水平微肋管內有機工質R245fa的沸騰換熱性能

王志奇，劉力文，賀妮，夏小霞, 2，彭德其，張建平，明鎮洋

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水平微肋管內有機工質R245fa的沸騰換熱性能

王志奇1，劉力文1，賀妮1，夏小霞1, 2，彭德其1，張建平1，明鎮洋1

(1. 湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭，411005； 2. 中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

為增強有機朗肯循環發電系統中蒸發器的傳熱能力，對水平微肋管內新型有機工質R245fa的沸騰換熱性能進行實驗研究。研究結果表明：R245fa沸騰換熱系數隨質量流速增大而提高，隨飽和溫度和熱流密度增大而減小；隨著干度增大，沸騰換熱系數先增大后降低，存在1個臨界干度；在實驗條件下，臨界干度約為0.4，并與實驗工況有關；超過臨界干度時，質量流速對R245fa沸騰換熱系數的強化作用增大，而飽和溫度對沸騰換熱的抑制作用增大；在4種常用關聯式中，KANDLIKAR關聯式對R245fa沸騰換熱性能的預測較精確，預測值與91.6%的實驗值偏差在±25%以內，絕對平均偏差為11.2%，能滿足工程設計要求。

微肋管；R245fa；沸騰換熱；預測關聯式

有機朗肯循環(ORC)可以將低品位熱能轉換成電能，具有設備簡單、熱效率高等優點，其市場應用前景廣闊[1?2]。在眾多有機工質中，R245fa作為第4代制冷劑，具有良好的熱物理屬性和優越的環保特性，是一種非常適合于有機朗肯循環的低沸點工質[3?4]。微肋管強化傳熱技術可以增強蒸發器的傳熱效率，減少換熱面積，進而提高ORC系統的整體性能。目前，國內外一些研究者對光滑管內R245fa的沸騰換熱特性進行了實驗研究，指出管徑、熱流密度及含氣率會對沸騰換熱系數產生一定的影響，并認為Liu-Winterton關聯式可以較精確地預測R245fa的沸騰換熱性能[5?7]。在強化管內沸騰換熱特性研究方面，張小艷[8]認為微肋管可以強化非共沸制冷劑R417A的沸騰換熱能力。通過對比微肋管內R410A和R22的沸騰換熱能力，程建等[9?10]指出質量流速和管徑是影響制冷劑沸騰換熱能力的重要因素，且R22具有更高的沸騰換熱系數。ECKELS等[11]研究了不同蒸發溫度下R134a的流動沸騰換熱性能，得出沸騰換熱系數隨蒸發溫度增大而呈線性增大。此外，歐陽新萍等[12]研究了微肋管幾何參數對沸騰換熱的影響，認為較大螺旋角與螺旋數有利于沸騰換熱。WU等[13]對微肋管強化傳熱機理進行了研究，指出較高的肋片與齒頂角能增強液膜的湍流，從而強化沸騰換熱。目前人們針對R245fa沸騰換熱的研究主要集中于光滑管，而對微肋管方面的研究較少。為此，本文作者對微肋管內R245fa的沸騰換熱特性進行實驗研究，并確定新型制冷劑的沸騰換熱預測關聯式，以便為ORC系統高效蒸發器的設計提供依據。

1 實驗裝置

R245fa沸騰換熱性能實驗系統見圖1。實驗系統主要由制冷劑回路、冷卻水回路、電加熱系統以及數據采集系統等幾部分組成。

在制冷劑回路中，實驗工質由多級離心泵提供動力，經調節閥和干燥過濾器后進入轉子流量計，然后流入預熱段與實驗段。從實驗段出來的工質經過減壓閥節流降壓，再流入板式換熱器中被冷卻水冷卻，回到儲液罐，完成整個循環。

