納米石墨冷凍機油對R600a流動沸騰換熱的影響

陳夢尋，張華，婁江峰

（1上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2浙江盾安人工環境設備股份有限公司，浙江 諸暨 311835）

納米石墨冷凍機油對R600a流動沸騰換熱的影響

陳夢尋1，張華1，婁江峰2

（1上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2浙江盾安人工環境設備股份有限公司，浙江 諸暨 311835）

搭建了納米冷凍機油/制冷劑水平光管內流動沸騰換熱測試實驗臺，研究了石墨/R600a納米制冷劑在水平直光管內流動沸騰換熱特性，分析了納米石墨對含油制冷劑流動沸騰換熱的影響。實驗測試段為總長 2.5 m、外徑9.52 mm、內徑8 mm、壁厚0.76 mm的紫銅管。在質量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1下，分別測量純R600a、含油R600a、不同質量分數（0.05%、0.1%、0.2%）納米石墨冷凍機油和R600a混合物在水平光滑圓管內流動沸騰傳熱系數隨干度的變化趨勢。實驗結果表明：納米石墨的添加增強了含油制冷劑的流動沸騰換熱。實驗獲得了基于石墨的含油納米制冷劑流動沸騰換熱關聯式，關聯式的預測值與 94.5%的實驗數據偏差在±15%以內。

納米粒子；傳熱；測量；傳熱系數；預測；關聯式

引　言

納米流體是一種新型的換熱介質，添加納米粒子可以提高流體的傳熱性能[1-5]。納米制冷劑是指將納米顆粒添加到制冷劑中得到的穩定懸浮液，可以增強制冷系統的換熱性能、提高制冷系統的COP[6]。目前關于納米粒子對制冷劑及含油制冷劑沸騰換熱性能影響的實驗研究主要集中在流動沸騰換熱和池沸騰換熱兩個方面。而流動沸騰換熱方面的研究成果較少，且納米材料種類多為金屬氧化物[7-9]。在已報道的實驗結果中，納米流體的有效熱導率、對流傳熱系數和沸騰傳熱速率等熱特性有許多不一致的地方[10-11]，有待深入系統地探究。

Akhavan-Behabadi等[12]實驗研究了 CuO納米粒子對含油R600a流動沸騰換熱的影響，發現在低質量流速下，質量分數為1.5%的納米油可平均提高流動沸騰傳熱系數 42.2%。Henderson等[13]研究了水平管內SiO2納米粒子對純R134a和含油R134a流動沸騰換熱的影響，實驗結果表明，只添加納米SiO2的R134a較純制冷劑的傳熱系數降低，而含油R134a的傳熱系數提高，提高比率大于100%。這是由于冷凍機油的添加有利于 SiO2納米粒子穩定分散。Peng等[14]在實驗研究 CuO 納米粒子對 R113流動沸騰換熱的影響時，沒有添加冷凍機油，發現添加 CuO 納米粒子的 R113傳熱系數大于純制冷劑，最大傳熱系數為29.7%。已有的實驗成果表明，納米粒子的添加對純R600a和含油R600a的流動沸騰換熱的影響不同，且納米材料種類、濃度不同，換熱效果也不一樣。

納米石墨是一種常見的納米材料，廉價易得。在前期工作的基礎上[15]，本文選用SUNISO 3GS作為冷凍機油，采用兩步法制備質量分數為 0.05%、0.1%、0.2%的納米石墨冷凍機油。選R600a制冷劑，研究在不同質量流速、不同入口干度下，不同質量分數的納米油在水平光滑圓管內的流動沸騰換熱特性，為納米制冷劑的深入研究和應用提供必要的數據基礎。

1　實驗裝置與測試工況

1.1實驗裝置

圖1為實驗系統，實驗臺主要由含油制冷劑循環回路、冷卻系統以及數據采集系統3部分組成。其中含油制冷劑循環回路包括葉片泵、過冷段、質量流量計、預熱段、觀察段、實驗段和冷凝段等。數據采集系統由 Agilent 34970A和 SIEMENS S7-200組成，其中前者采集實驗段上20個熱電偶測點的溫度參數，而后者則采集實驗系統中的鉑電阻、質量流量計、壓力傳感器和壓差傳感器等的信號。

