsmoothtube.NoneofthesecorrelationscanpredicttheheattransfercoefficientofR410A oilmixturesat isfactorily.TheflowpatternofR410A oilmixtureflowboilinginside7mmstraightsmoothtubewasde velopedbasedonmixtureproperties.AnewcorrelationofheattransfercoefficientforR410A oilmixtureflowboilinginside7mmstraightsmoothtubewasdevelopedbasedontheflowpatternandmixtureprop erties,anditcanagreewith90%oftheexperimentaldatawithindeviationof 20%,theaverageandmaximumdeviationare11.8%and26.7%,respectively.Keywords:R410A;oil;flowboiling;heattransfer;correlation

1

1

1

1

2

管内流动沸腾换热关联式是换热器设计与优化的重要基础.制冷系统在运行时,会有一定的润滑油

收稿日期:2006 10 28

基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目([2005]290)

进入系统,从而影响管内流动沸腾的换热特性.因

此换热关联式的开发应考虑润滑油对换热特性的影

[1]

作者简介:胡海涛(1978 ),男,河北定州人,博士生,主要研究方向为制冷装置仿真及制冷工质两相流动换热.

丁国良(联系人),男,教授,博士生导师,电话(Tel.):021 34206378;E mail:glding@.

第10期

胡海涛,等:R410A-油混合物在7mm水平直光管内流动沸腾的换热特性

物换热特性的准确性进行评价.

1.1 油影响因子关联式与本实验数据的对比

1639

响.目前已有文献对R22-油混合物[2]、R134a-油混合物[3 5]、R12-油混合物[6,7]、R407C-油混合物在换热管内的换热关联式进行了研究,但尚未见有关R410A-油混合物换热管内换热关联式的研究报道.

本文用R410A-油混合物的实验数据对已有的其他制冷剂-油混合物管内换热关联式进行评价,并基于流型图和混合物性开发适用于R410A-油混合物在光管内的流动沸腾换热关联式.

[8]

在已有的制冷剂-油混合物换热关联式中,文献[2 4]的关联式是第!种关联式,为油影响因子关联式.油影响因子定义为制冷剂-油混合物的换热系数 tp,r,o与纯制冷剂换热系数 tp,r的比值,即

tp,r,o

EF=tp,r

(1)

[3]

[4]

图1给出了Schlager

[2]

、Eckels和甘承军关

1 已有换热关联式与实验数据的对比

近年来制冷剂-油混合物换热关联式的研究主要有3种类型:!油影响因子关联式[2 4],此方法是在纯制冷剂换热系数的基础上乘以油影响因子进行

修正,油影响因子是名义油浓度和质量流量的函数; 两相换热增强因子关联式[5 7],用已有的单相换热经验关联式乘以两相换热增强因子,从而求出两相管内沸腾的换热系数;#基于流型的换热关联式[8],此方法考虑了流型的转化对换热特性的影响.本文对上述关联式直接用于预测R410A-油混合

联式的预测值EFcal与本实验中R410A-油混合物实验数据EFexp之间的对比.由图1(a)可见,Schlag er关联式与R410A-油混合物实验数据的误差范围为-50%~+40%.由图1(b)可见,Eckels油影响因子关联式与实验值的误差范围为-60%~+20%.由图1(c)可见,甘承军关联式的误差范围为-40%~0.因此可见:对于不同制冷剂,油影响因子关联式的预测值不同;即使对于相同的制冷剂,润滑油不相同时,油影响因子关联式也不相同.因此对于任何一种制冷剂-润滑油工质对,必需开发相应的油影响因子关联式,通用性较差

.

(a)Schlager

关联式(b)Eckels

关联式

图1 油影响因子关联式与R410A-油实验数据的对比

(c)甘承军关联式

Fig.1 ComparisonoftheEFcorrelationswithexperimentaldataofR410A oilmixture

总之,尽管油影响因子关联式无需了解润滑油的存在对混合物物性的影响,但此种关联式的通用性较差.应用油影响因子关联式计算两相换热系数

的前提是选择精度较高的纯制冷剂沸腾换热关联式,由此得出的两相沸腾换热系数误差同时受到纯制冷剂沸腾换热关联式误差和油影响因子误差两个因素的影响,两个误差因素的叠加使两相换热系数误差增大.油影响因子不能从机理上解释并预测润滑油的存在对管内流动沸腾换热的增强或弱化作用.1.2 两相增强因子关联式与实验值的对比

制冷剂-油混合物的换热系数可以表示为两相,子关联式开发过程中所采用的物性不同,两相增强因子关联式又可分为基于纯制冷剂物性和基于混合物物性两类.

