壓力對R134a流動換熱特性的影響

逯國強，胡桂秋，胡　凱

(承德石油高等專科學校 熱能工程系，河北　承德　067000)

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壓力對R134a流動換熱特性的影響

逯國強，胡桂秋，胡凱

(承德石油高等專科學校 熱能工程系，河北承德067000)

摘要：實驗研究了壓力參數對R134a在螺旋管內流動換熱特性的影響，結果表明在液態(tài)單相對流換熱階段，換熱系數隨壓力升高而減小，在流動沸騰換熱階段，換熱系數隨壓力的升高而增大。從壓力對定壓比熱容、氣泡行為特性影響的角度解釋了原因。實驗結果可為應用于空調器的螺旋管式蒸發(fā)器設計計算提供基礎數據。

關鍵詞：壓力；流動換熱；定壓比熱容；氣泡行為

R134a是空調設備目前常用的兩種制冷劑之一，研究其在蒸發(fā)器內流動換熱特性對于蒸發(fā)器設計和空調器性能提高有重要意義，因而成為當前研究的熱點。螺旋管是一種強化換熱管，它特有的彈簧狀結構能自由膨脹，熱應力小；工質管內流動時發(fā)生二次回流，能夠強化換熱，降低熱阻；相比于直管，相同空間可以布置更長的管子，因而在工程領域獲得了廣泛應用。當前對螺旋管換熱特性的研究主要以超臨界壓力鍋爐的螺旋管圈水冷壁換熱、高溫氣冷堆一回路換熱為應用背景，多數以水作為工質[1-3]。以制冷劑為工質，應用于空調蒸發(fā)器的螺旋管換熱特性研究鮮有報道。本文以制冷劑R134a為工質，通過電加熱模擬控制熱流密度工況，實驗研究了壓力參數對臥式螺旋管內流動換熱特性的影響，分析了作用機理，可為螺旋管式蒸發(fā)器的設計及計算提供基礎數據。

1實驗裝置簡介

實驗系統(tǒng)的循環(huán)示意圖如圖1所示。循環(huán)由計量泵1提供動力，液態(tài)工質被泵出后經質量流量計2進入實驗段3被加熱，發(fā)生從液態(tài)單相流動向流動沸騰的轉變。實驗段3與平衡段4均為臥式螺旋管，分別由兩個相同的電源加熱，實驗段3每增加一定的加熱量，平衡段4就相應地減小相同的加熱量，從而保持整個實驗系統(tǒng)輸入總熱量不變，以利于系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。從平衡段4出來的兩相工質進入冷凝器9被冷凝成為具有一定過冷度的液體，繼而進入儲液罐10，再次被計量泵1泵送，完成一次循環(huán)。冷凝器9的冷量由冷水機組提供。

實驗數據的處理主要求解不計軸向導熱的具有內熱源的一維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程，得到內側壁面溫度、確定流動沸騰起始點、計算局部換熱系數等，相關內容可參考文獻[4]。

2實驗結果及分析

本文在螺旋管流動方向上選取一個完整管圈上的五個等間距布置的測點(按照流體流經的先后順序分別編號為1至5)，如圖2所示，在質量流速G=150 kg·m-2·s-1，入口過冷度△Tsub=6.0 K條件下，研究了系統(tǒng)壓力分別為0.412 MPa、0.567 MPa時，五個測點的局部換熱系數分布情況。

2.1液態(tài)單相對流換熱

圖3是加熱熱流密度為q=1 000 W·m-2，工質在測試位置處于液態(tài)單相對流換熱階段時，不同壓力下五個測點的局部換熱系數分布情況。沿流動方向上看，同一壓力下，五個測點的局部換熱系數沒有呈現(xiàn)單調變化的規(guī)律，這是螺旋管換熱與直管換熱的不同之處。原因在于各測點處于螺旋管的不同位置，由于沿流動方向上流體受到的重力及離心力的大小、方向、作用機制持續(xù)變化，局部換熱系數主要受到這些因素的影響。

從圖3可以看到，在單相對流換熱階段，工質壓力越高，同一位置的局部換熱系數越低。

在這一階段，工質與壁面換熱的機理為液體強制對流換熱，在換熱管幾何條件相同的情況下，工質質量流速、入口過冷度、定壓比熱等物理參數對換熱過程起決定性作用。在溫度低于293 K范圍內，壓力越高，液態(tài)R134a的定壓比熱容Cp越低[5]，這就使得相同質量流速和工質入口過冷度下，高壓工質從壁面帶走熱量的能力低于低壓工質，換熱能力弱，因而局部換熱系數更小。

