《地源热泵》基于R22与R410A的同轴换热器性能分析

基于R22与R410A的同轴换热器性能分析赵凯凯石景祯（杭州沈氏换热器有限公司）摘要：本文针对同轴换热器的结构、蒸发和冷凝的机理进行说明，并重点分析了不同工质时蒸发和冷凝的性能。关键词：同轴换热器、蒸发、冷凝、螺旋槽纹管、杭州沈氏、1、引言20世纪是科技迅猛发展的时期，它见证了人类攻克许多困扰多年的技术难题。20世纪初期，我们运用人工制冷手段以获取更舒适的生活、工作环境。作为制冷系统重要的部件，换热器性能的提升无疑会为制冷系统性能的提升做出重要贡献，从而减轻环境的负担。同轴换热器因其在耐压、防堵、安全等方面的杰出特点而被广泛应用。因而同轴换热器在不同制冷剂中的性能如何备受大家的关注。随着R22逐渐退出历史舞台，大家自然关注同轴换热器在R410A下的表现如何。2、R22与R410A的物性对比物性R22R4l0A温度滑移(℃)0.1冷凝压力(54.4℃时)(kPa)21463386蒸发压力(7.2℃时)(kPa)625998汽化潜热（35℃时)(kJ/kg)172.2168.5比容(35℃时饱和气态)(cm3/g)17.2511.26润滑剂矿物油多元脂3、国内外的研究结论目前国内外许多学者都对R410A的两相换热规律进行了实验研究。制冷剂在管内的沸腾换热是蒸发器中的典型换热过程。对R410A的沸腾换热的研究，国内外的学者大部分是采用水平光滑、强化管以及管外沸腾换热。Wijaya和Spatz研究了蒸发温度为4.4℃、外径为9.52mm的光管内R22和R410A的蒸发表面传热系数[1]，得出R410A的蒸发表面传热系数比R22高23％～63％，其压降比R22低20％～38％的结论。凝结换热过程也是制冷空调系统中重要的换热过程，与沸腾换热相比，对混合制冷剂R410A的凝结换热及压降研究相对较少。TakeshiEbisu等在对R410A水平光管流动实验研究中，同样得到冷凝时的表面传热系数和压降数据[2]。实验结论表明，冷凝时R410A在所有干度范围内的表面传热系数均比R22略低；在蒸发和冷凝时的压降，R410A比R22低30％。还提出Haraguchi的经验公式符合X≥0.4的实验数据。Dongsoo等在饱和蒸汽温度为39℃、壁面过冷度为3～8℃的工况下，对R22、R407C和R410A在水平管的实验中得出：近共沸混合物R410A的冷凝表面传热系数在水平光滑管中比R22高11.0%～17.4%；R410A的冷凝表面传热系数比Nusselt推算出的结果高11.4%～17.7%；比Beaty和Katz的推算结果高8.1％～9.0％。4、R410A在同轴换热器中的相变传热特性同轴换热器通过螺纹槽管来增强水侧和氟侧的扰动，以达到强化水侧和氟侧对流换热的目的。通过Fluent模拟计算螺纹槽管的传热系数比光管大18.3%左右。4.1R410A在同轴换热器中的冷凝特性制冷剂在同轴换热器内的冷凝过程不同于管内冷凝，也不同于管外冷凝。管内冷凝（如图1）的液体受自身重力的作用，沉积在管子的底部；管外冷凝（如图2）的液体则分布于管子的外壁而形成液膜。同轴换热器的截面（如图3）是一个不规则的环形面，其冷凝过程的前期液体少，类似于管外冷凝；冷凝的后期液体较多，液体开始受到外管的限制，此时与管内冷凝又非常相似。我们杭州沈氏换热器有限公司研发部经过理论模拟与大量的试验，对影响该类换热器传热的多个几何变量进行了深入的研究，已经优化整合出多个较佳的组合方案，使该类换热器能扬长避短，综合管内与管外冷凝的优点，实测结果非常理想。图1管内冷凝液膜分布图2管外冷凝液膜分布图3螺旋槽管结构图4.1.1R22和R410A传热性能对比为了对比分析同轴换热器基于R22和R410A的传热性能，我们对六款样品进行测试实验。结果如下：表1冷凝换热量测试数据样品编号换热量（kW）ΔR22R410ASS-0130GT4.766.0326.68%SS-0160GT7.649.321.73%SS-0240GT8.7211.0326.49%SS-0360GT10.6813.2624.16%SS-0430GT12.2415.4726.39%SS-0480GT14.7517.7120.07%SS-0520GT16.4322.1634.88%注：测试工况同为进出水温30/35℃，冷凝温度40℃，过冷度2℃Δ=（R410A的换热量-R22的换热量）/R22的换热量由测试数据可以看出R22与R410A在同轴换热器中的冷凝传热系数相差20~30%，即R410A要比R22在同轴换热器中传热效果好。