1.2.1 基于纯制冷剂物性的关联式 基于纯制冷剂物性的两相增强因子定义为制冷剂-油混合物的两相换热系数与液相制冷剂换热系数的比值,计算公式[6,7]为

EL,r= tp,r,o/ L,r

(2)

图2给出了Tichy[6]和Cawte[7]基于纯制冷剂物性的两相增强因子关联式计算得出的换热系数与

本实验中R410A-油混合物实验数据之间的对比,.

1640

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第41卷

由图2可见,Cawte和Tichy关联式与本实验数据相比普遍偏小,关联式的误差范围分别为45%和80%.由于此方法在计算液相换热系数时,使用的是纯制冷剂的物性,没有考虑润滑油的存在对混合物物性的影响,因此不能很好地预测R410A-油混合物管内流动沸腾的换热特性

.

合物密度、导热系数等物性的影响,因此不能很好地预测R410A-油混合物管内流动沸腾的换热特性.1.3 基于流型的换热关联式与实验值的对比 Zurcher关联式是基于流型的换热关联式.图4给出了Zurcher关联式预测值与本实验中R410A-油混合物实验数据间的对比.由图4可见,Zurcher关联式预测值与R410A-油混合物实验数据的误差在50%以内.尽管此关联式考虑了流型转化对换热的影响,但在油对混合物物性的影响方面只考虑了润滑油的粘度,故关联式误差较大.

[8]

图2 Cawte和Tichy关联式与R410A-油实验数据的对比Fig.2 ComparisonofCawteandTichycorrelationswith

experimentaldataofR410A oilmixture

1.2.2 基于混合物物性的关联式 基于混合物物性的两相增强因子定义为制冷剂-油混合物的两相换热系数与液相制冷剂-油混合物换热系数的比

值,计算公式[5]为

EL,r,o= tp,r,o/ L,r,o

(3)

已有换热关联式预测值与实验值对比结果表明,已有换热经验关联式不能很好地预测R410A-油混合物管内流动沸腾换热特性,因此有必要开发

新的关联式.在开发换热关联式时,应充分考虑润滑油的存在对流型和混合物物性的影响,才能较准确地预测R410A-油混合物管内流动沸腾换热特性.

图3给出了Hambraeus[5]基于混合物物性的两相增强因子关联式计算得出的换热系数与本实验中R410A-油混合物实验数据的对比

.

图4 Zurcher关联式与R410A-油实验数据的对比Fig.4 ComparisonofZurchercorrelationwith

experimentaldataofR410A oilmixture

2 新关联式的开发

润滑油的物性与制冷剂的物性不同,因此油的存在会影响混合物的物性,从而影响制冷剂-油混合物管内沸腾的换热特性;同时润滑油的存在会影响工质在管内流动沸腾的流型,这是油对换热造成影响的另一个重要的因素.因此本文将基于流型和

图3 Hambraeus关联式与R410A-油实验数据的对比Fig.3 ComparisonofHambraeuscorrelationwith

experimentaldataofR410A oilmixture

混合物物性开发新的换热关联式.

2.1 R410A-油混合物管内流动沸腾的流型图 将R410A-油混合物看作非共沸混合工质,基于R410A-油混合物的物性

[9]

由图3可见,Hambraeus关联式与R410A-油混合物实验数据的误差范围为-70%~-20%,预测值偏小.由于Hambraeus关联式在考虑混合物的

,,参照文献[10]中的

流型开发方法开发了R410A-油混合物在7mm直光管内流动沸腾的流型图,如图5所示.不同流型之xI wave和G[

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胡海涛,等:R410A-油混合物在7mm水平直光管内流动沸腾的换热特性

1641

将实验中观测的流型对图5所示的流型图进行验证,结果表明,实验观测的流型与流型图吻合较好.由图5可见,润滑油的存在总是延迟流型从层状流向波纹层状流、间歇流向环状流的发展;对于纯制冷剂R410A,干度x=0.4时,流型从间歇流向环状流转化;而油的质量分数wno=5%时,x=0.44时才发生间歇流向环状流的转化.在x<0.29时,油的存在促进流型从波纹层状流向间歇流的发展,x>0.29时,油的存在延迟流型从波纹层状流向间歇流或环状流的发展

.

Pr、!、cp和 分别为Reynolds数、Prandtl数、导热系数、比定压热容和动力粘度;下标V表示气相;下标L,r,o表示制冷剂-油混合物的液相;#为空泡系数; 为液膜厚度,如图6所示;C和m为系数.

