《地源熱泵》基于R22與R410A的同軸換熱器性能分析

1、基于R22與R410A的同軸換熱器性能分析趙凱凱石景禎（杭州沈氏換熱器有限公司）摘 要： 本文針對同軸換熱器的結構、蒸發(fā)和冷凝的機理進行說明，并重點分析了不同 工質時蒸發(fā)和冷凝的性能。關鍵詞：同軸換熱器、蒸發(fā)、冷凝、螺旋槽紋管、杭州沈氏、1、引言20世紀是科技迅猛發(fā)展的時期，它見證了人類攻克許多困擾多年的技術難 題。20世紀初期，我們運用人工制冷手段以獲取更舒適的生活、工作環(huán)境。作 為制冷系統(tǒng)重要的部件，換熱器性能的提升無疑會為制冷系統(tǒng)性能的提升做出重 要貢獻，從而減輕環(huán)境的負擔。同軸換熱器因其在耐壓、防堵、安全等方面的杰出特點而被廣泛應用。因而 同軸換熱器在不同制冷劑中的性能如何備受大家的關

2、注。隨著R22逐漸退出歷史舞臺，大家自然關注同軸換熱器在 R410A下的表現(xiàn)如何。2、R22與R410A的物性對比物性R22R4I0A溫度滑移（C）0.4的實驗數(shù)據(jù)。Dongsoo等在飽和蒸汽溫 度為39C、壁面過冷度為38C的工況下，對R22、R407C和R410A在水平管 的實驗中得出：近共沸混合物R410A的冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在水平光滑管中比 R22 高11.0%17.4%; R410A的冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比Nusselt推算出的結果高11.4%17.7%; 比 Beaty 和 Katz 的推算結果高 8.1% 9.0%。4、R410A在同軸換熱器中的相變傳熱特性同軸換熱器通過螺紋槽管來增強

3、水側和氟側的擾動， 以達到強化水側和氟側 對流換熱的目的。通過Flue nt模擬計算螺紋槽管的傳熱系數(shù)比光管大 18.3%左右。 4.1R410A在同軸換熱器中的冷凝特性制冷劑在同軸換熱器內的冷凝過程不同于管內冷凝，也不同于管外冷凝。管 內冷凝（如圖1）的液體受自身重力的作用，沉積在管子的底部；管外冷凝（如 圖2）的液體則分布于管子的外壁而形成液膜。同軸換熱器的截面（如圖 3）是 一個不規(guī)則的環(huán)形面，其冷凝過程的前期液體少，類似于管外冷凝；冷凝的后期液體較多，液體開始受到外管的限制，此時與管內冷凝又非常相似。我們杭州沈氏換熱器有限公司研發(fā)部經(jīng)過理論模擬與大量的試驗，對影響該類換熱器傳熱的多個幾

4、何變量進行了深入的研究，已經(jīng)優(yōu)化整合出多個較佳的組合方案，使該類換熱器能揚長避短，綜合管內與管外冷凝的優(yōu)點，實測結果非常理想。圖1管內冷凝液膜分布圖2管外冷凝液膜分布圖3螺旋槽管結構圖4.1.1R22和R410A傳熱性能對比為了對比分析同軸換熱器基于 R22和R410A的傳熱性能，我們對六款樣品進行測試實驗。結果如下：表1冷凝換熱量測試數(shù)據(jù)樣品編號換熱量R22(kWR410ASS-0130GT4.766.0326.68%SS-0160GT7.649.321.73%SS-0240GT8.7211.0326.49%SS-0360GT10.6813.2624.16%SS-0430GT12.2415.

