R717在小管徑水平光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性

(1 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190； 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049； 3 華商國(guó)際工程有限公司 北京 100069)

在臭氧層破壞和全球變暖等環(huán)境危機(jī)的背景下，天然制冷劑的應(yīng)用又重新得到了重視。氨(R717)是天然制冷劑，它應(yīng)用于大型工業(yè)制冷系統(tǒng)中已經(jīng)超過(guò)一個(gè)世紀(jì)[1-2]。氨具有極好的熱物理性質(zhì)和環(huán)境友好性，因此在小型制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用也引起了廣泛關(guān)注[3-7]。由于氨制冷劑存在一定的可燃性和毒性，減小其在制冷系統(tǒng)中的充注量極為重要[6-8]。小管徑換熱管通常可以提供更高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[9]，因此它的應(yīng)用可以提升換熱器的緊湊性，同時(shí)減少系統(tǒng)中制冷劑的充注量。

準(zhǔn)確的換熱及壓降預(yù)測(cè)模型對(duì)于換熱器的設(shè)計(jì)極為重要，而開發(fā)相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型需要基于精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10-13]。J. R. Thome等[12]綜述了氨制冷劑在管內(nèi)的流動(dòng)沸騰特性，對(duì)比文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：氨制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要在精度和工況范圍兩方面進(jìn)行提升及擴(kuò)充。氨制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及兩相摩擦壓降的實(shí)驗(yàn)基本是在相對(duì)較大管徑內(nèi)(大于8 mm)進(jìn)行的，目前在小管徑內(nèi)飽和溫度低于0 ℃的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。

本文搭建了氨制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)氨制冷劑在小管徑水平光管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱及壓降進(jìn)行測(cè)試，并詳細(xì)分析干度、質(zhì)量流速及熱流密度對(duì)傳熱及壓降特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共包括4個(gè)循環(huán)：制冷劑主循環(huán)、過(guò)冷器和冷凝器的冷卻循環(huán)、預(yù)熱器的加熱循環(huán)、控制加熱器的加熱循環(huán)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of experimental setup

制冷劑主循環(huán)包括儲(chǔ)氨罐、過(guò)冷器、氨泵、氨質(zhì)量流量計(jì)、預(yù)熱器、傳熱測(cè)試段、壓降測(cè)試段、可視段、控制加熱器和冷凝器。從儲(chǔ)氨罐流出的氨制冷劑先經(jīng)過(guò)過(guò)冷器產(chǎn)生一定的過(guò)冷度，過(guò)冷后的氨制冷劑再通過(guò)氨泵加壓進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量環(huán)路內(nèi)的質(zhì)量流量，然后氨制冷劑進(jìn)入預(yù)熱器加熱到所需測(cè)試干度，產(chǎn)生的兩相氨制冷劑依次進(jìn)入傳熱測(cè)試段、壓降測(cè)試段和可視段，分別測(cè)試流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、兩相摩擦壓降和流型，測(cè)試完成后進(jìn)入控制加熱器加熱，最終通過(guò)冷凝器冷凝成液相后回到儲(chǔ)氨罐。

過(guò)冷器和冷凝器的冷卻循環(huán)采用的介質(zhì)為乙二醇水溶液，箱體內(nèi)的低溫乙二醇水溶液通過(guò)溶液泵輸送至過(guò)冷器和冷凝器中進(jìn)行冷卻，而箱體內(nèi)的乙二醇水溶液通過(guò)一臺(tái)獨(dú)立的R404A制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻。為了精確控制過(guò)冷器和冷凝器中的冷量，箱體內(nèi)的乙二醇水溶液通過(guò)PID控制布置在箱體內(nèi)的加熱器的加熱量維持恒定溫度。

預(yù)熱器采用乙二醇水溶液加熱方式。預(yù)熱器的加熱循環(huán)主要由乙二醇水溶液箱體、溶液泵和體積流量計(jì)組成。箱體內(nèi)放置了潛水式電加熱棒，電加熱功率通過(guò)調(diào)壓器進(jìn)行控制。加熱后高溫乙二醇水溶液通過(guò)溶液泵輸送至預(yù)熱器內(nèi)加熱制冷劑，乙二醇水溶液的流量通過(guò)體積流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)在預(yù)熱器的進(jìn)出口布置熱電偶分別測(cè)量乙二醇水溶液的進(jìn)出口溫度。

控制加熱器循環(huán)也是通過(guò)溶液泵將高溫乙二醇水溶液輸送至控制加熱器內(nèi)加熱制冷劑。控制加熱器的作用是調(diào)節(jié)測(cè)試段內(nèi)的飽和壓力，通過(guò)PID調(diào)節(jié)乙二醇水溶液箱體內(nèi)加熱器的加熱量來(lái)穩(wěn)定測(cè)試段內(nèi)的飽和壓力。

