R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較

1、制冷與空調(diào)REFRI GERATION AND AIR- CONDITIONING第7卷第1期2 0 0 7年2月56 60R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較闞杰1）郝亮°李濤1）李強(qiáng)°袁秀玲1）董曉俊2）1）（西安交通大學(xué)）2）（大冷王運(yùn)輸制冷有限公司亞洲技術(shù)中心）摘 要 采用分布參數(shù)法對(duì)平行流冷凝器建 立數(shù)學(xué)模型,對(duì)目前廣泛使用的制冷劑R134a和低溫制冷劑R404A和R410A在平行流冷凝器中的換熱和流動(dòng)性能進(jìn)行模擬計(jì)算 和分析比較。分別在相同和不同工況下,比較3種制冷劑的換熱系數(shù)及壓降等換熱和流動(dòng)性能參數(shù)。結(jié)果表明，在采用平行流冷凝器的汽車(chē)空調(diào)工

2、況范圍內(nèi)，R410A和R404A的流動(dòng)和傳熱性能均優(yōu)于 R134a,更適宜用于汽車(chē)空調(diào)用平行流冷凝器。關(guān)鍵詞平行流冷凝器 R134aR404AR410A 換熱系數(shù)壓降The simulation analysis and comparison of R404A and R410A inparallel flow type condenserKan Jie" H aoLiang1 Li T ao1) Li Q iang1 Yuan Xiuling1 Dong Xiaojun2)1)(Xi an Jiaotong U niversity)2)(Tech nique Cen ter of

3、T hermo King T ran sport Refrigerati on Co., Ltd. In Asia)ABSTRACT Derives the mathematic 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 ixt

4、ure R404A and R410A in parallel flow type condenser. Compares 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 th

5、e automobile air conditioning, R410A and R404A have better flow and heat transfer performancesthan R134a. R410 is even better than R404A in the heat transfer and flow performances, so as the new re frigerant mix tures using in the middle and low temperatures, R410A is more suitable for using in the

6、parallel flow type condenser.KEY WORDS parallel flow type con de nser; R134a; R404A; R410A; heat tran sfer coeffi cient; pressure drop制冷與空調(diào)REFRI GERATION AND AIR- CONDITIONING第7卷第1期2 0 0 7年2月# 60平行流冷凝器是在汽車(chē)空調(diào)工質(zhì)替代的發(fā)展 過(guò)程中產(chǎn)生的。它是一種緊湊式換熱器，主要由多孔扁管和波紋型百葉窗翅片構(gòu)成，與管片式和管帶 式冷凝器相比有結(jié)構(gòu)緊湊、流動(dòng)阻力小、換熱效率 高等優(yōu)點(diǎn)。平行流冷凝器的扁管是每根

7、截?cái)嗟?，兩端有集流管，依?jù)集流管分不分段，又可分為多元平行流式和單元平行流式。目前汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)所使用的制冷劑R12,由于其ODP值和GWP值過(guò)大，已被國(guó)際上列為 禁用的CFC物質(zhì),R22作為短期替代工 質(zhì)很快也 將被禁用。R134a作為一種較為理想的長(zhǎng)期替代 工質(zhì)，已在很多制冷設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。但制冷與空調(diào)REFRI GERATION AND AIR- CONDITIONING第7卷第1期2 0 0 7年2月57 60制冷與空調(diào)REFRI GERATION AND AIR- CONDITIONING第7卷第1期2 0 0 7年2月# 60收稿日期：2005 09 29通訊作者：闞杰，Em

8、ail: kj28403 stu. xjtu. edu.romcuhhttp甲 hdIcL iii第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% 58 %第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% 59 %R134a的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)僅為-26.07,限制了其在低溫下的應(yīng)用。隨著近幾年混合工質(zhì)研究的深入,出現(xiàn)了多種適合作為替代制冷劑的混合工質(zhì)。制冷劑。2換熱系數(shù)、壓降和熱物性的計(jì)算平行流冷凝器中采用非圓截面通道和較小水R404A和R410A就是其中的兩種近共沸混合制冷劑,它們的臨界溫度分別為 72. 1 和72. 5 ,屬 于中低溫制冷劑。 R4