圖1　實驗系統Fig. 1　Schematic diagram of experimental apparatus

實驗段為水平布置的紫銅管，外徑9.52 mm，內徑8 mm，壁厚0.76 mm。實驗段總長度2.5 m，有效加熱段 2.4 m，以便于測定充分發展段的沸騰換熱，同時可消除出口效應（L/D>60）。測試段采用電加熱的形式，由穩壓電源供電。圖2顯示了實驗段電加熱帶和溫度測點的布置形式。在實驗段外壁的5個等截距斷面上布置了20個熱電偶（CHINO T型），每個斷面布置4個熱電偶，用于測量實驗段上、下和中間兩側的壁面溫度，外纏絕熱膠布。

圖2　實驗段加熱帶和溫度測點布置Fig. 2　Layout drawing of heater band and temperature measuring location on test section(unit: mm)

1.2實驗測試工況

實驗測試工況的選擇主要是考慮在小型制冷系統中含油制冷劑的實際運行工況，同時考察不同納米顆粒含量對沸騰換熱的影響。實驗研究在質量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，純R600a、含油R600a（1:99）以及含納米石墨粒子（0.05%、0.1%、0.2%）的冷凍機油與R600a混合物（1:99）在水平光滑圓管內的流動沸騰換熱特性。其中實驗段的入口干度控制在0～0.9間隔0.1，實驗段的干度變化為0.1。同時為了讓實驗過程中含油制冷劑能進行充分地循環流動，每次實驗前都運行葉片泵2 h，使納米冷凍機油和R600a能充分均勻互溶。

表1　實驗工況及主要實驗參數范圍Table 1　Experimental conditions and scope of main experimental parameters

2　實驗數據的處理和誤差分析

2.1實驗數據處理

含納米油制冷劑的干度是關鍵性參數，實驗中需要控制測試段的進出口干度。測試段進、出口的R600a/納米冷凍機油混合物的比焓可表示為

式中，h為比焓，kJ·kg-1；w為混合物中制冷劑的質量分數；x為干度；下角標in和out分別表示測試段的進、出口；下角標r、NRO、V和L則分別表示制冷劑、納米冷凍機油、氣相和液相。

根據預熱器和測試段的熱平衡，測試段進、出口的R600a/納米冷凍機油混合物的比焓可表示為

式中，hr,NRO,f為R600a/納米冷凍機油混合物經過流量計時的焓值，kJ·kg-1，由NIST REFPROP8.0求出；Qpre為預熱段上的總加熱量，W；Qtext為測試段上的總加熱量，W；為納米冷凍機油流量，kg·s-1；為制冷劑流量，kg·s-1；由式(3)和式(4)求出hr,NRO,in和hr,NRO,out，并代入式(1)和式(2)中即可求出xin和xout。測試段的平均干度取兩者的算術平均值。

含納米油制冷劑管內流動沸騰傳熱系數可由式(5)導出

式中，Tin為測試段管內壁的平均溫度，℃；Tr,sat為測試段內流動的含油制冷劑的飽和溫度，℃；q為實驗管壁的熱通量，可由式(6)計算得出

式中，Qtest為測試段上的總加熱量，W；A為測試段的有效加熱區域的內壁面積，m2。

由于實驗測試段的管壁較薄，約為0.76 mm，故近似認為實驗測試段管壁內部的導熱過程為沿半徑方向的一維導熱。同時測試段外壁面保溫性能優異，可認為是絕熱邊界條件。故內壁面的平均溫度可由式(7)一維導熱方程得出

式中，do和di分別為測試段圓管的外徑和內徑，mm；λ為圓管材料紫銅的熱導率，W·m-1·K-1；L為測試段的有效加熱長度，m；Tout為圓管外壁的平均溫度，由于測試段的溫度測點布置比較均勻，故取Tout為5個斷面（圖2）所有20個測點溫度的算術平均值

2.2測量參數的誤差分析

本文實驗臺的誤差主要來自兩個方面：一是預熱段和測試段的漏熱引起的誤差；二是測量儀表引起的誤差。針對第一類誤差，主要采用對預熱器和測試段進行標定和熱平衡實驗，以扣除這部分誤差。而對于第二類誤差，則采用 Gungor等[16]提出的誤差傳遞分析方法，計算傳熱系數的相對誤差，分析實驗系統的可靠性。傳熱系數的相對誤差傳遞方程為

