微通道內非共沸混合制冷劑的流動沸騰特性

呂鳳勇，馬虎根，何紅萍，齊魯山

（上海理工大學熱工程研究所，上海 200093）

研究開發

微通道內非共沸混合制冷劑的流動沸騰特性

呂鳳勇，馬虎根，何紅萍，齊魯山

（上海理工大學熱工程研究所，上海 200093）

采用了3種不同組分比例的R32/R134a工質在0.86 mm的微通道中進行了傳熱特性和阻力特性的實驗研究，考察了非共沸工質不同組分比例對微通道換熱特性的影響。實驗結果表明：在組分質量分數比為35%/65%時，核態沸騰在小干度下換熱效果最好；干度較大時，組分比例對換熱的影響效果降低。在大質量流量下傳熱阻力效應的影響不再明顯。在壓降方面，組分比為15%/85%的相對壓降最大，其它兩種組分的壓降較小。

流動沸騰；非共沸；組分比；微通道

非共沸混合工質換熱性能的一大特點是傳熱系數的退化（degradation），即流動沸騰傳熱系數低于相同工況下相應組分純工質按質量分數線性分布的理想值[1]。非共沸混合工質和單組分工質相比，具有相變過程中溫度在一個區域內發生變化的特點，減少蒸發或冷凝過程中的傳熱溫差及傳熱的不可逆性，提高熱力效率，因此研究非共沸混合工質的流動沸騰換熱具有節能和發展新型制冷劑的雙重意義。混合工質配比將直接影響系統的效率和制冷溫度。選取混合工質各組分時要滿足相容但不共沸，各組分需有較大的沸點間距，一般沸點差在40～80 ℃，并具有環境可接受性，制冷劑的臭氧破壞指數（ODP）和溫室效應指數（GWP）應盡可能小或為零。

魏珍等[2]對不同濃度水/乙醇混合工質在5種不同尺寸梯形硅基微通道中的流動與換熱進行了研究。由實驗結果得出了摩擦常數和平均Nusselt數的實驗關聯式；并且發現微流體的流動與換熱特性受通道的幾何尺寸影響非常顯著，隨乙醇溶液濃度的

變化，流動特性保持不變，而換熱呈現不同的特性；還發現入口段效應對流動與換熱的影響都十分顯著。趙耀華等[3]采用混合工質thylpentane與甲醇，對大功率芯片散熱的微槽群相變散熱器的散熱性能進行實驗研究，其研究與前人所作的工作相比，該研究能使表面溫度降低7～9 ℃。趙力等[4]研究了非共沸混合工質蒸發過程中的傳熱溫差，發現非共沸混合工質在相變時存在明顯的溫度滑移，在蒸發過程中焓值隨溫度的變化有可能是非線性的，這使得此類非共沸混合工質不可能實現Lorenz循環。李志堅等[5]對多元非共沸混合物池內核態沸騰傳熱進行了實驗研究，指出在三元混合物中高沸點工質對傳熱系數曲線變化趨勢具有重要影響，相同熱流下混合物的池內核態沸騰傳熱系數隨著系統壓力的增加而增加，沸騰傳熱系數曲線變化趨勢與混合物氣液相組分濃度差曲線變化趨勢正好相反。本文作者考察了非共沸工質不同組分比例對微通道換熱特性的影響。

1 實驗系統

圖1為實驗系統示意圖。實驗臺由實驗工質循環系統和制冷循環系統組成，實驗工質循環系統由儲液罐、屏蔽泵、質量流量計、預熱段、可視段、試件段、循環管路等組成。循環流程為：屏蔽泵將儲液罐內的制冷劑混合物液體泵出，經質量流量計、預熱段，在可視段及試件入口處形成接近沸點的單相液體制冷劑，流經實驗段時被加熱氣化，變成兩相混合物或過熱蒸氣后流入鹽水箱的儲液罐內，與過冷液體混合，從而形成循環流動。整個系統包括管路及各實驗器件保溫措施良好。