9、04A( R125/ R143a/R134a,質(zhì) 量分?jǐn)?shù) 為44% / 52%/4% )的ODP為0, GWP為0. 94,而 R410A ( R32/ R125,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50% / 50%)的ODP為0, GWP僅為0. 29。二者都有很 低的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)(R404A為-46. 56, R410A為-51.6),且溫度滑移小，很適合作為 R22的長(zhǎng)期替代物。筆者針對(duì)平行流冷凝器建立 了數(shù)學(xué)模型，對(duì)R134a和R404A, R410A應(yīng)用于平行流 冷凝器的 傳熱和流動(dòng)性能進(jìn)行了模擬比較研究。1數(shù)學(xué)模型1. 1基本假設(shè)!空氣和制冷劑側(cè)各參數(shù)不隨時(shí)間變化 ,換 熱器工作在穩(wěn)定工況下；?扁管各流道內(nèi)

10、制冷劑流量分配均勻 ，并具 有相同的溫度和壓力分布；#忽略不凝性氣體和潤(rùn)滑油對(duì)換熱的影響 ， 忽略重力對(duì)換熱和壓降的影響；?冷凝器內(nèi)制冷劑流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)，制冷劑蒸汽和液體均不可壓縮。1. 2控制方程根據(jù)以上假設(shè)，沿制冷劑流動(dòng)方向按一定長(zhǎng)度 劃分微元，取其中一個(gè)微元為控制體，對(duì)該控制體運(yùn)用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程,即可寫(xiě)出其控制方程，建立其數(shù)學(xué)模型。 空氣側(cè)：ma =°A°( ha - hs)Cpa、/(1)制冷劑側(cè)：3= 0xUu =X(2)(3)-U-uh； =x式中：pF為摩擦壓降；扁管外表面積；hs為空氣溫度為壁 溫時(shí)的比焓;¥ r(Tw

11、- Tr)o為管外換熱系數(shù)(4);Ao為力直徑的多孔扁管，加上所用工質(zhì)不同，其傳熱規(guī) 律和流動(dòng)阻力與大直徑傳熱管內(nèi)的流動(dòng)和換熱情 況有很大的不同。因此，常規(guī)換熱器的傳熱和流動(dòng) 關(guān)聯(lián)式不能直接應(yīng)用于平行流式冷凝器上。制冷 劑在管內(nèi)的冷凝換熱經(jīng)歷了過(guò)熱區(qū)、兩相區(qū)、過(guò)冷區(qū)3個(gè)階段。過(guò)熱和過(guò)冷兩個(gè)單相區(qū)的冷凝傳熱 系數(shù)采用經(jīng)典的 Dittus Boelter公式1,壓降公 式 采用Blasius摩擦因子關(guān)聯(lián)式2。兩相區(qū)的冷凝傳 熱系數(shù)和壓降公式采用C. Y. Yang和R. L. Webb推薦的冷凝 傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式3和摩擦因子關(guān)聯(lián) 式2。平行流冷凝器空氣側(cè)采用波紋型百葉窗翅片，能有效破壞空氣流動(dòng)邊界層

12、，增加擾動(dòng)，強(qiáng)化換熱。 空氣側(cè)的傳熱系數(shù) 和壓降公式采 用Devenport通 過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出的傳熱因子j關(guān)聯(lián)式和摩擦因子f關(guān)聯(lián)式勺。R134a,R404A和R410A的熱力性質(zhì)和遷移 性質(zhì)均采用制冷劑物性計(jì)算軟件REFPROP提供的FORTRAN程序源代碼計(jì)算。3結(jié)果及討論3. 1各種參數(shù)隨相對(duì)管長(zhǎng)的分布為了分析和比較3種制冷劑在平行流式冷凝器 中的流動(dòng)和換熱性能，采用以下工況進(jìn)行計(jì)算：冷凝 器進(jìn)口制冷劑溫度為65,冷凝溫度為50,過(guò)冷5,進(jìn)口空氣溫度為35 ,風(fēng)速為5. 0 m/so圖1圖7是冷凝器中換熱系數(shù)、熱流密度、壓 降梯度、制冷劑平均流速以及溫度分布隨相對(duì)管長(zhǎng) 的變化曲線。由于模擬

13、計(jì)算中的冷凝器為多元平行 流冷凝器,共分5個(gè)流程，前2個(gè)流程管數(shù)相同，而 后3個(gè)流程管數(shù)依次減少，導(dǎo)致在相對(duì)管長(zhǎng)為 0. 4, 0. 6和0. 8時(shí)各種參數(shù)都有3個(gè)階躍的變化。圖1是制冷劑側(cè)冷凝換熱系數(shù)隨相對(duì)管長(zhǎng)的 變化曲線。在過(guò)熱區(qū), R404A的換熱系數(shù)最大, R134a最小；而在兩相區(qū)和過(guò)冷區(qū)中，R410的換熱 系數(shù)為最大，R404A次之。圖2為冷凝器的 傳熱 熱流密度隨相對(duì)管長(zhǎng)的變化曲線。傳熱熱流密度主 要是由傳熱系數(shù)和傳熱溫差決定的，過(guò)熱段雖然制 冷劑的傳熱系數(shù)小，但卻有很大的傳熱溫差，導(dǎo)致其 熱流密度也很大。隨著相對(duì)管長(zhǎng)的增加，熱流密度At為管內(nèi)傳熱流動(dòng)表面積。下標(biāo):a為空氣,r為

