一些研究证明：Ｒ290凝结换热性能远大于Ｒ22，与此同时，Ｒ290在管内的凝结换热系数随管径的减小而增大，随热流密度的增大而增大；换热系数和压降随着质量流速和干度的增加而增加，随饱和温度的增加而减小，而管径的减小在提高换热性能的同时，会增大流动阻力。而本文，我们将通过实验来研究下5 mm小管径内Ｒ290凝结换热性能。
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实验系统由Ｒ290 制冷剂循环系统、低温载冷剂循环系统和数据采集系统构成。实验系统原理如图 1 所示。
实验系统由带有可视化的试验段、冷凝器、储液器、过冷器、过滤器、柱塞计量泵、科氏流量计、预热器、温度压力测点和压差传感器组成。实验系统运行时，柱塞计量泵将 Ｒ290 制冷剂压出，通过科氏流量计进行制冷剂流量的测量，在预热段中被预热从而使制冷剂达到实验所要求的干度，被预热后的制冷剂经过实验段，然后在冷凝器中冷凝成为饱和的制冷剂液体，以维持实验段的压力，流入过冷器使进入柱塞计量泵的制冷剂保持过冷状态，最后进入柱塞计量泵完成循环。实验系统通过低温载冷剂循环系统实现了对系统压力、温度和干度的控制。循环水与制冷剂在预热器、冷凝器和过冷器中进行换热，对 Ｒ290 进行加热或者冷却，使实验段的温度、压力和气液两相组分达到实验要求。低温水循环系统共分为 3 个支路，低温载冷循环系统由冷凝器、过冷器和低温制冷机组组成( 制冷机组包括涡旋式压缩机、冷凝器、板式换热器、乙二醇水箱、离心水泵、管路) 。乙二醇溶液作为载冷剂，最低温度可以达到－10 ℃，从乙二醇水箱出来的乙二醇溶液分别流向冷凝器和过冷器。通过调节进入套管式换热器中载冷剂的流量来保证换热器出口的Ｒ290 液体过冷度大于 5 ℃。数据采集系统主要是为了对实验过程中进行参数监测、采集、存储和实时显示以及数据分析，系统硬件主要由传感器、计算机以及采集仪构成。系统所需测试的温度、压力分别采用热电偶与电容式压力传感器获得，测试软件采用 VB 编制。由于实验中的干度、焓值等多个参数是基于其测量值导出，为了使实验结果获得较高概率的置信区间评定，依照规范对测量数据进行了不确定度的评定，如表 2所示。
制冷剂在预热器前为过冷状态，制冷剂在预热器中从过冷状态变化到饱和状态的温度由能量平衡方程算得，饱和后的制冷剂温度由饱和压力算得。
从图 2、图 3 可以看出，在不同管型的传热管内，管内换热系数随着质量流速和干度的增大而增大。且在干度较大的区域质量流速的影响比在干度较小区域更加明显。这是因为质量流速的增大导致管内液相流体和管壁面的相对流速增大，从而加强了流体和管内壁的对流换热。
在干度较小的区域，流体的主要形态为波状流和塞状流，但此时液相与壁面接触部分厚度较高干度区域更厚，产生的对流换热热阻也较大，且此时的气液交界面的扰动对换热的加强效果也较高干度区域小，因此低干度区域质量流速对传热影响较小。在干度较大的区域，流体的流态主要是环形流，液相随着换热过程的进行比例逐渐减小，接触部分厚度变薄，对流换热热阻减小; 气相占主要部分，且此时气液界面扰动也较大，气液间剪切力也随质量流率的增大而增大，使得液相与壁面接触部分厚度进一步减小，降低了换热热阻，强化了传热过程。通过观察图 4 和图 5 发现，管内凝结换热系数随着饱和温度的上升而逐渐减小，饱和温度的变化导致了Ｒ290 物性参数的变化，Ｒ290 液相密度随饱和温度上升而下降。而气相密度随着饱和温度的上升而上升，气液两相相对速度随之减小，进而使换热系数减小。
