R410A-润滑油混合物在5mm水平强化管内流动冷凝换热和压降特性研究

论文摘要

环保制冷剂R410A为近共沸混合物,温度滑移微小,具有优良的传热特性和流动特性,是R22的理想替代物。采用小管径换热管是降低R410A空调蒸发器成本和改善能效的重要手段之一。目前外径为5.0 mm的小管径换热管正在被广泛地应用于R410A空调冷凝器,且有采用更小管径换热管的趋势。润滑油的混入增加了R410A在这类换热管内流动冷凝换热的复杂性。如何计算R410A-润滑油混合物在小管径换热管内的流动冷凝换热系数和压力损失,定量评价润滑油的混入对冷凝器换热管内换热与压降性能的影响,对于设计开发紧凑式冷凝器,促进小管径换热管的工程应用,推动环保制冷剂R410A替代R22的进程,具有重要价值。本文采用实验和理论相结合的方法,通过实验研究,分析了R410A-润滑油混合物在5 mm强化管内的流动冷凝换热特性和压降特性;在实验研究基础上,开发了R410A-润滑油混合物在强化管内的冷凝换热关联式与压降关联式;基于R410A-润滑油混合物在单根换热强化管内沸腾和冷凝关联式,分析了齿高对于换热器性能的影响。研究的主要工作与结论如下:（1）在上海交通大学已有R410A-润滑油混合物管内流动沸腾换热和压降特性的实验系统的基础上进行改造,搭建了R410A-润滑油混合物管内流动冷凝换热和压降特性的实验系统。（2）对R410A-润滑油混合物在5 mm水平强化管内的流动冷凝换热特性进行了实验研究。研究结果表明,在所测试工况内,R410A-润滑油混合物的换热系数随质流密度的增大而增大;在不同的质流密度工况下,纯制冷剂R410A的换热系数随干度的减小而减小,而R410A-润滑油混合物的换热系数随干度的增大先增大,在干度为0.7左右时达到最大值;干度大于0.7时,换热系数随干度的增大而下降。在油浓度为1%的大部分工况下,换热系数与无油工况下相差不大,可以认为油的影响忽略不计。而在油浓度3 %和5 %工况下,油的存在恶化了换热,换热系数下降了9.3 %～36.5 %。基于混合物性开发了适合R410A-润滑油混合物在5 mm水平强化管内流动冷凝的换热关联式,新关联式的预测值与92 %的实验数据误差在±20 %以内,平均误差为6.7 %,最大误差为34.5 %,所拟合的新换热关联式和实验数据具有较好的一致性。（3）对R410A-润滑油混合物在5 mm水平强化管内流动冷凝的压降特性进行了实验研究,研究结果表明,对于纯制冷剂R410A和R410A-润滑油混合物,5 mm强化管内的摩擦压降随着质流密度和干度的增大而增大;对于R410A-润滑油混合物,油的存在对混合物的摩擦压降的影响与干度有很大关系,中低干度时会减小压降,而高干度时会增加压降。在中低干度工况下,当平均油浓度从0%增长到5%时, R410A-润滑油混合物的摩擦压降最大可减小29%;在高干度工况下,当平均油浓度从0%增长到5%时,R410A-润滑油混合物的摩擦压降最大可增加8%。基于混合物性,开发了适合R410A-油混合物在5 mm水平强化管内流动冷凝的压降关联式,新的压降关联式预测值与91%的实验数据的误差在±20%以内,平均误差为-1.86%,与压降实验值具有较好的一致性。（4）根据已有的5 mm水平强化管内流动沸腾换热和压降关联式,以及新开发的5 mm水平强化管内流动冷凝换热和压降关联式,分析了5 mm水平强化管的齿高对于制冷系统性能的影响,给出了强化管的内螺纹齿高设计的推荐值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 R410A-润滑油混合物管内冷凝流动换热与压降特性的研究现状
• 1.2.1 纯制冷剂R410A 管内流动冷凝换热和压降的研究现状
• 1.2.2 制冷剂-油混合物管内流动冷凝换热和压降的研究现状
• 1.2.3 强化管结构对换热和压降特性的影响
• 1.4 目前研究工作的不足
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 实验装置和测试方法
• 2.1 实验对象及内容
• 2.2 实验原理
• 2.3 测试段制作方法
• 2.4 详细水冷装置的设计
• 2.4.1 套管形式
• 2.4.2 预冷段、测试段和实验段后置过冷段套管设计
• 2.4.3 预冷段，测试段和实验段后置过冷段套管保温计算
• 2.5 实验参数控制
• 2.5.1 制冷剂质量流量的控制
• 2.5.2 润滑油质量流量的控制
• 2.5.3 制冷剂－油混合物冷凝压力的控制
• 2.5.4 测试段入口制冷剂－油混合物干度的控制
• 2.5.5 冷却水回路换热量的控制
• 2.6 参数测量方法
• 2.7 参数测量的范围和精度
• 2.7.1 温度测量
• 2.7.2 压力测量
• 2.7.3 流量测量
• 2.7.4 实验段测量点制冷剂干度
• 2.7.5 冷凝换热量和室内机后置加热段功率
• 2.8 误差分析
• 2.8.1 换热系数的误差表达式
• 2.8.2 计算热流密度的误差
• 2.8.3 内壁面温度的误差
• 2.8.4 计算制冷剂温度的误差
• 2.8.5 计算 R410A 的换热系数误差
• 2.9 本章小结
• 第三章 实验数据导出
• 3.1 泡点温度的计算
• 3.2 混合物物性的计算
• 3.3 测试段实验数据的获得
• 3.3.1 换热系数实验数据的处理
• 3.3.2 摩擦压降实验数据的处理
• 3.4 本章小节
• 第四章 R410A-润滑油混合物在5 mm 水平强化管内的流动冷凝换热特性分析与关联式开发
• 4.1 R410A-润滑油混合物在5 mm 水平强化管内的流动冷凝换热特性分析
• 4.1.1 干度对换热系数的影响
• 4.1.2 质流密度对换热系数的影响
• 4.1.3 平均油浓度对换热系数的影响
• 4.2 换热关联式的开发
• 4.3 本章小节
• 第五章 R410A-润滑油混合物在5 mm 水平强化管内的流动冷凝摩擦压降特性分析与关联式开发
• 5.1 R410A-润滑油混合物在5 mm 水平强化管内的流动冷凝压降特性分析
• 5.2 压降关联式的开发
• 5.3 本章小结
• 第六章 5mm 管换热器设计中换热与压降的综合考虑
• 6.1 齿高对总换热系数的影响
• 6.1.1 齿高对管内换热系数的影响
• 6.1.2 齿高对管内换热面积的影响
• 6.1.3 结论
• 6.2 齿高对平均换热温差的影响
• 6.2.1 齿高的改变对管内压降的影响
• 6.2.2 结论
• 6.3 系统设计中齿高的最优值分析
• 6.3.1 假设和初始计算条件
• 6.3.2 算法设计
• 6.3.3 计算结果和分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 符号与标记（附录1）
• 致谢
• 作者在攻读学位期间论文发表情况