不同制冷剂在空调冷凝器内换热性能的比较

冯永斌,晏　刚,钱文波,张　敏,陶　锴

(西安交通大学,陕西西安　710049)

    摘　要：通过建立空调换热器分布参数模型,并对模型进行了验证,进而对R22替代制冷剂R32、R410A、R407C和R290在翅片管冷凝器进行了研究,分析了不同迎面风温和风速下冷凝器的流动和传热规律。研究表明:在一定的条件下,无论增加迎面风温或风速, R407C单位面积换热量,压降和质量流量最大;R290和R32压降和循环质量流量均小于R22;R410A虽然压降较小,但循环流量大;R290循环质量流量较R22小40%左右,且R290换热温差较小,换热系数较高。

    关键词:　制冷剂;翅片管冷凝器;迎面风温;迎面风速;压降

    中图分类号:　TK05　　　　文献标识码:　A　　　　do:i 10. 3969/.j issn. 1005-0329. 2009. 12. 015

    文章编号:　1005—0329(2010)01—0055—06

    1　前言

    翅片管换热器在制冷和空调系统中得到广泛的应用。由于流路、管型、翅型、风速场、两相流型、制冷剂种类以及运行工况等的复杂性,对翅片管换热器的试验研究显得相对耗时且昂贵。翅片管换热器的模拟研究在缩短研究周期和节约资金上是一种行之有效的手段。基于这点,许多学者做了大量研究。

    Domanski等人优化了6种制冷剂R22、R600a、R134a、R32、R410A、R290蒸发器的流程,分析了优化的蒸发器流程对系统性能的影响[1]研究表明高压制冷剂较低压制冷剂获得较好的系统性能,且可使系统性能提高11. 7%。Liang等人研究R134a制冷剂在复杂流路下蒸发器和冷凝器的性能,研究表明:对于蒸发器和冷凝器来说,制冷剂侧和空气侧的热阻基本相当;对于复杂流路改变制冷剂的质量流率可以提高换热器性能;相对传统流路设计,合适的复杂流路设计可以减少5%的换热器面积[2、3]。Byun等人对比分析了R22、R134a和R410A在翅片管蒸发器的换热性能,研究表明R410A较R22和R134a具有较高的换热性能且具有较低的传输压降[4]。目前,涉及不同替代制冷剂在冷凝器内性能的合理比较分析尚缺。

    本文通过建立空调换热器分布参数模型,分析比较不同制冷剂在同一翅片管冷凝器内的流动和换热规律,旨在寻求现有空调制冷剂R22的最佳替代工质。

    2·模型及研究对象

    2. 1　冷凝器模型

    针对空调翅片管换热器建立了分布参数模型。该模型将换热器划分为若干个控制容积,模拟时假定工况稳定,管内制冷剂沿轴向作一维流动且轴向及翅片间无导热,管外空气垂直于翅片管且沿翅片一维均匀分布,忽略翅片和管间的接触热阻。每个控制容积包含制冷剂、空气侧,对每一微元控制容积建立守恒控制方程。

    2. 1. 1　制冷剂侧控制方程

    质量守恒方程:

    模型的准确预测还依赖于精确的换热和压降关联式。Lee等人研究了不同制冷剂R22、R290、R600a等在水平管下的冷凝换热性能,对比分析了不同关联式,研究表明Cavallini关联式相对具有较高的准确性[5、6]。该关联式也被Hwang等人理论和试验所证实,该研究涉及制冷剂R410A、R290和R404A[7]。Lee等人基于Cavallini冷凝换热关联式理论和实验研究了R22和R407C的冷凝换热性能[8]。因此,本文两相区冷凝换热也采用Cavallini关联式[6]。单相区传热采用Dittu-Boelter关联式;制冷剂在单相区压降采用Bla-sius关联式;两相区的压降采用Müller-Stein-hagen关联式[9];U型弯头单相与两相区的局部压降分别采用Chisholm和Idelchik关联式[10、11]。

    2.1.2　空气侧控制方程

    空气侧换热量计算采用NTU-ε方法:

    空气侧换热系数采用Wang关联式[12]。空气侧压降采用Wang关联式[12]。空气参数基于ASHRAEHandbookData[13],制冷剂热物理性质采用REFPROP源程序[14]。

    2. 2　模型验证及研究对象

    为了验证模型的准确性,本文采用Lee等人的冷凝器和试验数据,以制冷剂R22和R407C为例,基于空调工况,采用该文献相同结构参数的U型和Z型单回路冷凝器进行了验证,结果表明冷凝器模拟值与实验值相差在±10%内[8],如图1所示。可见,本文建立的空调冷凝器分布参数模型具有一定的准确度。