換熱測(cè)試段為一個(gè)內(nèi)徑與測(cè)試管內(nèi)徑相同，而外徑較大的不銹鋼塊。在不銹鋼塊外表面均勻布置柔性電加熱膜，在不銹鋼塊中部打孔布置熱電偶測(cè)溫，通過(guò)一維導(dǎo)熱方程計(jì)算管內(nèi)壁的溫度。該方式將電加熱與測(cè)溫分離，可增加熱流密度的均勻性及壁面溫度的準(zhǔn)確性。換熱測(cè)試段實(shí)物如圖2所示。柔性電加熱膜通過(guò)直流電源供電加熱，在加熱膜外表面先布置保溫層，再在保溫層外表面纏繞鋁箔膠帶減少輻射換熱。在換熱測(cè)試段的上、中、下對(duì)稱布置4支鎧裝熱電偶用于測(cè)量壁面溫度，在布置熱電偶前需先向孔內(nèi)填充導(dǎo)熱硅脂，減小導(dǎo)熱熱阻。

對(duì)于水平管的壓降測(cè)試，已有文獻(xiàn)中多采用的方式是直接測(cè)量換熱測(cè)試段的壓降，減去由于加熱產(chǎn)生的加速壓降，進(jìn)而得到摩擦壓降。但該方式誤差較大，所以本文在換熱測(cè)試段后專門設(shè)置了絕熱壓降測(cè)試段。本文壓降測(cè)試段為一段不銹鋼水平直光管，在管外壁布置保溫層用以隔熱。

圖2 換熱測(cè)試段實(shí)物Fig.2 Object of the heat transfer test section

除換熱測(cè)試段的電加熱功率需手動(dòng)錄入外，其它所有信號(hào)均采用Agilent 34 970 A進(jìn)行采集，為了便于信號(hào)的處理及顯示，本文自行開發(fā)了Labview采集程序。在每一個(gè)測(cè)試工況運(yùn)行穩(wěn)定后，開始保存采集的數(shù)據(jù)，持續(xù)5 min。

J. R. Thome等[12]建議氨制冷劑流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況范圍為：-30 ℃≤Tsat≤20 ℃，q<10 kW/m2。由于氨的潛熱較大，在實(shí)際應(yīng)用中，氨制冷劑質(zhì)量流速范圍為：10 kg/(m2·s)≤G≤ 80 kg/(m2·s)[14]?？紤]到實(shí)際應(yīng)用情況及實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可操作性，本文的測(cè)試工況如表1所示。

表1 測(cè)試工況Tab.1 Test conditions

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 干度計(jì)算

預(yù)熱器中的加熱量計(jì)算：

Qpre=cp,mixρmixVmix(Tmix,in-Tmix,out)

(1)

式中：cp,mix、ρmix和Vmix分別為乙二醇水溶液的比熱容(kJ/(kg·K))、密度(kg/m3)和體積流量(m3/s)；Tmix,in和Tmix,out分別為預(yù)熱器中乙二醇水溶液的進(jìn)、出口溫度，K。

換熱測(cè)試段進(jìn)口干度為：

換熱測(cè)試段出口干度為：

式中：Qtest為換熱測(cè)試段的加熱功率，kW。

換熱測(cè)試段的平均干度為進(jìn)出口干度的平均值：

2.2 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算

局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

式中：q為換熱測(cè)試段的熱流密度，kW/m2；Tw為內(nèi)壁面溫度，K；Tsat為制冷劑飽和溫度，K。換熱測(cè)試段熱流密度：

式中：Qloss為漏熱量，kW；D為換熱測(cè)試段內(nèi)徑，m；Lh為換熱測(cè)試段加熱長(zhǎng)度，m。內(nèi)壁面溫度Tw根據(jù)測(cè)點(diǎn)溫度Tm通過(guò)一維導(dǎo)熱方程推出：

式中：λ為不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m·K)；Dm為溫度測(cè)點(diǎn)位置的直徑，m。

制冷劑飽和溫度取換熱測(cè)試段進(jìn)出口飽和溫度的平均值：

2.3 摩擦壓降計(jì)算

在壓降測(cè)試段中，總壓降Δpt(kPa)由三部分組成：重力壓降Δpg(kPa)、加速壓降Δpm(kPa)和摩擦壓降Δpf(kPa)。

Δpt=Δpg+Δpm+Δpf

(9)

本文測(cè)試的是水平管中的壓降，故重力壓降Δpg=0；且壓降測(cè)試段為絕熱，故加速壓降Δpm≈0。即壓降測(cè)試段測(cè)得的壓差可認(rèn)為是摩擦壓降。

