R290水平管内凝结换热和压降的研究现状

中图分类号： TH12 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.07.015Research on Condensation Heat Transfer and Pressure Drop of R290 inside Horizontal TubesNING Jing-hong，LIU Jing-kun(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China)Abstract： By analyzing the research on condensation heat transfer and pressure drop of R290 inside horizontal plain and en-hanced tubes，the result can be obtained that the heat transfer coeficient of R290 is higher than the ones of normal refrigerantsand the heat transfer coefficient of enhanced tubes is signifcantly higher than that of plain ones.Additionally，some typical cone-lations are listed and some suggestions are made for further study。

Key words： R290；plain tubes；enhan ced tubes；condensation heat transferl 前言为保护人类生态环境，制冷剂的发展经历了CFCs、HCFCs、HFCs、HCs及其它自然工质的变化过程。目前，制冷剂替代物的研究呈现多元化、区域化的发展趋势。R290具有优良的热力性能，价格低廉，兼容性强，臭氧消耗潜值为 0，全球变暖潜值很小，受到制冷空调工作者的广泛关注。

通常，对制冷剂的传热性能的研究主要有以下几方面：管内冷凝、管外冷凝、管内沸腾和管外沸腾。其中水平管内的凝结过程-直是研究者关注的内容。首先，管内凝结换热现象在工业中广泛存在，如制冷设备的冷凝器，化学工业中的各种凝结换热器等，而在上述这些设备中，管子采用水平布置又十分常见，因此选取水平方向作为研究方向。

针对 R290水平管内凝结换热的研究，有助于R290制冷系统换热设备的传热性能分析和结收稿日期： 2012-12-06 修稿日期： 2013-05-08构优化。诸多文献提供了 R290水平管内凝结换热的大量相关数据，并对其进行了理论分析，对后续研究工作具有重要的借鉴意义。基于此，这里对近年来有关 R290水平管内凝结换热的研究成果进行了系统的分析。

2 1290水平光滑管内凝结换热的研究Gursaran D.Mather(1998)对 R290管内换热系数进行计算，并和 R12、R134a管内凝结换热系数做了比较 J。计算结果表明 R290的凝结换热系数比R12、R134a要高很多，平均冷凝换热系数比R12高 200% ～233%，比 R134a高 177% ～187% 。

Nan和 lnfante Fereira(2000)研究了R290在光管、微翅管和格子管内凝结换热，并将试验结果与已有关联式做了比较 J。Neeras(2001)研究了1290和 R290/R170的管内凝结 J。

2013年第4l卷第7期 流 体 机 械 67Chang等 (2000)对 R290、R600、R600a和R1270等 HC类工质与 R22做了水平管内的凝结换热实验 ]，实验管径为 8mm，R22的质量流量为200-350kg/(m ·S)，HC类工质的质量流量为50～200 kg/(m ·S)，结果表明相同的质量流量下，HC类工质的换热系数较 R22高。并提出凝结换热关联式为： 0.023Re'。Pr[ AL (1)E1 Haja1 J等(2003)开展了关于R290等多种制冷剂的管内凝结换热研究 J。质量流量为 16～ 1532 kg/(m ·S)，管径为3.14-21.4mm，普朗特数Pr为0.02-0.8。研究者根据 Katan(1998)的沸腾换热模型，提出了适用于水平光管管内凝结换热的流型图改进模型，采取对数平均无因次参数方法，计算冷凝压力从常压状态到临界压力的蒸气空泡率 j。该方法还可以间接用于环状流的对数凝结模型。该模型成功预测了试验过程中观察到的流型，得出关联式，如下：c 等 Thome J R等(2003)在简化流型结构基础上，提出了基于水平管内凝结换热的通用模型。

局部凝结换热系数的通用表达式为 J：， (21- ) ，。、- - - - - j0.728[ p(p-Pv)gh A d(。 - ) 0.003 0 (5)该模型包含了气液横截面粗糙度对凝结换热的影响，可用于预测环状流、层状流、雾状流等。