工質預熱段與實驗段都采用電熱絲加熱的方式，加熱時電壓通過調壓器進行調節，2部分的最大加熱功率分別為5 kW與1 kW。預熱段采用光滑銅管，其外徑為8 mm，長度為2 m。實驗段為微肋銅管，外徑為7 mm，總長為1.5 m。微肋管的結構如圖2所示，其主要結構尺寸如表1所示。

圖1 實驗系統流程圖

實驗段沿長度方向共布置10組測溫熱電偶，每組測溫裝置相隔150 mm。每組熱電偶由3個微細T型熱電偶組成，分別布置在實驗段各截面的頂部、底部以及側部。為保證實驗段與預熱段的絕緣性與保溫性能，管段表面纏繞導熱絕緣膠帶，并用保溫材料對管道進行保溫處理。此外，預熱段進口、實驗段出口設有壓力、溫度測量裝置，用于測量實驗中工質的壓力與溫度。在實驗過程中，溫度與壓力信號由無紙記錄儀采集。實驗系統中的主要測量儀器性能如表2所示。

圖2 微肋管結構示意圖

表1 微肋管主要結構參數

表2 實驗系統所用主要測量儀器及參數

2 實驗原理

微肋管內R245fa沸騰換熱系數的計算公式為

式中：為實驗段的傳熱量，W；w,in為微肋管內壁溫度，℃；為實驗段銅管外壁面積，m2；e為工作壓力下R245fa的飽和溫度，℃。本實驗假定實驗段壓力沿流動方向上呈線性變化，選取石英玻璃管出口處的壓力作為實驗段出口壓力，再根據差壓變送器讀數即可確定實驗段任意截面的工作壓力。

根據一維徑向穩態導熱方程，可計算內壁溫度w,in：

式中：out為微肋管的外直徑，m；in為微肋管內徑，m；為實驗段銅管加熱的有效長度，m；w為微肋管的導熱系數，W/(m·K)；w,o為實驗段的管外壁溫度，℃。外壁溫度取3個測點的平均值，根據式(3)計算得到內外壁溫差僅為0.02 ℃，可認為內外壁溫相等。

根據熱平衡方程，可計算實驗段各測點間制冷劑的干度變化：

式中：為制冷劑的焓，kJ/kg；為干度；為制冷劑的潛熱，J/g；為制冷劑流量，kg/s；下標表示第測試段；in和out分別表示進口與出口；y表示預熱段。根據R245fa的入口溫度與壓力，可以確定制冷劑的入口焓，結合各測試段電熱絲的加熱量可求得出口焓。2個測點間的平均干度x為

3 結果與分析

在實驗研究過程中，制冷劑的質量流速范圍為96~339 kg/(m2·s), 熱流密度為3~16 kW/m2，干度為0.07~0.65, 蒸發溫度為25~45 ℃。在該實驗工況下，干度對R245fa沸騰換熱系數的影響見圖3(其中，為熱流密度，為質量流速)。

從圖3可見：沸騰換熱系數隨干度增大先增大后降低，即存在1個峰值，該峰值對應的干度稱為臨界干度；在工況1下，當干度從0.07增大至臨界干度0.40時，沸騰換熱系數從2.078 kW/(m2·K)增大至3.547 kW/(m2·K)，提高了70.7%；當干度從0.4升高至0.6時，沸騰換熱系數降至2.987 kW/(m2·K)，與最大值相比降低了15.8%。這主要是由于低干度區的氣態制冷劑含量較少，核態沸騰起主導作用，氣泡數量的增大有利于迅速帶走管壁熱量，使沸騰換熱能力提高；隨著干度增大，強制對流蒸發逐步起決定作用，而氣態制冷劑含量增大，導致氣泡直接接觸翅片的概率增大，不利于對流蒸發的進行。

從圖3還可以看出：臨界干度也會隨著工況發生變化；工況1、工況2和工況3所對應的臨界干度分別為0.40，0.44和0.38。管內沸騰換熱主要是核態沸騰換熱和強制對流蒸發綜合作用的過程。在不同流型區域對核態沸騰和強制對流蒸發影響程度不一樣，沸騰換熱能力也會出現一定變化。在工質流動過程中，受熱流密度、質量流速、工作壓力、工質物性的綜合影響，氣泡生成速率和氣泡直徑發生變化，引起干度發生改變進而引起流型發生變化，形成臨界干度。