在干度较大的区域饱和温度对换热系数的影响相较于干度较小的区域更加明显。这是因为：在干度较小区域，流体的流型主要为波状流和塞状流，液相此时占主导地位，气液接触面积相较于高干度区域更小，且此时由于气液两相的相对速度较小，而减小的气液交界面扰动使换热系数下降幅度较小。在干度较大的区域，Ｒ290 流型主要以环状流为主，这时气相占大部分，气液两相对流换热占据主导地位，气液相对速度的减小使气液界面的扰动下降，一方面液相和管子内壁接触部分的厚度增加，另一方面气液两相的对流换热减弱，这使得管内的凝结换热系数下降幅度较低干度区域更加明显。如图 6 和图 7 所示，Ｒ290 在管内的凝结换热系数随着热流密度的增大而增大，且热流密度在干度较小的区域影响较大，在干度较大的区域影响较小，这是因为热流密度的增加，使得管内的液相和管壁之间的对流换热得到了加强，延缓了管子内部流型的变化。
在干度较小的区域，Ｒ290 液相占据主导地位，热流密度的增大延缓了环状流到分层波状流的转变，使液相和管子内壁接触部分厚度的增加速度放缓，环状流区域存在阶段时间增加，降低了管内的换热热阻，强化了管内换热。在干度较大的区域，Ｒ290 气体组分占主导地位，这时较大的热流密度延缓了成膜的时间，管内的换热系数有一定程度的下降，所以在较大热流密度工况下，存在最优的热流密度值使得管内换热效果最好。管型对换热系数的影响如图 8 和图 9所示，Ｒ290 在微肋管内凝结换热性能要比光滑管高，在相同的管径下，管内微肋增大了管内换热面积，同时也加强了气液界面的扰动，且在其他参数保持一致时，质量流速较低时，微肋对换热的强化效果要略高于高质量流率时。
在低质量流速下，Ｒ290 在管内部流动的液面在管子底部，而在螺旋微肋管中，由于惯性力作用，流体在肋管流道内流动时，虽然重力对其的影响仍然存在，但工质沿着肋槽有螺旋上升的趋势，因而使制冷剂工质较贴近管内上部，对液膜的形成较为有利。当质量流速较大时，较小干度区域肋管的强化传热效率要比较大干度区域高，这是因为干度较大的时候，质量流速也较大，气液两相的相对速度也较大，这时气相是主要的成分，管内主要是环状流和雾状流，同样管径下微肋管相较于光管换热面积大，且微肋增加了液相内部扰动，但也阻碍了雾状流向环状流的转变，使得管内换热系数下降。液相密度的降低也使得液相流速增大，气相流速减小，导致两相相对速度减小，进而影响管内换热系数。( 1) 在饱和温度及热流密度一定的前提下，随着质量流速的增大，Ｒ290 在 5 mm 光管和内肋管内凝结换热系数与质量流率及干度呈正相关关系，且在干度较大区域，质量流速对换热系数的影响更加明显。( 2) 在质量流率和热流密度一定的前提下，Ｒ290 在 5 mm 光管和内肋管内凝结换热系数随着饱和温度的上升而减小，且在干度较大区域，饱和温度对换热系数的影响更加明显。( 3) 热流密度对管内凝结换热的影响是间接的，质量流速和饱和温度不变，Ｒ290 在 5 mm 光管和内肋管内凝结换热系数随着热流密度的增大而增大，且存在最佳热流密度使Ｒ290 管内换热系数存在最大值。( 4) 在相同工况下，Ｒ290 在微肋管内的凝结换热系数均大于光管，在质量流速较低，干度较小的区域，微肋管的强化换热性能更优。
版权声明：本文内容节选自《５ｍｍ 小管径内R290凝结换热研究》（作者王皓宇，柳建华，冯光东，何 宽），内容有删减修改，版权归属原作者，内容由HETA小编编辑整理，转载请注明来源，侵权请联系删除。