在质量流量 24～1022 kg/(m ·s)、干度 0.03-0.97、对比压力0.02-0.80与内径 3.1-21.4mm的条件下，与R290等 l5种流体的试验数据做了对比验证，结果表明85%碳氢化合物的试验数据的预测偏差在 ±20%以内，全部数据有 75%的预测偏差在 ±20%以内。

Beageois(2004)研究了 R290和丁烷在光滑管和微翅管的管内凝结。作者将实验数据与现有的多种预测纯制冷工质凝结的方法作比较 J。

对 R290在光管内的凝结，CavMlini(2003)关联式比试验数据高出30%[9 3，Thome(2003)关联式与R290的试验数据很相符 7 3，Chang(2000)的关联式最精确 。

Thonon(2005)比较了多种烷烃的凝结换热系数。在相似的运行条件下，烷烃的换热系数比1t22要高 。

Wen等(2006) 对热流密度为5.2 kW/m 、质量流量为 205～510 kg/(m ·s)条件下的R290、R600和 R290/R600与 R134a在水平蛇形管内的凝结换热进行对比试验，结果表明 R290、R600和R290/R600的换热系数分别比R134a高89%、155%和 124%，但压降也比R134a分别高36%、69%和 58%，如图 1所示 ，试验数据与提出的关联式 Shah(1979)、Cavalini-Zecclin(1974)、CavMlini(2003)、Dobson-Chato(1998)和 Ffiedel(1980)作了对比 ， ]，在这些关联式中，Dob。

son-Chato(1998)预测结果最好 ，所有数据均在 ±20% 内，平均偏差为 12.8%。而在 Chang(2000)的论文中 J，Cavalini-Zecclin(1974)关联式最符合 ，Ffiedel(1980)关联式对压降的预测最好 。

宣逝H薹j亘图 1 试验数据和 Ffiedel关联式计算值的比较Ho-Saeng Lee等 (2006)对 R290、R1270和R600a水平管内的凝结换热进行实验 。实验管径为 12.7mm和9.52mm，饱和温度 35～45℃，质量流量62-150 kg/(m ·s)，R600a；150～300kg/(m ·s)，R290和 R1270。研究结果表明：在相同的质量流速条件下，HCs的换热系数至少比R22高31%，其中R290的换热系数比1t22分别高37.8%(管径为 12.7mm)，36.3%(管径为9.52mm)。而压降则比R22高50%左右。所得换热系数与原有关联式做了对比，误差约为20%，其中Cavalini-Zecclin(1 974)关联式符合最好 。

Cavalini等 (2006)通过已有数据库ⅢJ，提68 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，2013出了能够预测 HCFCs、HFCs、HCs、氨和水在水平光滑管内的凝结换热系数的关联式，形式如下：不受△ 影响的流型(JG> )： AOtLOI 11.128Xn 70( )n 85×( ) (1-譬)。· Pr 。l(6)受△ 影响的流型(J。≤J )： a ( )。- 删 ( ) (7)-o-725 .74 ( ) 。 ]× 二 r L/.edi△ J(1- 啷)oL0 (8)Akio.Miyara回顾了R290等烷烃类制冷工质的管内凝结研究，发现对于管内凝结，光滑管的换热系数与原有的氟利昂制冷剂关联式符合的很好u 。对水平管内凝结，换热可以通过 Nusselt理论得到很好的解释。

Ki-Jung Park(2008)研究了 R1270、R290，二甲醚，异 丁烷 和 R22在 内径 为 8.8mm，长530mm的光滑铜管内的凝结换热和压降 ，饱和温度为 40±0.2℃，质量流量为 100/200/300 kg/(in ·S)，热流密度为7.3～7.7kW/m ，干度 0.1- 0.9。研究发现，当质量流量为1X00 k (m2·s)时，R：290的换热比 R22高 4.7%；当质量流量为200 ks/(m ·S)，R290的换热系数比R22高33。