圖1 實驗系統示意圖

系統采用活塞式壓縮機冷卻乙二醇水溶液，儲液罐放在乙二醇箱中，制冷劑在加熱段吸收的熱量被乙二醇冷卻，制冷劑溫度維持在－20 ℃以下。制冷系統的冷凝器采用自來水冷卻。每次實驗首先保證鹽水箱溫度冷卻到－20 ℃以下，才能保證泵出的制冷劑為單相液體。試件采用內直徑為0.86 mm、長度為200 mm的不銹鋼單圓管。

工質流量是由美國Fisher-Rosemount公司生產的F025型質量流量計進行測量，其精度為0.15級，絕對精度為 0.00525 kg/m in。實驗中的溫度、流量和壓力信號都采用Agilent公司的34970 A型數據采集儀自動采集。通道進出口溫度采用φ0.2 mm的銅-康銅熱電偶測量，精度為0.1 ℃。通道進出口壓力采用美國 Setra公司生產的壓力傳感器進行測量，精度為0.25級，絕對精度為2.5 kPa。換熱系數的最大和最小不確定度按誤差傳遞公式[6]可算得分別為19.20%和3.40%。

2 實驗結果分析與討論

2.1 數據處理

局部對流換熱系數如式（1）。

式中，twz是沿程壁面溫度；tfz是非共沸混合工質的平衡溫度，單向流動時由熱平衡方程計算；兩相流動時，tfz為局部飽和溫度，根據壓力由飽和蒸氣壓方程計算。

2.2 組分對換熱系數的影響

由非共沸混合制冷劑的配比要求，氣相中低沸點組分較多，液相中高沸點組分相對較多的原則[7]，R32和 R134a的標準沸點分別為－51.7 ℃（0.1 MPa）和－26.2 ℃（0.1 MPa）。因此本文主要對R32和 R134a質量組分比為 35%/65%、15%/85%和25%/75%三種配比方案進行分析。

非共沸混合工質在相變傳熱過程中溫度滑移和比焓值隨溫度的非線性變化[8]是其獨特的特點，但是這一特性將影響非共沸混合工質在通道內的傳熱性能。在傳熱過程中，非共沸混合制冷劑與傳熱流體間存在溫差，其變化在一定程度上造成有用能的損失。混合工質的溫度匹配特性可以減少系統的有用能損失，提高系統的熱力學性能。然而，溫差又是傳熱的動力，針對非共沸混合工質和換熱流體之間的沿程溫差變化規律的研究，對換熱器的合理設計以及系統優化具有一定的指導意義。

圖2 不同組分換熱系數比較

圖3 不同組分換熱系數比較

由圖2和圖3可知，在熱流密度較小時，組分比為35%/65%的換熱系數呈單調增加趨勢，核態沸騰仍起著重要作用。熱流密度小于200 kW/m2時，組分比為 15%/85%和組分比為 25%/75%的換熱系數先下降，大于200 kW/m2時持續上升，組分比為35%/65%的換熱系數高于其它兩種組分比的換熱系數，且隨熱流密度的變化趨于穩定。3種組分都是在較小干度下進行比較，可知，單就換熱效果來講，在小干度下組分比為 35%/65%的核態沸騰換熱效果最好，組分R32沸點下的蒸發潛熱390.5 kJ/kg大于R134 a沸點下的蒸發潛熱216 kJ/kg，所以當R32組分在一定范圍內增加是有利的。組分比分別為15%/85%、25%/75%的混合物大約在200 kW/m2時出現換熱效果最低點，說明此時的換熱現象較為復雜，這一轉折既有微尺度效應帶來的不穩定性，也有由于工質混合帶來的混合效應。兩圖中稍有一點區別的是，在圖3中，沒有如圖2中較小熱流密度時換熱系數的變化，這是圖3所對應的工質質量流量增加而引起的差異。