2.2流動沸騰換熱

圖4是加熱熱流密度為q=4 500 W·m-2，工質在測試位置處于流動沸騰換熱階段時，不同壓力下五個測點的局部換熱系數分布情況。可以看到，在流動沸騰換熱階段，工質壓力越高，同一位置的局部換熱系數越高。

在這一階段，工質與壁面換熱的機理為液態(tài)強制對流換熱與沸騰相變換熱的復合，且后者占據明顯的主導作用，壓力通過影響定壓比熱進而影響換熱的作用已相對微弱。而壓力對沸騰過程中的汽泡行為特性有明顯影響，進而影響到換熱特性。壓力的作用可從兩個方面分析：一方面，系統(tǒng)壓力越大，單個蒸汽分子的能量越大，汽泡從壁面脫離的強度更高，脫離速度更快，從而可以更迅速地從壁面帶走熱量，相同時間內帶走的熱量更多。此外，汽泡從壁面脫離后進入管子中心，通過凝結放熱的方式與液態(tài)工質進行熱量交換，在汽液兩相流動階段，壓力能夠影響汽、液態(tài)工質密度，對蒸汽態(tài)工質的影響尤其顯著，壓力越高蒸汽密度越大，這樣汽泡進入管子中心與液態(tài)工質接觸碰撞換熱的頻率越高，熱交換更為頻繁，換熱強度更高；另一方面，壓力越高，蒸汽飽和溫度越高，汽泡的表面張力隨飽和溫度的升高而降低，汽泡在壁面的滑行距離縮短[6]，脫離速度加快，不易形成阻礙傳熱的穩(wěn)定汽泡膜，從而熱阻更小，換熱強度更高，局部換熱系數更大。

3結論

系統(tǒng)壓力對制冷劑R134a在臥式螺旋管內流動換熱特性有顯著影響，且對液態(tài)單相對流換熱和流動沸騰換熱的作用效果相反。在液態(tài)單相對流換熱階段，壓力越高局部換熱系數越小；在流動沸騰換熱階段，壓力越高，局部換熱系數越大。對于螺旋管式換熱器，流動沸騰換熱量遠大于液態(tài)單相對流換熱量，因而提高系統(tǒng)壓力有利于整個換熱器平均換熱系數的提高。

參考文獻：

[1]郭萌, 趙亮, 毛宇飛, 等. 高質量流速下立式螺旋管內汽液兩相傳熱特性研究[J]. 工程熱物理學報, 2008, 29(3): 423-428.

[2]朱宏曄, 楊星團, 居懷明, 等. 螺旋管內水和蒸汽局部傳熱特性研究[J]. 熱科學與技術, 2012, 11(1): 27-33.

[3]陳聽寬, 羅毓珊, 胡志宏, 等. 超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁傳熱特性的研究[J]. 工程熱物理學報, 2004, 25(2): 247-250.

[4]邵莉. R134a 在臥式螺旋管內的兩相流動與傳熱特性研究[D]. 濟南：山東大學, 2009.

[5]朱明善, 韓禮鐘, 李立, 等. 綠色環(huán)保制冷劑HFC-134a熱物理性質[M]. 北京: 科學出版社, 1995.

[6]Prodanovic V, Fraser D, Salcudean M. Bubble behavior in subcooled flow boiling of water at low pressures and low flow rates[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2002, 28(1): 1-19.

Effect of System Pressure on R134a Flow Heat Transfer Characteristics

LU Guo-qiang， HU Gui-qiu， HU Kai

(Department of Thermal Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei， China)

Abstract:A research of system pressure effect on R134a flow heat transfer characteristics was experimentally performed, and the results indicate that the heat transfer coefficient decreases with the increasing of pressure under single liquid phase flow heat transfer condition, while under flow boiling heat transfer condition, the heat transfer coefficient increases with the increasing of pressure. An explanation from the point of pressure effect on the specific heat capacity and bubble behavior characteristics was given to analyze the phenomenon. The results can provide reference for the design and calculation of air conditioner helically-coiled evaporator.

Key words:pressure; flow heat transfer; specific heat capacity; bubble behavior

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：逯國強(1985-)，男，山東泰安人，承德石油高等專科學校熱能工程系助教，碩士，主要研究方向為制冷劑流動沸騰換熱、通風技術。

中圖分類號：TB64

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9446(2016)03-0025-03