6%；当质量流量变为300 ks/(in ·S)时，R290的换热系数比R22高53.3%。并将试验数据与Ak-ers(1959)，Cavalini-Zecchin(1974)，Traviss(1973)，Shah(1979)和 Dobson(1998)，Jung(2003)作了对比 ，结果如图2所示。

50，- 、0堡- 50I1.Al3.D(I97卤嘲2 3 li 嘲7- 愚 錾徭图2 多个换热关联式与试验数据的偏差其中 Jung(2003)关联式与试验数据最相符 ，MD(mean deviation)为 11.5%，对 R290，AD(average deviation)为 7.9%，MD为 11.8%。

Jung(2003)基于烷烃制冷剂的试验数据 ，提出了凝结换热的关联式为：h，0.023Re pro (9)A.S.Pamiran(2010)研 究 了 R290、R22、R134a、R410A和 R744在内径为 0.5、1.5和3.0mm水平不锈钢管 内的两相流型转换和压降特性 。热流量为5-4OkW/m ，质量流量为50-600kg/(in ·s)，饱和温度为0-15cC。并对质量流量、热流量、饱和温度及管径对制冷工质压降的影响作了分析。作者将试验压降与已有的压降关联式做了比较，其中Steiner(1993)与试验所得空泡率最符合。Steiner(1993)关联式为 ]： (x/p )/[10.12(1- )]( ) 、 、pg pf( )( )[go- p，) )(10)而 Beatie和 Whaley(1982)的预测压降与试验数据的均差最小，为22%2 。

Ho-Saeng Lee(2010)测试了 R290、R600a、R22和 R134a在冷凝温度为 40% ，内径为10.O7、7.73、6.54和 5.80mm双管换热器内的凝结换热系数♂果表明：R290和 R600a的平均凝结换热系数比R22和 R134a要高，而且随着管径的减小，烷烃制冷剂的换热系数越高。其中，R290凝结换热系数在不同管径内随干度的变化，如图3所示。

图3 R290局部换热系数随干度的变化而压降按大小顺序依次为 R600a、R290、R134a和 R22。相对于 10.07mm内径，5.80mm内径管的压降升高比例依次为 R600a为6% -15%，R290为9.8% -12.5%，R134a为4.3% -6.7%和 R22为2.1% -4.6%。研究人员还将试2013年第 4l卷第 7期 流 体 机 械 69验数据与已有关联式 Haraguchi(1994)[27 2，Cava1。

1ini-Zecchin(1974) ，Traviss(1973) ，Shah(1979) 和 Dobson(1994)[28 3做了对比，其中Cavalini-Zecchin与内径为 10.07和7.73mm的试验数据最符合 ，Dobson(1994)与管径为5.80ram的试验数据相符 引，Haraguchi(1994)与测试的所有制冷剂在所有管径的试验数据吻合的非常好 ，平均偏差为 10.85%，如图4所示。

90o 4.5 9ho.. p[kW/(m ·K)图4 试验换热系数与 Haraguchi关联式的比较Cavalini(2012)测试了 R290在 40℃的饱和温度下 J，内径为0.96mm的水平微管内的凝结换热系数。研究发现：随质量流量的下降，不确定度增加：在测试范围内的最大质量流速下，不确定度低于5%，而在最低质量流速、低干度条件下，不确定度将增长到 10%。并将试验数据和预测模型进行了对比，发现 Moser(1998)关联式比试验数据平均高出10%[3o 3，而当质量流量等于或高于 200kg/(in ·s)时，Cavalini(2006)关联式预测值比试验数据高出 15%17]。另外还将 Kim(1996)在 8mm光管内测得的 R290凝结换热数据和模型做了对比 ，结果显示模型比数据高出10%3 R290水平加强管内凝结换热的研究在过去的3O年中，通过使用微翅表面来加强管内凝结换热已经变得非常普遍。自从 1977年Fujie发明开始，微翅管由于其巨大的强化换热效应受到了广泛的关注。