圖3 沸騰換熱系數隨干度的變化規律

當質量流速為192 kg/(m2?s)、飽和溫度為35 ℃時，熱流密度及干度對沸騰換熱系數的影響如圖4所示。

圖4 不同熱流密度q下沸騰換熱系數隨干度的變化規律

從圖4可以看出：沸騰換熱系數隨熱流密度的增大而減小；當干度為0.38時，熱流密度從3 kW/m2增大至16 kW/m2，R245fa的沸騰換熱系數從4.137 kW/(m2·K)減小至2.869 kW/(m2·K)，降低了30.7%；微肋管的翅片含有許多汽化核心，隨著熱流密度升高，管壁過熱度增大，加快了氣泡形成與脫離頻率。大量氣泡會使環狀流提前到來，進而產生較大的抑制作 用[14]。同時，生成的大量氣泡減薄了翅片表面液膜，從而降低了沸騰換熱效果。

當熱流密度為16 kW/m2、飽和溫度為25 ℃時，質量流速對沸騰換熱系數的影響如圖5所示。

從圖5可見：隨著質量流速增大，R245fa沸騰換熱系數不斷提高；當干度大于臨界干度時，質量流速對沸騰換熱系數的影響增大；當質量流速從96 kg/(m2·s)增大至339 kg/(m2·s)時，干度為0.3時對應的沸騰換熱系數提高52.6%，而干度為0.5時對應的沸騰換熱系數提高151.4%。造成上述結果的主要原因是：當干度小于臨界干度時，核態沸騰占主導地位，氣泡產生的速度直接主導沸騰換熱系數，換熱系數隨質量流速變化幅度較小；當干度大于臨界干度時，對流換熱處于優勢地位，在翅片擾動下流速對邊界層的影響加劇，強化了質量流速對沸騰換熱的影響。當熱流密度為16 kW/m2、質量流速為339 kg/(m2·s)時，飽和溫度對沸騰換熱的影響如圖6所示。

圖5 不同質量流速G下沸騰換熱系數隨干度的變化

在圖6可以看出：當R245fa的飽和溫度增大時，沸騰換熱系數逐漸降低；當干度為0.3時，飽和溫度在25 ℃與45 ℃時R245fa的沸騰換熱系數分別為3.137 kW/(m2·K)和2.763 kW/(m2·K)，降低了13.5%；當干度大于臨界干度時，飽和溫度升高產生的抑制作用更加明顯；當干度為0.5時，R245fa從25 ℃升高至45 ℃，所對應的沸騰換熱系數下降36.7%。飽和溫度的升高帶來2個方面的影響：1) 有利于內螺紋管內壁壁面氣化核心的生成，增大核態沸騰能力；2) 影響制冷劑物性參數，如兩相雷諾數、氣化潛熱等。在低干度區，核態沸騰占主導地位，氣化核心生成速度對沸騰換熱的促進作用明顯；在高干度區，強制對流蒸發占主導地位，沸騰換熱系數與液膜本身直接換熱關系更大，氣泡帶走熱量所占比例降低，工質物性所起的作用更大。制冷劑的沸騰換熱系數主要受制冷劑的熱物性參數和實驗工況的雙重影響，這2種影響綜合作用，導致R245fa在低干度區熱熱系數隨溫度的變化幅度沒有高干度區的大。

圖6 不同飽和溫度下沸騰換熱系數隨干度的變化

4 沸騰換熱預測關聯式

由于管內流動沸騰換熱過程的復雜性，目前對沸騰換熱進行預測時主要采用半經驗半理論關聯式。在制冷劑沸騰換熱性能預測關聯式中，GUNGOR- WINTERTON，LIU-WINTERTON，CHIOU以及KANDLIKAR是4種應用較多的關聯式。

