R170、R600a二元混合工質(zhì)池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱實驗研究

張雪東 吳玉鳳 公茂瓊 吳劍峰

(1 華北電力大學(xué)動力工程系 保定 071003; 2 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

R170、R600a二元混合工質(zhì)池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱實驗研究

張雪東1吳玉鳳2公茂瓊2吳劍峰2

(1 華北電力大學(xué)動力工程系 保定 071003; 2 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

進行了R170/R600a二元混合工質(zhì)池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱的實驗研究，獲得了在0.3 MPa飽和壓力下，不同熱流密度、不同濃度配比的池內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明：在各濃度配比下，壁面過熱度和池內(nèi)沸騰換熱系數(shù)都隨著熱流密度的增加而增大；泡露點溫差和氣液相濃度差都隨著R170液相組分濃度配比的增加，先增大后減小，而池內(nèi)沸騰換熱系數(shù)則先減小后增大。通過對沸騰換熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)與相應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算值的比較分析發(fā)現(xiàn)，Inoue關(guān)聯(lián)式能夠比較好的關(guān)聯(lián)各濃度配比下的沸騰換熱系數(shù)，其平均絕對偏差為17.3%。

池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱；R170/R600a；二元混合工質(zhì)；關(guān)聯(lián)式

所謂池內(nèi)沸騰，是指加熱面浸沒在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰，此時產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由表面進入容器空間。核態(tài)沸騰指的是汽化核心對傳熱起著決定性影響的沸騰。核態(tài)沸騰有著溫差小、傳熱強的特點，所以一般工業(yè)應(yīng)用都設(shè)計在這個范圍。

節(jié)流制冷技術(shù)是利用實際氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)發(fā)展起來的一種非常成熟的制冷技術(shù)。采用純質(zhì)的低溫節(jié)流制冷機雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、冷端無震動、噪音小、易于微型化等優(yōu)點，但是由于其熱效率低，且運行壓力高，因而在要求效率高、長時間使用的場合沒有競爭優(yōu)勢。自從Alfeev發(fā)現(xiàn)部分互溶的低溫混合工質(zhì)以來，人們發(fā)現(xiàn)使用低溫混合工質(zhì)具有純質(zhì)不可比擬的優(yōu)點，如可增大制冷量，降低工作壓力，提高節(jié)流循環(huán)的效率。因此低溫混合工質(zhì)的出現(xiàn)，使這種被動局面得到了根本的改變[1]。這些促使研究者對多種混合工質(zhì)進行了深入的研究[2-3]。隨著信息技術(shù)、生物工程、半導(dǎo)體-電子工業(yè)、醫(yī)藥醫(yī)學(xué)、軍事工業(yè)、化工工業(yè)、新材料和潔凈能源等廣泛領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對80～310 K溫區(qū)的制冷技術(shù)需求越來越大。而采用單級壓縮機驅(qū)動的多元非共沸低溫混合工質(zhì)回?zé)崾焦?jié)流制冷機就是在該溫區(qū)內(nèi)的一種高效、可靠、應(yīng)用方便的制冷方式。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為80～310 K溫區(qū)范圍的主要制冷機，也成為低溫領(lǐng)域和普冷領(lǐng)域研究的熱點[4]。

低溫混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)還有著如下方面的應(yīng)用。在液氮溫區(qū)，低溫混合工質(zhì)節(jié)流制冷機目前主要應(yīng)用于紅外器件及高溫超導(dǎo)器件的冷卻。此外，低溫混合工質(zhì)節(jié)流制冷機也可以應(yīng)用在低溫電子器件的冷卻[5]。目前，混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)在天然氣液化領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，與傳統(tǒng)多級系統(tǒng)相比，使用混合工質(zhì)單級壓縮節(jié)流制冷技術(shù)有著更高的效率，且成本較低。在120～150 K溫區(qū)，低溫混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊，該溫區(qū)的真空及冷凍干燥在國民生產(chǎn)中已占有重要的位置。混合工質(zhì)制冷機在低溫生物及低溫醫(yī)學(xué)方面也有廣闊前景，如低溫生物組織的中長期儲存設(shè)備，低溫醫(yī)療器械等。

多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)中的換熱器是最為關(guān)鍵的部件之一，其性能直接影響到制冷機的整機性能[6]。混合工質(zhì)逆流換熱器內(nèi)同時存在著冷凝和沸騰傳熱過程，這是一個十分復(fù)雜的汽液兩相的流動和傳熱過程。混合工質(zhì)池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱的研究將有助于這一過程的準(zhǔn)確描述進而有助于分析多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷的熱工特性。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室對工質(zhì)池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱進行了大量的實驗研究。Sun Z H等[7]對R600a、R290和R134a純質(zhì)及其混合物的池內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱進行了實驗測量，并根據(jù)實驗結(jié)果分別擬合出了純質(zhì)及其混合物的沸騰換熱關(guān)聯(lián)式。Gong M Q等[8]對甲烷及其烷烴類混合物在0.13 MPa飽和壓力下、不同熱流密度的池內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱進行了實驗研究。丁黎[9]對R14、烷烴類及其混合物在不同熱流密度、不同壓力和不同組分配比的池內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱進行了實驗研究。