Kedzierski和 Kim(1997)进行了 R290、R12、R22和 R134a等9种制冷工质在内置扭转带的管内凝结实验 。通过测得的 2253个数据，得出了新的换热关联式为：： 0.001365S m Pr0聊 。 。 2x×(-log10P，) 龇 4· 0· 。 (11)Ⅱ Cavalini等(2000)指出3 ，微翅管比相同管径的光滑管的换热要加强80% ～180%，而压降也会增加 20% ～80%。而带十字沟槽管 比微翅管的换热性能要高出25% ～30%，而压降仅比微翅管高6%-10%。换热和压降的加强-部分是由于有效换热面积的增加，-部分是由于微翅片增加了液膜的扰动。并提出了适用于低翅片管、微翅管和交插槽管的换热关联式，测得的 1709个数据与预测值的平均绝对偏差约为35%。

Park(2005)的研究表明铝扁平管内的 R290的凝结换热性能优于 R22、R134a 。

Neeras(2001)和 Beaugeois(2004)对 R290的管内研究表明3 J，Cavalini(2003)提出的微翅管内凝结换热关联式精度很高 ，R290试验数据与预测值的平均偏差为 3%，绝对偏差为 24%。

Field和 Hmjak(2007)测试了 R290、R134a、R410A和 R717在当量直径 148.0 m的矩形管内凝结 。 。

Thonon和 Bontemps(2002)研究了 R290、丁烷、戊烷和 R290/丁烷混合物在紧密焊接换热器中的凝结现象 ，基于膜状凝结并引入了几何特征的相关项，提出新的换热关联式。几何特征的作用表现为液相的换热系数 OtLO。由等效雷诺数计算得出的结果比由液相雷诺数m 计算得出的结果更好。新关联式与3种纯工质的测试结果符合得很好，80%的数据预测偏差在 ±20%范围内。

Cavalini(2009)提出了-种新的计算方法来计算螺旋微翅管的换热系数 ，该模型基于几个独立研究小组进行的制冷工质不同微翅管内凝结所测得的 3l15个试验数据(包括 R32、R123、R125、R410A、R134a和 R507A。换热模型考虑了- 个简单的流型划分，分为与高蒸气剪切力相关的、不受△T影响的环状流和受 △ 影响的波状分层流。该准则通过在 ，。- 图引入从加强管中获得的新 的流型转换线，修正 了 Cavalini(2006)提出的光滑管计算方法 J，计算结果与试验数据的平均偏差为 3.2%，绝对偏差为 16.5%，标准误差为 21.9%。

Cavalini(2012)将Cavalini(2009)预测值与70 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，2013Field和 Hmjak(2007)所 得试 验 数据 做 了对比 凹 ，发现Cavalini(2009)对 R290管内凝结的压降预测平均偏差在 2O%范围内 。 。

4 结语R290作为新型环保制冷剂，得到了广泛的关注和深入的研究。相关的研究文献表明，对 R290在水平光滑管内凝结，换热系数与已有的从氟利昂制冷剂获得 的关联式符合的很好。而关于R290在水平强化管内凝结的相关试验数据还较为缺乏。

对水平管内凝结，光管的换热可以从 Nusseh理论获得很好的解释。然而，强化管则表现出了不同的特性，需要进-步深入研究：(1)继续开展多种工况下的 R290水平光滑管、强化管内凝结换热试验，获取更多的实验数据，并与已有的换热关联式进行比较，得出 R290水平光滑管和强化管内凝结换热的关联式；(2)对 R290水平管内凝结换热过程采壬视化方法，观察流型变化特征，为深入研究其凝结换热机理提供依据。