在沸騰換熱實驗過程中，當熱量工況最大時，圓管內壁與混合物的換熱溫差為2.9℃，此時沸騰傳熱系數的最大相對誤差最大，為5.42%。

3　實驗結果與分析

3.1含油R600a的沸騰傳熱系數

圖3（a）～（d）分別是質量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，純R600a和R600a/冷凍機油混合物在水平光滑圓管內流動沸騰傳熱系數隨干度的變化趨勢。由圖可知，隨著干度的升高，R600a的沸騰傳熱系數呈現先升高后下降的趨勢。當入口干度到達0.7左右時，R600a的沸騰傳熱系數達到最大。當入口干度達到0.8左右時傳熱系數開始下降。此外，隨著質量流速的升高，R600a的傳熱系數也逐漸提高。添加冷凍機油后R600a的沸騰傳熱系數在低干度下有一定的提高，而整體的變化規律與純 R600a相同。Akhavan-Behabadi[12]和Wen等[17]對純R600a在不同管內的流動沸騰換熱特性進行了實驗，也得到了相近的結果。

圖3　R600a/3GS流動沸騰傳熱系數隨干度的變化Fig.3　Flow boiling heat transfer coefficient of R600a/3GS mixture versus vapor quality

3.2含納米油R600a的沸騰傳熱系數

圖4（a）～（d）分別是質量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，不同質量分數納米石墨冷凍機油和R600a混合物在水平光滑圓管內流動沸騰傳熱系數隨干度的變化趨勢。添加納米石墨粒子后，3GS/R600a混合物在管內的流動沸騰傳熱系數明顯增大。在低干度下（＜0.3），納米粒子的作用效果比較明顯，主要是由于納米粒子的添加，會明顯降低基液的表面張力[18]，使加熱表面的汽化核心處產生的氣泡變小，同時氣泡的數量變多，增強加熱表面的擾動，最終引起沸騰傳熱系數的升高。

3.3納米油對流動沸騰換熱的影響

為了定量分析納米粒子的添加對含油制冷劑管內流動沸騰換熱特性的影響，將含納米油制冷劑與含油制冷劑沸騰傳熱系數的比值定義為強化因子EFHT

式中，α為管內流動沸騰傳熱系數，W·m-2·K-1；下角標r,NRO和r,RO分別為R600a/納米冷凍機油混合物和R600a/冷凍機油混合物。

圖5（a）～（d）分別是質量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，不同質量分數的納米石墨粒子對 R600a/納米冷凍機油混合物沸騰傳熱系數的強化因子隨干度的變化規律。在 150 kg·m-2·s-1下，換熱強化因子在1.026～1.19之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數的平均強化率分別為3.8%、11.6%和15.8%。在200 kg·m-2·s-1下，換熱強化因子在1.008～1.132之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數的平均強化率分別為2.4%、6.4%和8.4%。在250 kg·m-2·s-1下，換熱強化因子在1.012～1.153之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數的平均強化率分別為3.6%、7.2%和9.9%。在300 kg·m-2·s-1下，換熱強化因子在1.044～1.128之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數的平均強化率分別為 5.8%、8.9%和9.3%。

圖4　R600a/納米石墨冷凍機油混合物流動沸騰傳熱系數隨干度的變化Fig.4　Flow boiling heat transfer coefficient of R600a/nano-refrigeration-oil mixture versus vapor quality

圖5　納米粒子對含油制冷劑流動沸騰換熱的強化因子Fig. 5　Coefficient of nanoparticles on flow boiling heat transfer of R600a/refrigeration-oil mixture

從圖5可以看出，在相同的質量流速下，隨著納米粒子濃度的提高，沸騰換熱強化率不斷升高，而隨著質量流速的上升，納米粒子的強化效果有一定的減弱。在低干度下，由于納米石墨粒子的添加，減小了含油制冷劑的表面張力，使其在管內流動沸騰時，氣泡變小，有利于強化換熱性能。另外，納米制冷劑管內流動過程中，在固體壁面形成納米尺度多孔質層，納米顆粒表面產生了流體分子吸附層，同時納米顆粒對黏性底層擾亂而減小邊界層厚度等，這些因素都會使換熱增強[19]。而當干度提高時，含油制冷劑本身的流型發生變化，形成霧狀流，因表面張力的變化帶來的影響變小，納米流體強化傳熱的效果只體現在熱導率的提高上，所以強化程度有所減弱。