(a)层状流的 dry和 示意图

(b)环状流到层状流的转化

图6 流型示意图

图5 R410A-油混合物在7mm水平光管内的流型图Fig.5 FlowpatternmapofR410A oilmixtureinside

7mmstraightsmoothtube

Fig.6 Schematicsketchoftheflowpattern

新关联式的建立,要根据R410A-油混合物的实验数据确定式(8)中的系数C和m.由式(4)、(6)和(8)可以得出:

cb=

tp,r,odryV

2 - dry

m

0.4

3

3

nb

1/3

2.2 基于混合物物性和流型开发新的换热关联式 管内两相流动沸腾换热系数由液相与管壁的换热系数、气相与管壁的换热系数两部分组成,计算公式为: tp,r,o=( dry V+(2 - dry) wet)/2 V=0.023Re

0.8

V

[11]

- =

(14)

CReL,r,oPrL,r,o!L,r,o/

(4)(5)(6)(7)(8)

(9)(10)(11)(12)

由式(14)可以得出:

3

tp,r,odryV3

- nb

2 - dry

PrL,r,o!L,r,o/

1/3

Pr

0.4

V

!V/di

331/3

wet=( nb+ cb)

0.12 nb=55pr(-logpr)-0.55M-0.5q0.67

=CRemL,r,o

(15)

cb=CRePr!L,r,o/ ReV=Gxdi/(# V) PrV=(cp)V V/!V

ReL,r,o=4G(1-x) /[(1-#) L,r,o] PrL,r,o=(cp)L,r,o L,r,o/!L,r,o

m

L,r,o0.4L,r,o

根据实验工况的质流密度和干度,在流型图中找出对应坐标点所在的流型区域,以确定R410A-油混合物的流型,根据流型计算相应工况下的 dry值,计算公式[11]为

dry=

stratified stratified

highGhigh-Glow)

环状流或间歇流 波纹层状流 层状流

dry)] = di(1-#)/[2(2 - (13)

式中: tp,r,o为制冷剂-油混合物的两相换热系数;

V为气相与管壁的换热系数; wet为液相与管壁的换热系数,由核态沸腾换热系数 nb和对流沸腾换热系数 cb两部分组成; dry为气相对应的角度,图6(b)给出了环状流向层状流转化过程中,不同流型工况下的 dry示意图;G为实验工况的质量流率;q为热流密度;di为测试管的内径;M为摩尔质量;pr为对

式中:Ghigh和Glow分别为垂直干度线(图5中的点划线)与Gstratified过渡曲线和Gwave过渡曲线交点的纵坐

stratified为层状流时气相对应的角度标值(见图5);

(见图6(a)),计算公式为

AL=0.5R2[(2 - stratified)-sin(2 - stratified)][11]

1642

上 海 交 通 大 学 学 报

参考文献:

第41卷

A为测试管的内截面面积,AL为液相对应的截面面积(见图6(a)).

将R410A-油混合物换热系数 tp,r,o的实验值、

V和式(7)求出的 nb代入式(15),由式(5)求出的

最小二乘法确定C和m的值分别为0.7288和

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0.4521,于是对流沸腾换热系数计算式(8)表示为 cb=0.7288ReL,r,oPrL,r,o!L,r,o/ (16)

将式(5)~(7)、(16)与式(4)联立,得R410A-油混合物在7mm直光管内流动沸腾换热系数关联式.2.3 新的关联式与实验数据的对比

tp,r,o与实验值 tp,r,o的对比 新关联式的预测值

如图7所示.由图7可以看出,新关联式的预测值与

cal

exp

0.4521

0.4

90%的实验数据误差在 20%以内,平均误差为11.8%,最大误差为26.7%,可以很好地预测R410A-油混合物管内流动沸腾的换热特性

.

图7 新的关联式预测值与实验值的对比Fig.7 Thepredictedvalueofnewcorrelationvs

experimentaldata

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3 结 论

(1)对已有制冷剂-油混合物换热关联式进行评价的结果表明,已有换热关联式不能很好地预测R410A-油混合物在7mm管内流动沸腾换热特性. (2)基于混合物物性开发了R410A-油混合物在7mm直光管内的流动沸腾的流型图.油的存在总是延迟流型从层状流向波纹层状流、从间歇流到环状流的发展;在干度小于0.29时,油的存在促进流型从波纹层状流向间歇流的发展,干度大于0.29时,油的存在延迟流型从波纹层状流向间歇流或环状流的发展.

(3)基于流型和混合物物性开发了R410A-油混合物光管内的流动沸腾换热关联式,新的关联式预测值与90%以上的实验数据的偏差均在20%以内,平均误差为11.8%,最大误差为26.7%.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p0zm.html