R404A和R410A应用于平行流冷凝器的模拟分析比较

R404A和R410A应用于平行流冷凝器的模拟分析比较阚 杰1) 郝 亮1) 李 涛1) 李 强1) 袁秀玲1) 董晓俊2)1)(西安交通大学) 2)(大冷王运输制冷有限公司亚洲技术中心)摘 要 采用分布参数法对平行流冷凝器建立数学模型,对目前广泛使用的制冷剂R134a和低温制冷剂R404A和R410A在平行流冷凝器中的换热和流动性能进行模拟计算和分析比较。

分别在相同和不同工况下,比较3种制冷剂的换热系数及压降等换热和流动性能参数。

结果表明,在采用平行流冷凝器的汽车空调工况范围内,R410A和R404A的流动和传热性能均优于R134a,更适宜用于汽车空调用平行流冷凝器。

关键词 平行流冷凝器 R134a R404A R410A 换热系数 压降The simulation analysis and comparison of R404A and R410A inparallel flow type condenserKan Jie1) H ao Liang1) Li T ao1) Li Q iang1) Yuan Xiuling1) Dong Xiaojun2)1)(Xi an Jiaotong U niversity)2)(Technique Center of T hermo King T ransport Refrigeration Co.,Ltd.In Asia)ABSTRACT Derives the m athematic model of distributed parameter for parallel flow type condenser.Carries out the simulation and analysis of the heat transfer and the flow characteris tics using the refrigerant R134a,the new refrigerant m ix ture R404A and R410A in parallel flow type pares the heat transfer and flow parameters(heat transfer coefficient and the pressure drop etc.)for these three refrigerants under both the same and different oper ating conditions.The results show that under the operating conditions for the automobile air conditioning,R410A and R404A have better flow and heat transfer performances than R134a. R410is even better than R404A in the heat transfer and flow performances,so as the new re frigerant mix tures using in the m iddle and low temperatures,R410A is more suitable for using in the parallel flow type condenser.KEY W ORDS parallel flow type condenser;R134a;R404A;R410A;heat transfer coeffi cient;pressure drop平行流冷凝器是在汽车空调工质替代的发展过程中产生的。

它是一种紧凑式换热器,主要由多孔扁管和波纹型百叶窗翅片构成,与管片式和管带式冷凝器相比有结构紧凑、流动阻力小、换热效率高等优点。

平行流冷凝器的扁管是每根截断的,两端有集流管,依据集流管分不分段,又可分为多元平行流式和单元平行流式。

目前汽车空调制冷系统所使用的制冷剂R12,由于其ODP值和G WP值过大,已被国际上列为禁用的CFC物质,R22作为短期替代工质很快也将被禁用。

R134a作为一种较为理想的长期替代工质,已在很多制冷设备中得到广泛应用。

但第7卷 第1期 2007年2月制冷与空调REFRI GERA T ION AN D AIR-CON DIT I ON ING56 60收稿日期:2005 09 29通讯作者:阚杰,Email:kj28403@stu.x j R134a的标准沸点仅为-26.07,限制了其在低温下的应用。

随着近几年混合工质研究的深入,出现了多种适合作为替代制冷剂的混合工质。

R404A和R410A就是其中的两种近共沸混合制冷剂,它们的临界温度分别为72.1和72.5,属于中低温制冷剂。

R404A(R125/R143a/R134a,质量分数为44%/52%/4%)的ODP为0,G WP为0.94,而R410A(R32/R125,质量分数为50%/ 50%)的ODP为0,G WP仅为0.29。

二者都有很低的标准沸点(R404A为-46.56,R410A为-51.6),且温度滑移小,很适合作为R22的长期替代物。

笔者针对平行流冷凝器建立了数学模型,对R134a和R404A,R410A应用于平行流冷凝器的传热和流动性能进行了模拟比较研究。

1 数学模型1.1 基本假设!空气和制冷剂侧各参数不随时间变化,换热器工作在稳定工况下;∀扁管各流道内制冷剂流量分配均匀,并具有相同的温度和压力分布;#忽略不凝性气体和润滑油对换热的影响,忽略重力对换热和压降的影响;∃冷凝器内制冷剂流动简化为一维流动,制冷剂蒸汽和液体均不可压缩。

1.2 控制方程根据以上假设,沿制冷剂流动方向按一定长度划分微元,取其中一个微元为控制体,对该控制体运用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,即可写出其控制方程,建立其数学模型。

空气侧:m a=d h ad yd y=o A oc p a(h a-h s)(1)制冷剂侧:(u)x=0(2)(u2)x=- px+p Fx(3)(uh) x=A tAr(T w-T r)(4)式中:p F为摩擦压降; o为管外换热系数;A o为扁管外表面积;h s为空气温度为壁温时的比焓;A t为管内传热流动表面积。