4　含油納米制冷劑流動沸騰換熱關聯式

目前，關于納米冷凍機油/制冷劑的流動沸騰換熱關聯式還未見報道。本文在Gungor-Winterton關聯式的基礎上，引入一個納米粒子的綜合影響因子ξnp，可描述納米冷凍機油/R600a流動沸騰傳熱系數的實驗關聯式為

式中，hsp,NRO和hnb,NRO分別為R600a/納米冷凍機油混合物的對流沸騰傳熱系數和核態沸騰傳熱系數；E和S分別為對流沸騰和核態沸騰的影響因子，可表示為

式中，Bo和Xtt分別為沸騰數和Lochhart-Martinelli數[20]；量綱1參數Rer,NRO可由式(14)表示

式中，d為測試段圓管的直徑；G為混合物的質量流速，kg·m-2·s-1；μr,NRO為混合物的黏度。

ξnp的具體形式如下

式中，φn為納米粒子的體積分數；G0為制冷劑的質量流速，kg·m-2·s-1；a、b、c為擬合參數，由實驗測得的混合物流動沸騰傳熱系數采用非線性最小二乘法擬合得到，3個系數分別為 86.7、12.5 和59.4。

對比實驗關聯式的計算值與實驗結果后表明，94.5%的實驗數據與計算值偏差在±15%以內，平均偏差7.17%。因此認為該關聯式可以較準確地預測納米冷凍機油/R600a混合物流動沸騰傳熱系數。

5　結　論

（1）測得了純R600a、R600a/冷凍機油和不同濃度的納米石墨冷凍機油與R600a混合物在水平光滑圓管內流動沸騰傳熱系數。結果表明：R600a/冷凍機油混合物的沸騰傳熱系數略大于R600a的沸騰傳熱系數，兩者都隨著干度的升高先升高后下降，且在相同干度下隨著質量流速的升高而升高。添加納米石墨粒子后，管內的流動沸騰傳熱系數明顯增大，在實驗工況下，添加0.2%納米冷凍機油的混合物流動沸騰傳熱系數最大可提高19%。

（2）實驗工況下，納米顆粒影響因子EF=1.008～1.19，當質量流速為150 kg·m-2·s-1、添加的納米石墨粒子質量分數為0.2%時，傳熱系數的平均強化率最大，為15.8%。

（3）提出了基于含納米油制冷劑的混合物性和納米粒子綜合影響因子的實驗關聯式，用于定量描述相變流體流動沸騰傳熱系數，誤差在±15%以內。

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Effect of graphite nanolubricant on R600a flow boiling heat transfer

CHEN Mengxun1, ZHANG Hua1, LOU Jiangfeng2
(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2Zhejiang DUN’AN Artificial Environmental Equipment Co., Ltd., Zhuji 311835, Zhejiang, China)

A test rig with a horizontal smooth tube was built to measure flow boiling heat transfer of nanolubricant/refrigerant. The experimental study on heat transfer characteristics of graphite-nanorefrigerant flow boiling inside a horizontal smooth copper tube, with total length of 2.5 m, outside diameter of 9.52 mm, inside diameter of 8 mm and wall thickness of 0.76 mm was performed. Influence of graphite on flow boiling heat transfer characteristics of nanorefrigerant/oil mixture was investigated. There were three kinds of fluid under experiment：R600a, R600a/oil and graphite nanorefrigerant/oil with different graphite mass fractions (0.05%, 0.1% and 0.2%). Flow boiling heat transfer coefficients of these fluid versus vapor quality were measured respectively in a horizontal smooth tube under the mass flow density of 150, 200, 250, 300 kg·m-2·s-1. The results indicated that the presence of graphite enhanced the flow boiling heat transfer. A correlation for predicting the flow boiling heat transfer coefficient of nanorefrigerant/oil mixture with graphite was proposed and it agreed with 94.5% of the experimental data within a deviation of ±15%.

nanoparticles；heat transfer；measurement；heat transfer coefficient；prediction；correlation

date: 2015-06-01.

Prof. ZHANG Hua，Zhanghua3000@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51176124) and the Shanghai Leading Academic Discipline Project($30503).

10.11949/j.issn.0438-1157.20150761

TB 61+2; TB 383

A

0438—1157（2015）11—4394—07

2015-06-01收到初稿，2015-08-03收到修改稿。

聯系人：張華。第一作者：陳夢尋（1992—），女，碩士研究生。

國家自然科學基金項目(51176124)；上海市重點學科建設項目($30503)。