R410a和R22平行流冷凝器变工况特性的比较

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R410a和 R22平行流冷凝器变工况特性的比较唐伟伟。胡益雄，朱德斌(中南大学，湖南长沙410083)摘 要： 对比研究了分别采用 R22及其替代工质 R410a的平行流冷凝器在室外变工况下性能的同异。通过建立平行流冷凝器的稳态分布参数模型，仿真研究了不同冷凝温度下R410a和R22的变工况特性，并引入质能比的概念对这两种工质的单位换热量所需制冷剂质量的多少进行了比较。仿真结果是 R410a和R22的换热量、制冷剂侧压降和制冷剂质量随工况和冷凝温度的改变具有的相似的变化趋势，且R410a具有较高的换热量和较低的压降；两者的质能比随进风温度和进风量的升高均呈基本-致的向上抛物线的变化趋势，且 R410的质能比低于R22∩以得出R410a与R22具有相似的变工况特性，适合替代R22应用于采用平行流冷凝器的汽车空调。并且R410a在传热、流动性能和降低制冷剂充注量方面均优于 R22。

关键词： 平行流冷凝器；R410a；变工况；充注量；压降；换热系数中图分类号： TH12；TK65 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-o329.2013.02.014Characteristic Comparison of Parallel-flow Type Condenser Using R410a and R22TANG Wei-Wei，HU Yi-xiong，ZHU De-bin(Central South University，Changsha 410083，China)Abstract： The performance of paralel-flow type condenser using R22 and alternative refrigerant R410a respectively under dif-ferent outdoor condition was compared.A mathematic model of steady distributed parameters is established to compare the per-form ance of heat transfer and flow of these two refrigerants，also introduce specifc charge to compare the refrigerant charge reduc-tion of these two ones.The simulation resuhs show that the variation trends among the heat capacity，refrigerant sideS pressuredrop and refrigerant mass of R410a and R22 are similar ，and R410a gets a higher heat capacity and lower pressure drop thanR22.Th e twoS specifc charge vary with increasing temperature and mass of inlet air like upwards parabola，and R410a gets alower value.In conclusion，R410a has similar characteristic under diferent operating condition with R22，and suitable to alter-n R22 applied to air-conditioning system equipped with parallel-flow type condenser.Besides.R410aS heat transfer perform-a/ice，flow performance and refrigerant charge reduction are beter than R22。

Key words： parallel-flow type condenser；R410a；diferent operating condition；refrigerant charge；pressure drop；heat transfereoefieient1 前言R22作为应用最广泛的HCFCs类制冷剂，由于其对臭氧层具有破坏作用，已被禁止使用，R410a是目前R22的重要替代工质之-，其替代研究已成为迫切需要解决的问题。已有学者对R410a和 R22在换热器中的传热和流动性能的进行过试验和模拟研究 J↑年来，平行流冷凝器因其结构紧凑、换热性能好和制冷剂充注量收稿 日期： 2012-08-06 修稿日期： 2012-12-26少，已在汽车空调领域得到广泛应用，并开始推广到商用和家用空调。目前已有不少学者对其进行了试验与仿真研究 。由于冷凝器直接与室外环境接触，尤其是对汽车空调来说，其性能受室外工况 的影响很大 J，因此有必要对 R410a和R22这2种工质在不同室外工况和冷凝温度下的性能的同异性进行研究。此外，由于 R410a和R22泄漏到大气中均会引起温室效应，所以在保证系统最大能效的前提下，应旧能降低制冷剂2013年第41卷第2期 流 体 机 械 67的充注量。国内外主要通过试验来研究制冷剂充注量，本文采用计算机仿真的方法研究分别使用R410a和R22的平行流冷凝器的充注量。另有国外学者引入质能比(制冷剂充注量/换热量)这个指标作为比较不同制冷制和换热器的制冷能力的准则 ]。本文亦引用这-概念来比较 R410a和R22在变工况和不同冷凝温度下的单位质量制冷剂的换热能力。