5、4726.39%SS-0480GT14.7517.7120.07%SS-0520GT16.4322.1634.88%注：測試工況同為進出水溫30/35C，冷凝溫度 40C,過冷度2C = （ R410A的換熱量-R22的換熱量）/R22的換熱量由測試數(shù)據(jù)可以看出 R22與R410A在同軸換熱器中的冷凝傳熱系數(shù)相差2030%，即R410A要比R22在同軸換熱器中傳熱效果好。4.1.2制冷劑側壓降對比:表2冷凝換熱流量與壓降測試數(shù)據(jù)樣品編號流量壓降（kPa）(kg/mi n)R22R410ASS-0130GT2.0066.9538.48-42.52%SS-0160GT2.91116.876.29-

6、34.68%SS-0240GT4.21144.23121.46-15.79%SS-0360GT4.2351.4836.04-29.99%SS-0430GT4.8094.3767.62-28.35%SS-0480GT5.3659.1543.47-26.51%SS-0520GT7.71135.9578.27-42.43%即相同流量下，R410A的壓降較R22小3040%。4.2R410A在同軸換熱器中的蒸發(fā)特性眾所周知，同軸換熱器作為蒸發(fā)器的性能普遍較冷凝器差，這與同軸換熱器特殊的內管結構有直接關系。同軸換熱器作為冷凝器時，其螺旋結構將冷凝液甩 出壁面，避免了液膜熱阻的產(chǎn)生從而強化冷凝傳熱。而作為

7、蒸發(fā)器是，蒸汽將液體和壁面隔開產(chǎn)生熱阻，降低了傳熱系數(shù)。目前杭州沈氏換熱器有限公司，已經(jīng)在模擬與試驗基礎上，解決了該問題；具有各幾何參數(shù)優(yōu)化組合方案的新系列產(chǎn) 品，正在逐步推向市場。盡管從前該類換熱器存在蒸發(fā)欠佳的問題，但 R410A還是比R22表現(xiàn)出優(yōu) 良的蒸發(fā)性能。以下是過去沒有進行幾何參數(shù)優(yōu)化組合前 R22與R410A蒸發(fā)傳 熱實測性能對比：表3蒸發(fā)換熱量測試數(shù)據(jù)樣品編號換熱量R22(kWR410ASS-01000GT3.064.133.99%SS-0150GT4.184.917.22%SS-0200GT4.746.2932.70%SS-0350GT7.7312.8466.11%SS-0

8、400GT7.1210.9153.23%SS-0450GT8.6213.3855.22%SS-0500GT10.2414.0837.50%注：測試工況同為進出水溫 12/7C，蒸發(fā)溫度2C，過熱度5C = （ R410A的換熱量-R22的換熱量）/R22的換熱量對于同一個同軸換熱器，R410A的蒸發(fā)傳熱系數(shù)較R22高30%60%。5、 結論R410A作為R22的理想替代物，其屬于近共沸混合物，相變過程中氣相和 液相濃度發(fā)生的變化微小，溫度滑移小于0.1C。正是由于R410A良好的熱物性, 使用R410A的同軸換熱器的冷凝及蒸發(fā)傳熱性能明顯優(yōu)于使用R22的傳熱性能。且使用R410A時的壓降也較小

9、。以R410A作為制冷劑來設計高能效機組時，采用同軸換熱器作為冷凝器和 蒸發(fā)器的優(yōu)勢將非常明顯。 此時同軸換熱器不僅傳熱系數(shù)高， 而且由于其壓降很 低，使所配機組整體能效得以更大提高。若以 R410A 設計常規(guī)機組，同軸換熱 器不僅體積小，節(jié)省空間；而且會提高該機組的能效水平。杭州沈氏換熱器有限公司的同軸換熱器， 其各方面性能已經(jīng)經(jīng)過優(yōu)化， 不僅 適用于R22制冷劑，使用R410A制冷劑效果更佳。在水地源熱泵的應用方面， 更是經(jīng)過大量的試驗與研究，并開發(fā)出全系列的專用產(chǎn)品。我們愿與水地源熱泵的各界同仁，為創(chuàng)造綠色和諧環(huán)保的社會共同努力。 參考文獻：1 Wijaya H ， Spatz MW Two-phase flow heat transfer and pressure drop characteirstics of R22 nad R32/125J.ASHRAE Trans， 1995， 101：1020-1027.2 Takeshi Ebi