圖4為質量流量為G=1291 kg/(m2·s)、熱流密度q=153 kW/m2、不同干度下，組分對換熱系數的影響。由圖4可知，質量組分比為15%/85%時換熱效果最好。而質量組分比為25%/75%和35%/65%時換熱效果沒有明顯的變化，可見此組分區間為換熱效果受組分影響較小的區間。圖 5為質量流量為G=5164 kg/(m2·s)、熱流密度q=153 kW/m2時換熱系數隨組分變化關系。由圖5可知，大質量流量下組分對換熱系數的影響并不明顯，各組分對應的變化點所呈現的趨勢較為相似，這可能是干度區間較小，且大質量流量下傳熱阻力效應的影響不再明顯。

圖4 換熱系數隨組分變化關系

圖5 換熱系數隨組分變化關系

非共沸混合工質在強制對流蒸發區換熱系數低于按純工質各質量分數線性分布的理想值。換熱系數下降的主要原因是混合工質物性的非線性變化和傳質阻力效應[9]。非共沸混合工質由于沸點差異大，揮發性不同，沸騰時將出現局部濃度差，從而形成質量擴散。這是非共沸混合工質沸騰換熱與純工質相比的主要差別，這一特點使十分復雜的沸騰換熱變得更加復雜。

在蒸發過程中，傳質阻力對換熱系數的影響[10]：一是由于質量擴散本身對液膜對流換熱的影響，當泡點較低的工質在某一點處蒸發形成氣泡，使該點附近的該種工質濃度降低，由于濃度差帶來的壓力差使周圍流體的同種工質向該點擴散，從而帶來沸騰延遲，造成傳質阻力效應；二是液相沸點升高引起壁面過熱度損失。雙組分非共沸混合工質蒸發時，由于濃度變化引起的氣液界面溫度不像純組分那樣是飽和的，而是變化的溫度，而傳熱阻力效應與氣液相摩爾組分有關，不同的混合物配比是影響氣液相摩爾組分相對大小的根本原因。

非共沸混合工質水平單管內流動沸騰換熱除了受工質性質的影響外，還存在著另一個特點，即在分層流情況下傳熱的復雜性。但是研究表明在微通道內的流型較為穩定并未出現分層流效應，因此，微通道流動中，組分對換熱效果的影響主要體現在由非共沸帶來的傳質阻力效應和相變溫度滑移區間帶來的傳熱溫差的變化上。

2.3 壓降特性

圖6 壓降隨熱流密度的變化

圖7 壓降隨質量流量的變化

圖8 壓降隨熱流密度的變化

圖9 壓降隨質量流量的變化

圖10 壓降隨熱流密度的變化

不同比例混合物，不同質量流量下壓降隨熱流密度的變化關系如圖6～圖11所示。

如圖 6，幾種質量流量下，都是隨著熱流密度的增加，壓降不斷增大，實驗過程中，隨著熱流密度的增加，想要達到同樣的質量流量需要更大的泵功率，這和壓降增大的現象是相吻合的。因為隨著熱流密度的增加，混合物的核化沸騰現象加劇，阻力隨之增大，想要達到相同的質量流量則需要更多的泵功率，壓降自然就會增大。由圖6中也可以看出，這和流量增加、壓降增大的理論相吻合。在大質量流量下，流體阻力增加的同時，隨著熱流密度的增加，液體氣化現象加劇，阻力進一步增大。從而可以得出結論：流量增加，熱流密度增大，換熱效果增強，壓降增大。同圖6一致，如圖7，在相同熱流密度下，隨著質量流量增大，壓降不斷增大，并且同種質量流量下，呈現遞增趨勢，這是因為熱流密度增加，泵功率增加，阻力增大，微通道的尺度效應是影響阻力的重要因素。如圖8～圖11，同樣，在混合物比例為 25%/75%以及混合物比例為35%/75%時，相同質量流量下隨著熱流密度的增加，微通道內流體壓降增加，相同熱流密度下，隨著質量流量的增加，壓降增大。就壓降而言，相同情況下混合物比例為 35%/65%時相對壓降最小，25%/75%時壓降次之，15%/85%的壓降最大。