14、迅速減小,在兩相段和過(guò)冷段的傳熱溫差都很小,因第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% # %的換熱性能，R404A次之，R134a最差。此熱流密度的變化趨勢(shì)和傳熱系數(shù)相同。從圖 1和 圖2可以看出，在同樣的運(yùn)行工況下，R410A有最好© 194-2010 China Acadvmie Journal Eltcttonic Publishing House- All rights reserved, http:'AvwM第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% # %© 194-2010 China A

15、cadvmie Journal Eltcttonic Publishing House- All rights reserved, http:'AvwM第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% # %4 3 3 -2 2 1宀2ixMx撾喋咬址疥亠骼圖R410A - R44MA0.00.20.6 O.fl 1.0相對(duì)管足管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù)隨相對(duì)管長(zhǎng)的變化(UVHdefx-te!聲±曰0.00.2G.4 Q.b O.a I柏對(duì)在長(zhǎng)圖2冷凝器傳熱熱流密度隨相對(duì)管長(zhǎng)的變化25如1510© 194-2010 China Acadvmie Jo

16、urnal Eltcttonic Publishing House- All rights reserved, http:'AvwM第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% 61 %圖3和圖4分別是制冷劑壓降梯度和平均流速隨相對(duì)管長(zhǎng)的變化情況。R404A和R134a的壓降梯度相差不大，過(guò)熱區(qū)R134a的壓降梯度較大， 隨著相對(duì)管長(zhǎng)的增加，在過(guò)冷區(qū)R404A的壓降梯 度超過(guò)了 R134a,而R410A的壓降 梯度始終保持 在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。在過(guò)熱段R134a的流速最大, R410A最小，進(jìn)入兩相段后3種制冷劑的流速 均迅速下降，最后基 本穩(wěn)定下來(lái)，R40

17、4A最大, R134a最小，但總體而言 三者的平均流 速相差不 lOOOOj-9 M0 - 'iH R4<WA| *-_R13 站舌 DOO -1'伽-辛圖3制冷劑壓降梯度隨相對(duì)管長(zhǎng)的變化大。在幾乎相同的制冷 劑流速下,R410A的壓降 梯度最小，具有三者中最好的流動(dòng)性能。由于后3個(gè)流程管數(shù)依次減少，其流動(dòng)截面積 也隨之減少,因此制冷劑平均流速依次有所提升 （如圖4）,而制冷劑的壓降梯度和制冷劑側(cè)的換熱 系數(shù)也分別有所增大（如圖3和圖1中的3次階躍 上升）,這正是多元平行流冷凝器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。 雖然換熱系數(shù)和壓降都有所增加，但由于壓降整體 變化不大，因此其性能還是有所提

18、高的。& R410A一只1鑰0 I11 -一.I.L1_0.00.2 0J 0.6Q.81.0相對(duì)管隹圖4制冷劑平均流速隨相對(duì)管長(zhǎng)的變化© 194-2010 China Acadvmie Journal Eltcttonic Publishing House- All rights reserved, http:'AvwM第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% # %© 194-2010 China Acadvmie Journal Eltcttonic Publishing House- All rights reserv

19、ed, http:'AvwM第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% 62 %圖5圖7是平行流式冷凝器內(nèi)的溫度分布曲線。由于冷凝器的傳熱熱阻主要在空氣側(cè)，因此管壁溫度更接近于管內(nèi)制冷劑的溫度。在過(guò)熱段 和過(guò)冷段，制冷劑溫度均迅速下降，在兩相段由于 壓降的作用，導(dǎo)致制冷齊恫度也略有降低。由于在 模擬計(jì)算中控制的是冷凝器出口處制冷劑的過(guò)冷 度,所以3種制冷劑的溫度分布曲線相差不大。3. 2環(huán)境溫度的影響圖8和圖9分別是冷凝器換熱量和制冷劑側(cè) 壓降隨環(huán)境溫度的變化曲線。隨著環(huán)境溫度的升 高,制冷劑的換熱量 呈線性遞減。R410A的換熱 量始終略高于 R404A