下标:a为空气,r为制冷剂。

2 换热系数、压降和热物性的计算平行流冷凝器中采用非圆截面通道和较小水力直径的多孔扁管,加上所用工质不同,其传热规律和流动阻力与大直径传热管内的流动和换热情况有很大的不同。

因此,常规换热器的传热和流动关联式不能直接应用于平行流式冷凝器上。

制冷剂在管内的冷凝换热经历了过热区、两相区、过冷区3个阶段。

过热和过冷两个单相区的冷凝传热系数采用经典的Dittus Boelter公式[1],压降公式采用Blasius摩擦因子关联式[2]。

两相区的冷凝传热系数和压降公式采用C.Y.Yang和R.L.Webb 推荐的冷凝传热系数关联式[3]和摩擦因子关联式[2]。

平行流冷凝器空气侧采用波纹型百叶窗翅片,能有效破坏空气流动边界层,增加扰动,强化换热。

空气侧的传热系数和压降公式采用Devenport通过大量实验得出的传热因子j关联式和摩擦因子f关联式[4]。

R134a,R404A和R410A的热力性质和迁移性质均采用制冷剂物性计算软件REFPROP提供的FORTRAN程序源代码计算。

3 结果及讨论3.1 各种参数随相对管长的分布为了分析和比较3种制冷剂在平行流式冷凝器中的流动和换热性能,采用以下工况进行计算:冷凝器进口制冷剂温度为65,冷凝温度为50,过冷5,进口空气温度为35,风速为5.0m/s。

图1~图7是冷凝器中换热系数、热流密度、压降梯度、制冷剂平均流速以及温度分布随相对管长的变化曲线。

由于模拟计算中的冷凝器为多元平行流冷凝器,共分5个流程,前2个流程管数相同,而后3个流程管数依次减少,导致在相对管长为0.4, 0.6和0.8时各种参数都有3个阶跃的变化。

图1是制冷剂侧冷凝换热系数随相对管长的变化曲线。

在过热区,R404A的换热系数最大, R134a最小;而在两相区和过冷区中,R410的换热系数为最大,R404A次之。

图2为冷凝器的传热热流密度随相对管长的变化曲线。

传热热流密度主要是由传热系数和传热温差决定的,过热段虽然制冷剂的传热系数小,但却有很大的传热温差,导致其热流密度也很大。

随着相对管长的增加,热流密度迅速减小,在两相段和过冷段的传热温差都很小,因%57%第1期 阚 杰等:R404A和R410A应用于平行流冷凝器的模拟分析比较此热流密度的变化趋势和传热系数相同。

从图1和图2可以看出,在同样的运行工况下,R410A有最好的换热性能,R404A次之,R134a最差。

图1 管内制冷剂换热系数随相对管长的变化图2 冷凝器传热热流密度随相对管长的变化图3和图4分别是制冷剂压降梯度和平均流速随相对管长的变化情况。

R404A和R134a的压降梯度相差不大,过热区R134a的压降梯度较大,随着相对管长的增加,在过冷区R404A的压降梯度超过了R134a,而R410A的压降梯度始终保持在一个较小的范围内。

在过热段R134a的流速最大,R410A最小,进入两相段后3种制冷剂的流速均迅速下降,最后基本稳定下来,R404A最大, R134a最小,但总体而言三者的平均流速相差不大。

在几乎相同的制冷剂流速下,R410A的压降梯度最小,具有三者中最好的流动性能。

由于后3个流程管数依次减少,其流动截面积也随之减少,因此制冷剂平均流速依次有所提升(如图4),而制冷剂的压降梯度和制冷剂侧的换热系数也分别有所增大(如图3和图1中的3次阶跃上升),这正是多元平行流冷凝器的一个显著特点。

虽然换热系数和压降都有所增加,但由于压降整体变化不大,因此其性能还是有所提高的。

图3 制冷剂压降梯度随相对管长的变化图4 制冷剂平均流速随相对管长的变化图5~图7是平行流式冷凝器内的温度分布曲线。

由于冷凝器的传热热阻主要在空气侧,因此管壁温度更接近于管内制冷剂的温度。

在过热段和过冷段,制冷剂温度均迅速下降,在两相段由于压降的作用,导致制冷剂温度也略有降低。

由于在模拟计算中控制的是冷凝器出口处制冷剂的过冷度,所以3种制冷剂的温度分布曲线相差不大。

3.2 环境温度的影响图8和图9分别是冷凝器换热量和制冷剂侧压降随环境温度的变化曲线。

随着环境温度的升高,制冷剂的换热量呈线性递减。

R410A的换热量始终略高于R404A,而R134a的换热量远低于R404A和R410A。

环境温度越高,制冷剂侧的压降越小,且其减小趋势趋于平缓。