實驗研究了R410A-油混合物在5.0mm光管內流動沸騰的流型及換熱特性。實驗結果表明，潤滑油延遲流型向環狀流和乾涸流的轉化，實驗得出的流型與基於混合物性的流型圖吻合較好；純製冷劑R410A的換熱係數隨干度的增大先增大後減小，峰值出現在干度為0.7-0.8左右；對於R410A-油混合物，在干度小於0.6的工況下，油的存在總是增強換熱，在干度為0.7時，換熱係數隨油濃度的增大先增加後減小；在干度大於0.8情況下，換熱係數隨油濃度和干度的增大迅速降低。在本文得出的5.0mm光管實驗數據和已有文獻關於7.0mm光管內的實驗數據基礎上，開發了基於流型和混合物性的流動沸騰換熱關聯式，新關聯式可以很好地預測不同管徑光管內的流動沸騰換熱特性。
引言
環保替代工質R410A為近共沸混合物，溫度滑移微小，是R22的理想替代物，正成為國際上空調器的主流製冷工質。在製冷系統中，由於製冷劑對油有較好的溶解性，當壓縮機開始運行時，勢必有一定量的潤滑油隨製冷劑循環進入製冷系統，從而影響管內流動沸騰的換熱特性。為了節能和節材，目前換熱器的設計越來越小型化，換熱管的管外徑從9.52mm開始，朝著8.0mm、7.0mm、6.35mm的方向發展，現在外徑為5mm的銅管已經開始在小型換熱器中試用，並成為國內各大空調公司研究開發的重點。因此，需要了解R410A-油混合物在5mm換熱管內流動沸騰的換熱特性。
按照Mehendal等對換熱管徑尺度的定義，管徑為100μm-6mm的換熱管為中尺度類型，介於常規尺度（管徑大於6mm）和微尺度（管徑為1μm-100μm）之間。相對於微尺度換熱管，這種中尺度換熱管更有可能被應用於實際的小型緊湊式換熱器中，被稱之為小管徑換熱管。由於毛細作用的存在，小管徑換熱管與常規尺度換熱管內的換熱特性是不相同的。目前已有文獻對R410A-油混合物在管徑大於6mm的常規尺度換熱管內的流動沸騰換熱特性進行了研究。但是到目前為止，尚未有R410A-油混合物在小管徑換熱管內流動沸騰換熱特性的研究報導，已有的常規換熱管內的研究結果，可能不適用於小管徑。
因此，需要通過實驗研究，分析潤滑油對小管徑內流型及換熱特性的影響，並開發適用於小管徑換熱管的換熱關聯式。
1 實驗裝置與測試工況
1.1 實驗裝置
實驗裝置如圖1所示。實驗裝置共包括三個迴路：製冷劑主迴路、製冷劑旁通迴路和潤滑油迴路。
圖1 實驗台示意圖
1.2 實驗對象與測試工況
實驗對象為水平直光管，總長為1400mm，外徑為5mm，內徑為4.18mm。測試管外均勻布置電加熱帶，有效加熱長度為1300mm，電加熱帶外包有隔熱層和隔氣層，經漏熱分析表明，漏熱量小於加熱量的2%，可以認為測試段與環境絕熱。實驗所用製冷劑為R410A，潤滑油為酯類油RB68EP。實驗工況的蒸發溫度為5℃，質流密度為（200-400）kg·m-2·s-1，熱流密度為（6.91-13.81）kW·m-2，測試段入口的干度為0.1-0.8，平均油濃度為0-5%。
2 數據導出
2.1 換熱係數
純製冷劑R410A和R410A-油混合物管內流動沸騰的換熱係數，可分別根據下式導出：
考慮實驗設備的測量精度，對換熱特性的不確定性進行分析，換熱係數的最大誤差為±10.4%。
2.2 平均油濃度
平均油濃度定義為潤滑油的質量流量與製冷劑-油混合物的質量流量的比值：
3 實驗結果分析與關聯式的開發
3.1 潤滑油對小管徑換熱器管內流型的影響分析
圖2給出了實驗觀測得出的R410A-油混合物在小管徑換熱管內流動沸騰的流型，並給出了基於混合物物性、參照Wojtan流型開發的R410A-油混合物在小管徑換熱管內的流型圖。
由圖2可以看出，實驗得出的流型與基於混合物物性的Wojtan流型圖吻合較好。潤滑油延遲環狀流和乾涸流的出現；在小干度工況下，潤滑油的存在對流型的影響較小；在高幹度工況下，潤滑油的存在對流型的影響較大；在所測試的工況範圍內，R410A-油混合物不存在霧狀流型。
圖2 潤滑油對小管徑光管內流動沸騰流型的影響