2 建立稳态分布参数模型本文选用流程布置为(24，1I，8)的平行流冷凝器，其扁管、百叶窗和翅片的结构与文献[5]采用的相同。沿制冷剂流动方向，按等长度将单个扁管进行微元段的划分，并根据微元段的换热平衡和制冷剂侧的质量守恒、动量守恒和能量守恒，建立冷凝器的稳态分布参数模型。为简化模型，首先作以下假设：(1)不考虑轴向传热，制冷剂在扁管内的流动为-维稳态流动。

(2)不考虑各个流道之间的传热，空气在流过壁面是没有横向掺混。

应用 Maflab 7.0对模型进行运算，仿真算法的设计与文献[12]相同。其中，制冷剂和空气的物性参数通过调用嵌人到 Matlab的 Refprop 7.0计算得到。

2.1 控制方程空气侧：Q 。Cp， ( ，。- ， )制冷剂侧：Q ，C ( ，i-rr，。)采用 -NTU方法来计算管内外的换热平衡：Q8C i ( . - . )对于单相区：占：1- NTUo.2. (- -·NTUexp exp C .7 ) 占 l- -- -- ( 。 ～- 1]-1对于两相区：占1-exp(-NTU)NTU UA/C iC i min(C1，C2)C- max(Cl，C2)C C mi /Cm。

2.2 空气侧换热模型空气侧使用的是波纹型百叶窗翅片，由于Kim和 Bulard通过大量试验得出的 因子关联式，其误差较小，且适用的百叶窗的范围广，故采用它计算空气侧的换热系数 。

jRe-0.487( l3(×c -。·23 每 。·6。 -。·27 c-n。5- Ⅳ- J - Re PrRe PaUaLp. 。

Ⅳ ：A2.3 制冷剂侧的换热和压降模型2.3.1 换热模型单向区的换热系数的计算采用误差孝使用最广的Gnielinsk半经验公式：鲁两相区换热系数的计算式采用Yang和Webb推荐的Akers关联式： .0265Re 。Prf1Re钾 DG叼/gzG G ( ) ]2.3.2 压降模型两相区压降包括相变引起的压降和摩擦压降，因相变引起的压降较小，故只考虑摩擦压降。

△P，单相区：0.0676Re两相区：68 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.2，2013f0.435Reeq 2f，Relq G，qD/2.4 制冷剂质量的计算冷凝器中制冷剂的质量通过对所有微元段的制冷剂制冷进行叠加得到。由于制冷剂在冷凝器中存在单相区和两相区，而两相区制冷剂的密度不能直接得到，必须先计算微元段的空泡系数。本文选择考虑滑动比的Premoli模型计算空泡系数。

E20.0273Wef0Ret-o。· (pf/p )。。·惦Relo GD/ tWef。G (即f)Y(1-卢)8 ： --- - 1 . 1- PlP微元段内的制冷剂质量为：dm P 此 其中 P p (1-仅)JDf式中 --空泡系数d --微元段的长度- - 扁管的水力直径逐段相加微元段内制冷剂的质量可得冷凝器的总的制冷剂质量。

Clodich和Plandre以及 Marvilet等人在减少制冷系统充注量的研究中提出质能比指标，用于比较不同制冷系统和制冷剂的单位制冷量所需制冷剂充注量的大小 ]。本文引入这-概念用于比较分别选用 R410a和R22的平行流冷凝器的换热能力。

3 结果与讨论考察汽车空调冷凝器在夏季工况运行，冷凝温度分别设定为50C和55C。根据长沙市的气象条件，冷凝温度为50℃时，日气的进口温度的变化范围(32-47C)，进风量变化范围为(1200～4700kg/h)，即空气流速在(1.172～4.5m/s)的范围内变化。制冷剂的质量流量维持0.06kg/s不变，冷凝器人口温度为75℃。平行流冷凝器的变工况特性的仿真结果如图 1～8所示 。