    为了着重研究空调替代制冷剂在翅片管换热器的流动和换热性能,基于同一典型空调流路布置进行分析。换热器流程布置如图2所示,采用单回路U型和Z型,且换热器几何结构参数完全相同(见表1)。本文以U型单回路、天窗型翅片结构换热器为研究对象进行分析;对于不同翅片形状,只需更换程序对应结构参数,同样可以迭代计算。由于本文分析基于换热器单位面积换热量进行研究,所以计算结果并不影响其在不同冷凝器结构、不同翅片形状以下的结论[15]。

    不同制冷剂在制冷系统冷凝器内的约束条件如表2所示。在空调工况下,对于不同制冷剂,冷凝器进口温度和压力确定方法基于Casson[16]。

    冷凝器的进口压力和温度不仅会影响压缩机的功率,而且反应了冷凝温度;冷凝器的出口过冷度会影响冷量的大小,而且足够的过冷度更是系统稳定运行的必要条件。因此把冷凝器的出口过冷度作为冷凝器模拟的收敛条件。

    3　结果及分析

    3. 1　空气进口温度对换热器性能的影响图3为不同制冷剂冷凝器单位面积换热量随迎面风温的变化。虽然R290导热系数较R407C优越,但是R407C压降较R290大,所以相同压降时R407C平均换热温差较R290大,且平均换热系数基本持平,如图6、7所示。R407C气相比重较R32和R410A小,在相同流量下,导致气相流速增加以至于气液界面剪切力增加,传热得到强化,弥补了相对较小的液相导热值与潜热值。如图6、7所示:随着迎面风温的增加,单位面积换热量下降,冷凝器平均换热温差和平均换热系数均下降,换热恶化;R290具有较小的换热温差,较高的换热系数,有利于减小不可逆损失。

    图4为不同替代制冷剂质量流量随迎面风温的变化。

    随着迎面风温的增加,冷凝器单位面积换热量降低,需要减少制冷剂质量流量来满足冷凝器出口一定的过冷度。由于R410A和R407C潜热值较R22基本持平,而单位面积换热量较大,所以需要相对较高的循环质量流量。而R290和R32相对R22潜热值较大,同时液相比重较小,有利于降低充灌量,对应循环流量较小。当迎面风温为30℃时, R407C和R410A质量流量较R2质量流量高30%和8. 95%,R22质量流量较R3和R290高28. 81%和40. 57%。

    图5为不同替代制冷剂压降随迎面风温的变化。对于给定冷凝器出口过冷度,压降与气液相粘度比值和比重比值有关。R407C和R22粘度基本持平,但是循环质量流量较R22大,造成两相流速和相面剪切力增加,从而压降升高。R410A、R32和R290较R22有较小的粘度和循环质量流量,从而压降较小。当迎面风温为30℃时,R407C压降较R22高47. 21%, R22压降较R410A、R32、R290分别高25. 29%、48. 09%和25. 15%。

    3. 2　空气进口风速对换热器性能的影响

    图8为不同替代制冷剂单位面积换热量随迎面风速的变化。当风速为1. 5m/s时,以R22换热量为基准, R22单位面积换热量分别较R32、R290、R410A和R407C小13. 96%、6. 20%、15.50%和44. 96%。当风速增加两倍时,不同制冷剂平均换热系数增加30%左右,而平均换热温差增加10%左右。平均换热温差较平均换热系数变化缓慢,如图11、12所示;在满足换热量的条件下,不同风速下,R290同样具有较小的换热温差,较高的换热系数,可以降低系统不可逆损失。

    图9、10为不同替代制冷剂质量流量和总压降随迎面风速的变化。总压降增加主要由于一方面空气侧压降的增加;此外单位面积换热量的增加造成制冷剂循环质量流量增加来满足一定冷凝器出口的过冷度,制冷剂质量流量的增加造成两相流速和相面剪切力提升,从而总的压降增加。

    在一定的风速范围内, R290循环质量流量分别较R22、R407C、R32和R410A平均小40%、60%、19%和47%左右。当迎面风速为3. 5 m/s时,R407C压降较R22高91. 69%,R410A、R32和R290压降较R22分别小11. 55%、39. 72%和19.63%。

    4　结语

    通过建立空调冷凝器分布参数模型,并对模型进行了验证,分析了不同迎面风速和风温下不同替代制冷剂的流动和换热性能。研究表明:在一定的约束条件下,无论是增加迎面风速或风温,R407C单位面积换热量,但是压降和质量流量最大,且环保性能差;R290和R32压降和循环质量流量均小于R22;R410A虽然压降较小,但循环流量大,且环保性能差。R290循环质量流量均较R22小40%以上,且较R22换热温差小,换热系数高,换热过程不可逆损失小。在满足换热量的条件下,R290在协调压降与质量流量具有一定的优势且满足现行工质替代理念,可以作为现有空调制冷剂R22的环保型替代工质。虽然R290具有可燃性,但是随着换热器的微型化设计以及降低充灌量的研究,其在家用空调的应用前景值得看好。