20、,而R134a的換熱量遠(yuǎn) 低于,制冷劑側(cè)的壓R404A和R410A。環(huán)境溫度越高 降越小，且其減小趨勢(shì)趨于平緩。R134a的壓降始-制冷劌盤(pán)度 "-管麻和度 -_；ll鳳盤(pán)匱554 33032343638405fJS7 弋66005344 -33?:336 - 3弭-332 -350y 328 -1H叫珈338匚3播:"山F312 -曲*制靜捌ift度 一一譽(yù)聖溫度 -* -川嘔建0,00.2040.60.SL.0相對(duì)管民圖6R404A在平行流冷凝器中溫度分布曲線8冷凝器換熱量隨環(huán)境溫度的變化圖7 R410A在平行流冷凝器中溫度 分布曲線期的藝站更外期笳342220?ilM

21、i2lD3 fcj 1J 3 _TJ 3 RJ 3 u 3pr期、一曾精融-世鳳徂蠱Q” Q.20.40.6 M 1.09制冷劑側(cè)壓降隨環(huán)境溫度的變化終為最大，而R410A的壓降始終為最小。從圖 8 和圖9中可以看出，在變環(huán)境溫度的情況下, R410A始終具有三者中最高的換熱量和最低的壓降,其換熱和流動(dòng)性能最為優(yōu)越。環(huán)境溫度越高，3種制冷劑的冷凝換熱量和制冷劑側(cè)壓降越接近，其性能也越接近。3. 3迎面風(fēng)速的影響圖10和圖11分別是冷凝器換熱量和制冷劑 側(cè)壓降隨迎面風(fēng)速的變化曲線。與環(huán)境溫度不同 的是,隨著迎面風(fēng)速的升高，制冷劑的換熱量呈近 似線性增加。R134a的換熱量最低，而R404A和 R

22、410A的換熱量始終很接近，且R410A的換熱量 始終略高于R404A。R134a的壓降始終為最大，在 迎面風(fēng)速超過(guò)5. 5 m/s后，其上升趨勢(shì)逐漸平緩。而R410A和R404A始終為近似線性增加，R410A 的壓降始終為最小。從圖10和圖11中可以看出，在迎面風(fēng)速逐漸增 大的情況下，R410A始終有3 種制冷劑中最高的換熱量和最低的壓力降。隨著 迎面風(fēng)速的減小，3種制冷劑的冷凝器換熱量和制 冷劑側(cè)壓降越來(lái)越接近。© 194-2010 China Acadvmie Journal Eltcttonic Publishing House- All rights reserved, h

23、ttp:'AvwM第1期闞 杰等：R404A和R410A應(yīng)用于平行流冷凝器的模擬分析比較% # %© 194-2010 China Acadvmie Journal Eltcttonic Publishing House- All rights reserved, http:'AvwM% 63 %制冷與空調(diào)第7卷?.&4.55.05.56.9迎面鳳iidmAl圖10冷凝器換熱量隨迎面風(fēng)速的變化圖11制冷劑側(cè)壓降隨迎面風(fēng)速的變化6 4006 2006 0005 S00 尹 5 600 '5 400 S 5 2003 0004 sm4飆 i© 1

24、94-2010 China Acadtmie Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:.感vww胡% # %制冷與空調(diào)第7卷© 194-2010 China Acadtmie Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:.感vww胡% # %制冷與空調(diào)第7卷4結(jié)論采用分布參數(shù)法對(duì)多元平行流式冷凝器建立了數(shù)學(xué)模型，并且分析和比較了R134a, R410A和R4O4A這3種不同的制冷劑應(yīng)用于平行流冷凝器 時(shí)的傳熱和流動(dòng)性能

25、。隨著相對(duì)管長(zhǎng)的增加 ，在給 定工況下,R410A具有最好的傳熱和流動(dòng)性能, R404A次之,而R134a雖然其壓降梯度和R404A相差不大，但其換熱系數(shù)卻比R404A和R410A小了很多，其換熱性能最差。在變環(huán)境溫度和變迎面 風(fēng)速這兩種變工況下，在汽車(chē)空調(diào)的工況范圍內(nèi)無(wú) 論工況怎么變化，R410A始終具有3種制冷劑中 最高的冷凝器換熱量和最低的制冷劑壓力降，因而更適宜作為中低溫制冷劑用于汽車(chē)空調(diào)用平行流 冷凝器中。參考文獻(xiàn)1 Yan Yiyie, LinTingfa. Condensationheat transfer and pressuredrop of refrig erant R 1

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