3.1 室外变工况和冷凝温度对冷凝器充注量的影响图 1和2分别示出采用 R410a和 R22的平行流冷凝器内制冷剂的质量随进风温度和进风质量流量变化的关系曲线。2种工质的质量随进风温度的升高而减少、随进风质量流量增大而逐渐增多。这是由于进风温度的升高，导致管内外的换热效果恶化，从而制冷剂液相的减少，使得制冷剂的质量也随之减少。此外，从图中可知，相同冷凝温度下，二者的变化趋势相同，而 R410a的质量高于It22。

咖1蜓蔟磊g箍30 40 50空气的进 口温度( )图 1 冷凝器的充注量随进风温度的变化l000 3000 50oo空气的进口质量流量(kg/h)图2 冷凝器的充注量随进风质量流量的变化3.2 室外变-r-L和冷凝温度对压降的影响2013年第41卷第2期 流 体 机 械图3示出进风量设定为4500kg/h时，冷凝器内制冷剂侧压降随进风温度的变化曲线；图4示出为当进风温度设定为35C时，压降随进风量的变化曲线。R410a和R22的压降均随着室外进风温度的升高逐渐上升，而随进风质量流量的增大而下降。该仿真结果与文献[5，6，8]所得结果-致。从图中可看出，R410a的压降受室外工况影响的变化趋势要比1t22的校在相同冷凝温度下，R410a的压降低于 R22。

山 世出肇 磊遨出窖罨 磊图3 制冷剂侧压降随进风温度的变化图4 制冷剂侧压降随进风质量流量的变化3.3 室外变工况和冷凝温度对换热量的影响图5、6分别示出采用 R410a和R22的冷凝器的换热量随进风温度和进风质量流量的变化曲线。换热量随进风温度的不断升高出现急剧下降，这是由于进风温度的升高导致管内外换热效果恶化的结果。随进风质量流量的增大，冷凝器换热量逐渐升高并趋于稳定值，这表明存在临界风速使换热量达到最大且旧能的减少风机的耗功。该仿真结果与文献[1，7]中的相同。此外，从图中还可知，二者受室外工况影响的变化趋势基本-致。相同冷凝器下，R410a的值高于1t22。

咖簇窖瞧衄1矮g稚空气的进口温度(℃)图5 冷凝器换热量随进风温度的变化图 6 冷凝器换热量随进风质量流量的变化3.4 室外变工况和冷凝温度对冷凝器质能比的影响图7、8分别示出采用 R410a和 R22的冷凝器的质能比随进风温度和进风量的变化关系曲线。由图可知，这两种工质 的质能比随进风温度和进风量的不断升高先减畜增大。存在-工况点使工质的质能比达到最佳。这是因为，冷凝器的制冷剂充注量和换热量随室外工况变化的趋势不-致。此外，在相同冷凝温度下，R410a和1t22的质能比均在同-工况点取得最佳值，且 R410a的质能比要低于 R22，即采用R410a的冷凝器其单位换热量所需的制冷剂质量比R22的低。

70 F ID MACHINERY Vo1.41，No.2，2013釜咖瞧g黯佥蚓g稚佥空气的进 口温度(℃)图7 冷凝器质能比随进风温度的变化空气的进口质量流量(kg/h)图8 冷凝器质能比随进风质量的变化4 结论(1)在相同运行条件下，R410a的换热量较高，产生的压降比R22低。并且R410a单位换热量所需的制冷剂质量比 R22的少。因此，R410a的传热、流动性能和降低制冷剂充注量方面均优于 B22；(2)R410a和R22的质能比随进风温度和质量流量的升高均呈现向上抛物线的变化趋势。因此在设计冷凝器时，应根据室外设计工况，来确定所需制冷剂的充注量和进风量使得冷凝器内的制冷剂的换热能力达到最佳；(3)随室外工况的变化，R410a和 R22的换热量和压降的变化趋势相似，R22的变化稍为剧烈；而二者的制冷剂质量和质能比随工况的变化趋势基本-致。由此可知，R410a很适合替代R22应用于汽车空调方面。