4.1.2制冷剂侧压降对比：表2冷凝换热流量与压降测试数据样品编号流量(kg/min)压降（kPa）ΔR22R410ASS-0130GT2.0066.9538.48-42.52%SS-0160GT2.91116.876.29-34.68%SS-0240GT4.21144.23121.46-15.79%SS-0360GT4.2351.4836.04-29.99%SS-0430GT4.8094.3767.62-28.35%SS-0480GT5.3659.1543.47-26.51%SS-0520GT7.71135.9578.27-42.43%即相同流量下，R410A的压降较R22小30~40%。4.2R410A在同轴换热器中的蒸发特性众所周知，同轴换热器作为蒸发器的性能普遍较冷凝器差，这与同轴换热器特殊的内管结构有直接关系。同轴换热器作为冷凝器时，其螺旋结构将冷凝液甩出壁面，避免了液膜热阻的产生从而强化冷凝传热。而作为蒸发器是，蒸汽将液体和壁面隔开产生热阻，降低了传热系数。目前杭州沈氏换热器有限公司，已经在模拟与试验基础上，解决了该问题；具有各几何参数优化组合方案的新系列产品，正在逐步推向市场。尽管从前该类换热器存在蒸发欠佳的问题，但R410A还是比R22表现出优良的蒸发性能。以下是过去没有进行几何参数优化组合前R22与R410A蒸发传热实测性能对比：表3蒸发换热量测试数据样品编号换热量（kW）ΔR22R410ASS-01000GT3.064.133.99%SS-0150GT4.184.917.22%SS-0200GT4.746.2932.70%SS-0350GT7.7312.8466.11%SS-0400GT7.1210.9153.23%SS-0450GT8.6213.3855.22%SS-0500GT10.2414.0837.50%注：测试工况同为进出水温12/7℃，蒸发温度2℃，过热度5℃Δ=（R410A的换热量-R22的换热量）/R22的换热量对于同一个同轴换热器，R410A的蒸发传热系数较R22高30%~60%。5、结论R410A作为R22的理想替代物，其属于近共沸混合物，相变过程中气相和液相浓度发生的变化微小，温度滑移小于0.1℃。正是由于R410A良好的热物性，使用R410A的同轴换热器的冷凝及蒸发传热性能明显优于使用R22的传热性能。且使用R410A时的压降也较小。以R410A作为制冷剂来设计高能效机组时，采用同轴换热器作为冷凝器和蒸发器的优势将非常明显。此时同轴换热器不仅传热系数高，而且由于其压降很低，使所配机组整体能效得以更大提高。若以R410A设计常规机组，同轴换热器不仅体积小，节省空间；而且会提高该机组的能效水平。杭州沈氏换热器有限公司的同轴换热器，其各方面性能已经经过优化，不仅适用于R22制冷剂，使用R410A制冷剂效果更佳。在水地源热泵的应用方面，更是经过大量的试验与研究，并开发出全系列的专用产品。我们愿与水地源热泵的各界同仁，为创造绿色和谐环保的社会共同努力。参考文献：[1]WijayaH，SpatzMW．Two-phaseflowheattransferandpressuredropcharacteirsticsofR22nadR32/125[J].ASHRAETrans，1995，101：1020-1027.[2]TakeshiEbisu,KunikazuTorikoshi.HeatTransferCharacteifstiesandCorrelationsforR410AFlowingInsideaHoriozntalSmoothTube[J].ASHRARTram，1998.556-561.作者简介：赵凯凯，男，1987年出生，热能与动力工程专业学士，杭州沈氏换热器有限公司工程师。Email：[e-mail]