在現(xiàn)有的80～310 K溫區(qū)混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)中，R170、R600a是混合工質(zhì)的重要組元。然而目前對于R170、R600a二元混合工質(zhì)的池內(nèi)沸騰換熱特性的研究，在公開發(fā)表的文獻中還沒有看到。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對R170、R600a二元混合工質(zhì)沸騰換熱特性進行了實驗研究，這對混合工質(zhì)節(jié)流制冷機中換熱器的設(shè)計和整機優(yōu)化具有非常重要的意義。

1 實驗系統(tǒng)圖

圖1為實驗系統(tǒng)示意圖。沸騰容器是一個圓筒狀不銹鋼容器，直徑為75 mm，高為100 mm。為便于清洗，容器上下端均以法蘭連接，以四氟墊圈密封。無氧銅加熱棒直徑30 mm，長280 mm，安裝在沸騰容器底部，以四氟墊圈進行隔熱與密封，其上端面作為加熱面。在無氧銅加熱棒沿縱軸方向上距離加熱面40 mm、80 mm、120 mm和160 mm的位置上打通孔，安置了4支Pt100不銹鋼鎧裝鉑電阻溫度計，用于測量無氧銅加熱棒上不同點的溫度以確定加熱熱流密度。沸騰容器圓筒壁上離底面20 mm和40 mm處打孔并安置紫銅盲管，用以安置2支同樣精度的Pt100不銹鋼鎧裝鉑電阻溫度計來測量混合工質(zhì)液體的溫度，其溫度值為2支溫度計測量的溫度的平均值。沸騰容器頂部法蘭上開小孔以插入3根Φ2×0.5 mm的不銹鋼毛細(xì)管，其中兩根分別對工質(zhì)進行采樣，然后與氣相色譜儀連接進行組分濃度測量，采用熱導(dǎo)檢測池方式分析測量；另外一根連接壓力變送器以測量容器內(nèi)壓力。整個沸騰容器以及電加熱部分均在真空罩內(nèi)，與外界真空絕熱，在加熱器外部裹有鋁箔用以防止輻射散熱。

實驗系統(tǒng)的加熱裝置是由一個主加熱器和一個輔助加熱器組成。主加熱器和輔助加熱器是通過在無氧銅棒底部和冷凝蒸發(fā)器底部分別緊密地纏繞上鎳鉻加熱器線，該加熱器線由美國Cryocon公司生產(chǎn)，直徑0.241 mm，外表有絕緣漆保護，電阻率在77 K時為33.4 Ω/m，適合在低溫環(huán)境下使用。通過DH1720A-5型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供加熱功率。實驗過程中，通過調(diào)節(jié)直流電源的加熱功率來改變無氧銅棒上的熱流密度和輔助加熱量。

實驗之前，在沸騰容器內(nèi)部先用石油醚浸泡，去除雜質(zhì)，然后內(nèi)部經(jīng)過抽真空再充入工質(zhì)。沸騰實驗時，保證工質(zhì)儲罐以及工質(zhì)不受污染，并且工質(zhì)儲罐中的工質(zhì)量在滿足實驗需求的同時需預(yù)留一部分在平衡罐中以保證平衡罐中保持正壓。往沸騰容器中充入的工質(zhì)要保證有30～60 mm的液量，少了會影響沸騰的測試效果，多了會對壓力測量產(chǎn)生波動影響，并且浪費工質(zhì)。為了避免沸騰滯后效應(yīng)，應(yīng)采取熱流密度逐漸降低的方法，分別測量沸騰換熱實驗數(shù)據(jù)。實驗的熱流密度和壁面溫度是通過加熱棒上四點的溫度值依照傅立葉定律推導(dǎo)計算出來的。當(dāng)實驗工質(zhì)為混合工質(zhì)時，采用稱重法測量出各個組分的初始配比，使用精度為0.1 g的精密天平稱量。使用氣相色譜儀測量組分濃度時，保證重復(fù)性的精度在1%以內(nèi)[10]。壓力變送器采用Druck公司生產(chǎn)的0.04級絕壓型壓力變送器，實驗范圍內(nèi)壓力測量的不確定度為0.0016 MPa。所采用的Pt100不銹鋼鎧裝鉑電阻溫度計的測溫范圍為80～310 K，不確定度為 ± 0.1 K。