2.4 不確定度分析

由于測(cè)量?jī)x器的限制、實(shí)驗(yàn)條件的影響、測(cè)量方法的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差。不確定度是指由于測(cè)量誤差的存在，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能肯定的程度。本文根據(jù)R. J. Moffat[15]的誤差傳遞分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行分析。測(cè)量參數(shù)不確定度如表2所示，計(jì)算可得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的不確定度為±8.3%。

表2 測(cè)量參數(shù)不確定度Tab.2 Parameter uncertainties

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

圖3所示為在4 mm管內(nèi)飽和溫度為-5 ℃工況下，流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在不同質(zhì)量流速和熱流密度下隨干度的變化。由圖3可知，流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著干度的增加而增加。且質(zhì)量流速越大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，這是由于對(duì)流蒸發(fā)換熱增大導(dǎo)致。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從質(zhì)量流速為50 kg/(m2·s)到80 kg/(m2·s)的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于從80 kg/(m2·s)到100 kg/(m2·s)的增長(zhǎng)幅度。該特性可以通過(guò)不同質(zhì)量流速下流型的轉(zhuǎn)變解釋。質(zhì)量流速為50 kg/(m2·s)時(shí)，流型在全干度范圍內(nèi)主要為分層波狀流。當(dāng)質(zhì)量流速增至80 kg/(m2·s)和100 kg/(m2·s)后，流型將在一定干度下從分層波狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流，且質(zhì)量流速越大，轉(zhuǎn)變時(shí)的干度越小。隨著干度的增加，對(duì)流蒸發(fā)增強(qiáng)，而核態(tài)沸騰被抑制。且質(zhì)量流量越大，核態(tài)沸騰抑制發(fā)生的越早，導(dǎo)致不同質(zhì)量流速下的流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在高干度區(qū)域相接近。

圖3 當(dāng)Tsat=-5 ℃時(shí)，流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在不同質(zhì)量流速和熱流密度下隨干度的變化Fig.3 Variation of flow boiling surface coefficient of heat transfer with vapor quality under different mass fluxes and heat fluxes when Tsat=-5 ℃

對(duì)比圖3(a)和3(b)可知，熱流密度增大可以增大流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，同時(shí)可以減弱對(duì)核態(tài)沸騰的抑制。這是因?yàn)楦邿崃髅芏瓤梢约せ罡嗟某珊它c(diǎn)，加速氣泡的產(chǎn)生和從壁面的脫離，強(qiáng)化了核態(tài)沸騰換熱。此外，根據(jù)K. E. Gungor等[16]的預(yù)測(cè)模型可知，熱流密度越大，沸騰數(shù)Bo=q/(GHlv)越大，而沸騰數(shù)的增大使對(duì)流蒸發(fā)換熱的強(qiáng)化因子變大，進(jìn)而強(qiáng)化對(duì)流蒸發(fā)換熱。熱流密度對(duì)流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響是這兩者共同作用的結(jié)果。

圖4 兩相摩擦壓力梯度在不同質(zhì)量流速下隨干度的變化Fig.4 Variation of two-phase frictional pressure gradients with vapor quality under different mass fluxes

3.2 摩擦壓降

圖4所示為在4 mm管內(nèi)飽和溫度為-5.5 ℃時(shí)，兩相摩擦壓力梯度在不同質(zhì)量流速下隨干度的變化。由圖4可知，對(duì)于不同質(zhì)量流速，兩相摩擦壓降均隨干度的增加而增大，這是由于隨著干度的增加，管內(nèi)的流速增大造成的。但兩相摩擦壓降增大的速率在低干度區(qū)域要高于高干度區(qū)域。此外，在固定干度下兩相摩擦壓降呈現(xiàn)出隨質(zhì)量流速增大而增大的趨勢(shì)。這是由于質(zhì)量流速增大會(huì)引起氣相和液相的速度顯著增大導(dǎo)致。

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了氨制冷劑在4 mm管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱和兩相摩擦壓降的特性，分析了干度、質(zhì)量流速和熱流密度對(duì)流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和兩相摩擦壓降的影響，得到以下結(jié)論：

1)流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著干度的增加而增大。且質(zhì)量流速越大，流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，但當(dāng)流型轉(zhuǎn)換到環(huán)狀流后，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增大趨勢(shì)減緩。增大熱流密度可使流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，同時(shí)可以減弱對(duì)核態(tài)沸騰的抑制。

2)隨著干度的增大，兩相摩擦壓降增大，但在高干度區(qū)域兩相摩擦壓降增大的速率減緩。干度相同時(shí)，兩相摩擦壓降隨質(zhì)量流速的增大而增大，這是由于質(zhì)量流速增大會(huì)引起氣相和液相的速度顯著增大導(dǎo)致。

本文受中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(CRY0201709)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Open Fund of CAS Lab of Cryogenics, TIPC (No. CRY0201709).)