3.2 潤滑油對流動沸騰換熱係數的影響分析
圖3給出了R410A-油混合物流動沸騰的換熱係數隨平均油濃度的變化。
由圖3可以看出，換熱係數隨質流密度的增大而增大。在不同的質流密度工況下，純製冷劑R410A的換熱係數隨干度的增大先增大，在干度為0.7-0.8左右時達到最大值，干度大於0.8時，換熱係數隨干度的增大急劇下降。這是因為在干度大於0.8情況下，流型逐漸向乾涸流轉化，氣相製冷劑與管壁接觸，液態製冷劑與管壁面的接觸面積減少，導致換熱係數的急劇減小。
在干度小於0.6時，潤滑油的存在對換熱起到增強作用；在干度為0.7時，換熱係數隨潤滑油濃度的增加先增大後減小，在油濃度3%-4%左右時存在峰值；在干度大於0.8時，R410A-油混合物的換熱係數隨著油濃度和干度的增大迅速降低。這是由於潤滑油的存在對混合物的換熱有兩方面的影響，一方面由於油的存在增大液相的表面張力，從而增大液相與管壁的接觸面積，同時，油的存在增加發泡點，增強核態沸騰，從而增強兩相換熱；另一方面，由於液相粘度和表面張力的增大，對氣泡的長大起到抑制作用，從而惡化換熱。兩方面影響因素的綜合作用，決定了油的存在對混合物換熱起增強或弱化作用；在干度小於0.6時，潤滑油對換熱的增強作用占主導地位，因為增強換熱，干度大於0.8時，潤滑油對換熱的弱化作用占主導地位，從而惡化兩相流動的換熱特性。
圖3 R410A-油混合物在小管徑光管內的流動沸騰換熱特性
3.3 已有關聯式預測值與實驗數據的對比
到目前為止，還沒有R410A-油混合物在5mm小管徑換熱管內的換熱關聯式。文獻中給出了預測R410A-油混合物在常規尺度換熱管內的換熱關聯式，其預測值與本人實驗數據的對比分析如圖4所示。有圖可見，已有關聯式預測值與實驗值的誤差大於50%，不能適用於小管徑光管。因為，有必要開發新的適用於小管徑光管的換熱關聯式。
圖4 已有關聯式預測值與實驗數據的對比
3.4 R410A-油混合物在小管徑光管內流動沸騰換熱關聯式的開發
新的換熱關聯式的開發，關鍵是要求出式（8）中C和n的表達式。
由圖5可以看出，不同油濃度工況下，R410A-油混合物在光管內的實驗數據具有不同的斜率和節距，斜率和節距應該是油濃度的函數；而且7.0mm光管和5.0mm光管內的實驗數據隨 Rer,o,L 的變化趨勢一致。因此，由公式（11）可以得出：
新的關聯式預測值與實驗值的對比如圖6
圖6 新的關聯式預測值與實驗值的對比
由圖可以看出，對於7mm管，新關聯式預測值與96%的實驗數據誤差在±20%以內；對於5mm管，新關聯式預測值與92%的實驗數據的誤差在±30%以內。關聯式可以很好地預測R410A-油混合物在不同管徑光管內流動沸騰的換熱特性。
4 結論
（1）潤滑油延遲環狀流和乾涸流的出現；在所測試的工況範圍內，R410A-油混合物不存在霧狀流型。實驗觀測出的流型與基於混合物性的流型圖吻合較好。
（2）對於純製冷劑的R410A，換熱係數隨干度的增大而增大，在干度為0.7-0.8左右時達到最大值，干度大於0.8時，由於出現乾涸流，換熱係數隨干度的增大急劇下降。
（3）對於R410A-油混合物，在干度小於0.6時，潤滑油的存在對換熱起到增強作用；在干度為0.7時，換熱係數隨油濃度的增加先增大後減小，在油濃度為3%-4%左右時存在峰值；在干度大於0.8時，對於R410A-油混合物的換熱係數隨著平均油濃度的干度的增大迅速降低。
（4）基於混合物物性開發了R410A-油混合物在小管徑光管內流動沸騰的換熱關聯式。對於7mm管，新關聯式預測值與96%的實驗數據誤差在±20%以內；對於5mm管，新關聯式預測值與92%的實驗數據的誤差在±30%以內。關聯式可以很好地預測R410A-油混合物在不同管徑光管內流動沸騰的換熱特性。
（本文摘自2013年9月《製冷技術》第33卷第3期）
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