Flow boiling of refrigerant-oil mixtures
Transferts de chaleur dans un mélange constitué de fluide frigorigène et d'huile
Résumé
The phase out of chlorine containing refrigerants (CFC and HCFC) has led to the introduction of new refrigerants and lubricants to the market. The interest in using HFC fluids as working fluids in heat pumps and refrigerating systems has increased during the last decade due to their ability to replace fluids harmful to the stratospheric ozone layer. The study presents the influence of synthetic oil (POE ISO 68) on flow boiling of refrigerants R134a (pure fluid) and R410A (R32/R125 50%/50%). Local and average heat transfer coefficients and pressure drops have been measured for a smooth horizontal tube. The distribution of the heat transfer coefficient at the inner walI has been obtained from solving the inverse heat conduction problem (IHCP) and resulted in a local combination of nucleate and convective contributions to flow boiling. Local heat transfer coefficients have been averaged and displayed as a function of the vapour quality. For R134a: small amounts of oil (1 % to 6% in the liquid phase) increased the heat transfer coefficient at low and intermediate vapour qualities (Iess than 0.60) compared to pure fluid. However a hugh reduction of the heat transfer has been observed at higher vapour qualities. For R410A: oil dramatically decreases the heat transfer coefficient compared to pure fluid. Pressure drops are also affected by small amounts of lubricant: an important increase has been noted for both fluids. Available design methods for flow boiling heat transfer coefficient (superposition, enhancement, asymptotic) badly predict the experimental results. Nevertheless a new design method accounting for flow patterns has shown good agreements. The influence of the lubricant on the heat transfer is discussed and a new proposition is made to calculate pressure drops.
La présence d'huile de lubrification dans les installations frigorifiques industrielles et domestiques, liée aux divers systèmes de compression, remet en cause les méthodes classiquement employées pour le dimensionnement des échangeurs de chaleur, et notamment les évaporateurs à tubes et calandres. Le caractère imprévisible de l'influence de l'huile sur l'ébullition en convection forcée des fluides frigorigènes a été souligné par de nombreuses études, qui mettent aussi en évidence un comportement local des transferts de chaleur. Un dispositif expérimental spécifique et un outil de dépouillement adapté, la thermique inverse, ont permis d'obtenir la distribution du coefficient de transfert de chaleur sur la paroi interne d'un tube lisse. Cette nouvelle représentation des résultats expérimentaux fait clairement apparaître l'influence du lubrifiant sur l'ébullition convective des fluides frigorigènes. Elle met aussi en évidence le couplage local des deux contributions à l'ébullition en convection forcée : ébullition nucléée et ébullition convective. L'intégration des résultats locaux aboutit à des valeurs locales moyennes du coefficient de transfert qui ont pu être comparées aux valeurs fournies par divers modèles de la littérature. Les limitations de ces modèles sont présentées. Des propositions sont faites afin de prendre en compte les divers effets du lubrifiant sur les transferts de chaleur, les configurations des écoulements diphasiques, ainsi que sur les pertes de pression linéaires.