隨著熱流密度的增加，壓降不斷增大，實際實驗中，隨著熱流密度的增大，想要達到同樣的質量流量需要更大的泵功率，這和壓降增大的現象是相吻合的。

圖11 壓降隨質量流量的變化

3 結 論

通過實驗分析了二元非共沸混合制冷劑的組分對換熱性能的影響。采用R32/R134a的3種不同配比15%/85%、25%/75%、35%/65%為例，考察了組分對微通道換熱性能的影響規律，可以得出以下結論：在一定條件下，混合物的配比對微通道內換熱效率的影響是明顯的，應根據其特性選擇合適的非共沸混合物。在小干度情況下，組分比為35%/65%的核態沸騰換熱效果最好，大質量流量下，組分比對換熱的影響變得不再明顯，各組分對應的變化點所呈現的趨勢較為相似。不同組分混合物，當流體在同干度同熱流密度下沸騰時，質量擴散的大小及速率不同從而改變沸騰的劇烈程度，而傳質阻力效應影響的大小直接導致換熱的強弱。相同質量流量下隨著熱流密度的增加，微通道內流體壓降增大，相同熱流密度下隨著質量流量的增加，微通道內流體壓降增大。在同種情況下組分比為35%/65%的相對壓降最小，組分比為 25%/75%次之，組分比為15%/85%的壓降最大。

符 號 說 明

G——質量流量，kg/(m2·s)

ΔP——壓降，kPa

t——溫度，℃

h——換熱系數，kW/(m2·K)

q——熱流密度，kW/m2

x——干度

[1] Jung D，et al. Horizontal flow boiling heat transfer w ith a mixture of R22/R114[J].Int. J. Heat Mass.Transfer，1989，32 （1） ：131-135.

[2] 魏珍，吳慧英，吳信宇.水/乙醇混合工質在硅基微通道中的流動與換熱[J].化工學報，2008，59（10）：2706-2712.

[3] 趙耀華，劉建榮，刁彥華，等. 微槽群散熱器換熱性能實驗研究[J].北京工業大學學報，2009，35（1）：58-61.

[4] 趙力，劉惠. 非共沸混合工質蒸發過程中的傳熱溫差探討[J]. 暖通空調，2005，35（6）：118-121.

[5] 李志堅，孫兆虎，公茂琛，等. 多元非共沸混合物池內核態沸騰傳熱實驗研究[J]. 真空與低溫，2005，11（2）：90-97.

[6] 沙國定. 誤差分析與測量不確定度評定[M]. 北京：中國計量出版社，2003：137-138.

[7] 張華俊. 制冷原理與性能[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2010：30-50.

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[10] 秦蔚，李美玲，蔡祖恢. 非共沸混合工質水平管內環狀流型下強制對流蒸發傳熱的分析模型[J]. 華東工業大學學報，1996，18（3）：14-17.

Investigation on flow boiling heat transfer of non-azeotropic refrigerant m ixture in m icrochannel

Lü Fengyong，MA Hugen，HE Hongping，QI Lushan
（Institute of Thermal Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

The heat transfer characteristics in m icrochannel 0.86 mm in diameter for refrigerant m ixture R32/R134a w ith three different mass proportions were studied and the effect of non-azeotropic working media w ith different mass proportions on heart transfer in the microchannel was investigated. The experiment result showed that when mass proportion was 35%/65%，flow boiling heat transfer was the best at low dryness fraction，while the effect of mass proportion on heat transfer was not obvious at high dryness fraction. Heat transfer resistance effect was not obvious at a high mass flux. Pressure drop was the largest when mass proportion was 15%/85%，and for the other two mass proportions，25%/75% and 35%/65%，pressure drop was relatively smaller.

flow boiling；non-azeotropic；proportion；microchannel

TK 124

A

1000–6613（2012）07–1449–05

2011-01-06；修改稿日期：2011-02-13。

國家自然科學基金項目（50876068）。

呂鳳勇（1984—），男，碩士研究生。E-mail FengyongLv@126.com.cn。聯系人：馬虎根，教授，研究方向為微尺度沸騰換熱。E-mail mahugen406@hotmail.com。