GUNGOR-WINTERTON關聯式認為流動沸騰是核態沸騰換熱和強制對流蒸發換熱共同作用的結果，其關聯式可表示為[15]

式中：sp為單相強制對流換熱系數，W/(m2·K)；pool為池沸騰換熱系數，W/(m2·K)；為對流強化因子；為核態沸騰抑制因子。LIU-WINTERTON關聯式將核態沸騰和對流沸騰簡單的算術疊加轉變成漸進疊加的方式，其預測關聯式可表示為[16]

CHIOU關聯式的具體形式如下[17]：

4種沸騰換熱預測關聯式對本實驗數據的預測結果如圖7所示。

從圖7可以看出：與實驗結果相比，LIU- WINTERTON關聯式與CHIOU關聯式的預測值偏大，預測的絕對平均偏差分別為24.5%與31.5%；GUNGOR-WINTERTON關聯式的預測結果偏小，預測的絕對平均偏差為30%。在這4個關聯式中，KANDLIKAR關聯式最大的優勢是引入了流體因子，考慮到不同流體的物性不同而調整量綱一參數，從成熟的單相流傳熱關聯式推導出來，有很強的適應性。KANDLIKAR關聯式對水平微肋管內R245fa沸騰換熱系數的預測精度最高，預測值有91.6%落在±25%偏差范圍內，且預測的絕對平均偏差為11.2%，能滿足工程設計需求。

圖7 不同關聯式的預測結果

5 結論

1) 在實驗工況下，水平微肋管內R245fa的沸騰換熱系數隨干度的增大先增大后減小，存在臨界干度，且臨界干度受工質運行條件的影響。

2) R245fa沸騰換熱系數隨著質量流速增大而增大，隨飽和溫度和熱流密度增大而降低；當干度超過臨界干度時，增大質量流速可大幅度提升沸騰換熱系數，而提高飽和溫度會加劇對沸騰換熱的抑制作用。

3) 4種代表性預測關聯式中，KANDLIKAR關聯式對R245fa沸騰換熱性能的預測精度最高，預測值有91.6%落在實驗值±25%偏差范圍內，絕對平均偏差為11.2%。

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(編輯 陳燦華)

Flow boiling heat transfer characteristics of R245fa in horizontal micro-fin tube

WANG Zhiqi1, LIU Liwen1, HE Ni1, XIA Xiaoxia1, 2, PENG Deqi1, ZHANG Jianping1, MING Zhenyang1

(1. Institute of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411005, China; 2. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

To intensify the heat transfer process of evaporator in organic Rankin cycle (ORC), flow boiling heat transfer characteristics of R245fa in a horizontal micro-fin tube were tested. The results show that boiling heat transfer coefficient increases with the increase of mass velocity of R245fa, while it decreases with the increase of saturation temperature and heat flux density. With the increase of vapor quality, boiling heat transfer coefficient reaches the maximum at a critical vapor quality. The critical vapor quality is about 0.4, and it is varied according to the operating conditions. When vapor quality is larger than the critical value, heat transfer coefficient can be promoted more remarkably at higher mass velocity or lower saturation temperature. Among the four widely used correlations, KANDLIKAR correlation has high forecast accuracy, the deviation between the forecast value and 91.6% of experimental values is within ±25%, and the absolute mean deviation is 11.2%.The correlation is more precise to predict boiling heat transfer coefficients, and it can be used for the design of evaporator in ORC.

micro-fin tube; R245fa; flow boiling; prediction correlations

TK124

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.030

1672?7207(2018)03?0741?06

2017?04?10；

2017?06?15

國家自然科學基金資助項目(51405415)；湘潭大學博士基金資助項目(13QDZ04) (Project(51405415) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(13QDZ04) supported by the Scientific Research Foundation for Doctors of Xiangtan University)

王志奇，博士，副教授，從事強化傳熱研究；E-mail: wangzhiqi@xtu.edu.cn