2 實驗結(jié)果及討論

利用上述實驗裝置獲得了R170和R600a二元混合物在0.3 MPa飽和壓力(或稱泡點壓力，其值等于各組分的飽和蒸氣壓與其摩爾分?jǐn)?shù)乘積之和)下，不同熱流密度、不同液相組分摩爾比的池內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱數(shù)據(jù)，結(jié)果及分析如下：

圖2顯示了R170/R600a二元混合物在0.3 MPa時，組分摩爾比為0∶1、1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1、9.5∶0.5、1∶0下熱流密度隨壁面過熱度的變化關(guān)系，從圖中可以看出在各組分下壁面過熱度都隨著熱流密度的增加而增大；在同一熱流密度下，純質(zhì)所需壁面過熱度要遠小于混合物且當(dāng)摩爾比為7∶3時所需壁面過熱度最大。

圖3給出了R170和R600a不同組分濃度配比時池內(nèi)沸騰換熱系數(shù)隨熱流密度的變化關(guān)系。在各濃度配比下，其池內(nèi)沸騰換熱系數(shù)都隨著熱流密度的增大而增大，且在雙對數(shù)坐標(biāo)下成線性關(guān)系。因此沸騰換熱系數(shù)與熱流密度可表示成：h=Cqn。這表明該混合物處于核態(tài)沸騰區(qū)。還可以看出，在同一熱流密度下，該混合物的池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱系數(shù)要明顯小于其純質(zhì)的沸騰換熱系數(shù)。前人的研究也表明，對于非共沸混合物，混合物的沸騰換熱系數(shù)都小于其組分純質(zhì)的換熱系數(shù)，原因在于傳質(zhì)阻力和局部沸點的升高[11]。在微液層中易揮發(fā)組分率先蒸發(fā)，出現(xiàn)濃度梯度，從而使宏液層中易揮發(fā)組分向微液層擴散，這一過程比純質(zhì)多了傳質(zhì)阻力。且在近壁面處由于易揮發(fā)組分的減少，使微液層中局部泡點溫度升高。

圖4給出了R170和R600a在0.3 MPa壓力下的相平衡圖及池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱系數(shù)、泡露點差(ΔTbp)、氣液相濃度差(|y1-x1|)隨二元混合物中R170液相組分濃度配比(x1)的變化曲線。其中，相平衡數(shù)據(jù)ΔTbp和|y1-x1|是根據(jù)軟件Refprop V8.0計算得到的。從圖中可以看出：R170/R600a混合物是典型的非共沸混合物。其泡露點差和氣液相濃度差都隨著R170液相組分濃度配比的增加，先增大后減小，而二元混合物的池核沸騰換熱系數(shù)則先減小后增大。且在純質(zhì)附近，隨著另一組分的加入，沸騰換熱系數(shù)急劇下降；在R170液相摩爾濃度配比為0.3

3 混合物換熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式的比較

由于混合物池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱的復(fù)雜性，其機理至今仍然沒有完全弄清。目前對混合物沸騰換熱的計算主要是通過經(jīng)驗半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進行，混合物的沸騰換熱關(guān)聯(lián)式近年來得到了很大發(fā)展。

本文將R170/R600a在各組分濃度配比下的池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱系數(shù)分別同Palen & Small關(guān)聯(lián)式(1964)、Stephan & Korner關(guān)聯(lián)式(1969)、Calus & Rice關(guān)聯(lián)式(1972)、Jungnickel關(guān)聯(lián)式(1980)、Schlunder關(guān)聯(lián)式(1983)、Thome關(guān)聯(lián)式(1983)、Thome & Shakir關(guān)聯(lián)式(1987)、林瑞泰、閻潤生關(guān)聯(lián)式(1993)、Fujita & Tsutsui關(guān)聯(lián)式(1994)、Fujita & Tsutsui關(guān)聯(lián)式(1997)、Inoue等關(guān)聯(lián)式(1998)[12](由于篇幅所限，未列出各個關(guān)聯(lián)式)計算值進行了比較，如圖5～圖10中所示。從圖5可知：各關(guān)聯(lián)式計算值都能比較好的吻合實驗數(shù)據(jù)，相對偏差范圍在±25%之內(nèi)。圖6為R170/R600a=3∶7時的沸騰換熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)和各關(guān)聯(lián)式計算值的比較，從圖中可知：只有Palen & Small關(guān)聯(lián)式計算值與實驗值偏差稍大，其它關(guān)聯(lián)式計算值都在可以接受的吻合程度范圍內(nèi)。圖7為R170/R600a=5∶5時的實驗數(shù)據(jù)和各關(guān)聯(lián)式計算值的比較，從該圖中可知：Thome、Fujita & Tsutsui-2、林 & 閻、Jungnickel、Calus & Rice 關(guān)聯(lián)式計算值都低于實驗值。其它關(guān)聯(lián)式計算值與實驗值吻合得較好。

從圖8～圖10中可以看出：在R170/R600a=7∶3、9∶1、9.5∶0.5 三個濃度配比下，Stephan & Korner關(guān)聯(lián)式計算值遠大于實驗值，這主要是因為關(guān)聯(lián)式中A0的取值，A0為二元系統(tǒng)的一個常數(shù)，需要對每一組二元混合物提出不同的合適值。因此，只要調(diào)整A0，該關(guān)聯(lián)式可以很好的吻合各濃度配比下的實驗值，只是每組都要提出不同的A0值，使關(guān)聯(lián)式不具備廣泛的適用性。在這三個濃度配比下，Thome、Fujita & Tsutsui-2關(guān)聯(lián)式計算值都遠小于實驗值。

綜合圖5～圖10可以發(fā)現(xiàn)：能夠比較好的關(guān)聯(lián)各濃度配比下的沸騰換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式是Inoue關(guān)聯(lián)式。通過對Inoue關(guān)聯(lián)式計算值與實驗值的比較發(fā)現(xiàn)，其平均絕對偏差為17.3%。圖11給出了Inoue關(guān)聯(lián)式和實驗值的比較。可以看出，R170/R600a=1∶9和R170/R600a=3∶7這兩個濃度配比下的關(guān)聯(lián)式計算值和實驗值吻合的比較好，其它幾個濃度配比下關(guān)聯(lián)式計算值稍小于實驗值。從Inoue關(guān)聯(lián)式的形式可以發(fā)現(xiàn)：該關(guān)聯(lián)式著重考慮了泡露點差(ΔTbp)和熱流密度q對沸騰換熱系數(shù)的影響。認(rèn)為混合物沸騰傳熱系數(shù)降低的主要原因是有效溫差減小所致，且泡點溫度是一個隨熱流變化的函數(shù)。

4 結(jié)論

在池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱實驗臺上測量了R170和R600a二元混合物在0.3 MPa 飽和壓力下，不同熱流密度、不同濃度配比的池內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

1)各組分下壁面過熱度都隨著熱流密度的增加而增大；在同一熱流密度下，純質(zhì)所需壁面過熱度要遠小于混合物。

2)在各濃度配比下，其池內(nèi)沸騰換熱系數(shù)都隨著熱流密度的增大而增大，且在雙對數(shù)坐標(biāo)下成線性關(guān)系，這表明該混合物處于核態(tài)沸騰區(qū)。

3)泡露點差和氣液相濃度差都隨著R170液相組分濃度的增加，先增大后減小，而二元混合物的池核沸騰換熱系數(shù)則先減小后增大。

4)能夠比較好的關(guān)聯(lián)各濃度配比下的沸騰換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式是Inoue關(guān)聯(lián)式，其平均絕對偏差為17.3%。

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About the corresponding author

Zhang Xuedong, male, Ph. D. / candidate, the lecturer, Dept. of Power Engineering, North China Electric Power University,+86 10-82543737,E-mail: kouyizhinan@163.com. Research fields:refrigerants boiling and condensation heat transfer.

Experimental Research on Nucleate Pool Boiling Heat Transfer of R170 and R600a Binary Mixtures

Zhang Xuedong1Wu Yufeng2Gong Maoqiong2Wu Jianfeng2

(1. Dept. of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding, 071003, China; 2. Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190, China)

Experimental studies were carried out on the nucleate pool boiling heat transfer of binary mixtures of R170/R600a. The heat transfer data of binary mixtures of R170/R600a at 0.3MPa saturated pressure, various heat fluxes and different mixture concentrations were measured. The results showed that the wall superheat and nucleate pool boiling heat transfer coefficient increased with increasing heat fluxes at different mixture concentrations. The temperature difference between the dew and bubble point and gas-liquid phase concentration difference increased first and then decreased with increasing liquid phase concentration for R170, while the pool boiling heat transfer coefficient decreased first and then increased with increasing liquid phase concentration for R170. Some typical semi-empirical correlations were selected to compare with the measured data. As a result, the Inoue correlation showed the best predictions for the nucleate pool boiling heat transfer and yielded a 17.3% absolute deviation.

nucleate pool boiling heat transfer; R170/R600a; binary mixtures; correlation

0253- 4339(2015) 01- 0084- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.084

2014年6月21日

TB61+2; TB61+1

A

張雪東，男，在職博士研究生，講師，華北電力大學(xué)動力工程系，(010) 82543737，E-mail: kouyizhinan@163.com。研究方向：制冷劑沸騰與凝結(jié)換熱。