R1234ze（E）水平管外沸騰傳熱模擬研究

摘?要：本文采用數值計算的研究方法對R1234ze（E）在水平光管和強化管外不同工況下核態沸騰傳熱性能進行研究，得到了R1234ze（E）管外核態沸騰流場分布，并對比了在不同翅密度和不同翅高度下的管外沸騰換熱特性。研究表明：在飽和溫度為6℃，熱流密度為50kW/m2工況下，R1234ze（E）在強化管翅密度為50fpi時，管外傳熱系數最大;在翅密度為50fpi時，翅高為0.6mm時管外傳熱系數達到最大。

關鍵詞：R1234ze（E）;強化管;數值模擬

Abstract：In this paper，the nucleated boiling heat transfer performance of R1234ze（E）under different operating conditions outside the horizontal light tube and reinforced tube is studied by numerical calculation，and the nucleated boiling flow field distribution outside the tube of R1234ze（E）is obtained，and the boiling heat transfer characteristics outside the tube under different fin densities and different fin heights are compared.The study shows that：at the saturation temperature of 6℃ and heat flow density of 50 kW/m2 working condition，R1234ze（E）has the maximum heat transfer coefficient outside the tube at the reinforced tube fin density of 50 fpi;the maximum heat transfer coefficient outside the tube is reached at the fin height of 0.6mm at the fin density of 50 fpi.

Keywords：R1234ze（E）;enhanced tube;numerical simulation

隨著改革開放的深入，現階段能源無論是在日常生活還是在工業領域都扮演著重要角色。目前我國的碳減排工作已經進入總量控制階段，而建筑作為能源消耗的三大“巨頭”之一，是溫室氣體排放的重要來源[1]，所以如何降低空調、采暖等方面的能耗成為了當前研究學者的熱門課題。

制冷劑作為組成空調系統的重要組成部分，研究其如何在盡可能地降低環境污染的前提下提高傳熱效率更是成為了許多研究學者的重點研究領域。Gorgy等[2]通過對制冷劑R1234ze（E）、R1233zd（E）、R123、R134a、R-450A在光滑銅管以及外表面有翅片內表面有螺紋的強化管的傳熱性能進行實驗分析，結果表明：在熱流密度為10～60kW/m2時，強化管的傳熱性能是光管的5.5倍，在低熱流密度時，幾乎接近10倍。Vakili-Farahani等[3]以R245fa、R1234ze（E）為研究對象，采用實驗的研究方法研究了這兩種制冷劑的沸騰傳熱性能，分析了熱流密度等因素對傳熱性能的影響，并對兩種制冷劑的沸騰傳熱系數的沸騰傳熱系數關聯式做了預測。目前對R1234ze（E）制冷劑的管外沸騰大多以實驗的研究方法進行，以數值模擬的方法對新型制冷劑R1234ze（E）在不同結構換熱管外沸騰傳熱性能的研究相對較少，本文通過數值模擬的方法研究R1234ze（E）在光管和不同結構參數的強化管外核態沸騰傳熱特性，為R1234ze（E）在制冷空調領域的應用、優化提供參考。

1 數值計算模型

1.1 物理模型

本文以R1234ze（E）制冷劑為研究對象，研究其在光管和強化管外表面核態沸騰傳熱特性，物性參數由軟件REFPROP提供。考慮到相變模擬的復雜性，對于光滑銅管采用二維模型對其進行簡化。對于強化管選擇強化管的一個強化傳熱單元即兩翅間為研究對象，對于強化管采用三維模型，強化管的結構如圖1、圖2所示，光管與強化管的管型參數如下表1所示。

1.2 物理模型簡化及假設

在使用計算流體力學軟件進行計算時，為了在有限的計算資源下更快地得到穩定的收斂結果，需對計算過程的次要因素進行簡化。本課題對兩種制冷劑在水平光滑管和強化管外側沸騰進行數值模擬，對其簡化和假設如下：

（1）由于管外沸騰傳熱以吸收制冷劑的潛熱為主，管外制冷劑溫度變化較小，所以假設制冷劑物性參數不變[4]。

（2）核態沸騰流動是湍流且是瞬態的[5]。

（3）由于制冷劑在管外的核態沸騰流動速度較小，氣液相的分布受重力影響不可忽略，因此考慮重力對模擬的影響[6]。

（4）制冷劑在管外的氣相和液相的接觸角是恒定6.5°[5]。

（5）對于光滑管忽略管壁厚度對數值模擬結果的影響[7]。

1.3 網格劃分

考慮到管壁處流體的流場分布變化較大、強化管的外表面翅尺寸較小，為觀測到管壁附近流體細微變化且得到精確的計算結果，靠近管壁處的網格需要進行加密處理。加密后光管的網格劃分如圖3所示，越靠近壁面網格尺寸越小。強化管的網格劃分如圖4所示，翅片處網格尺寸最小，從翅片處到管內部和流體域網格尺寸逐漸增大，強化管外翅處網格劃分如圖5所示。

1.4 邊界條件

在網格導入數值計算軟件之前，在軟件ICEM中共設置了四個part：入口（Inlet）、出口（outlet）、墻面（wall）、管壁（pipe），光管和強化管入口邊界條件類型為壓力入口，光管和強化管出口邊界條件類型均為壓力出口，管壁的邊界條件類型設置為恒熱流加熱壁面，材料為銅。

1.5 求解設置

本文選取雙精度解算器。本文采用了瞬態和基于壓力的求解器，壓速耦合采用體積分數耦合方案。在對計算空間離散時，使用Least Squares Cell Based算法，氣液相界面體積分數方程求解采用Modified-HRIC方法，對于方程采用二階迎風格式對方程進行求解，亞松弛因子設置范圍為0.2～0.5，瞬態方程采用一階隱式格式。

對于流體域的初始化，流體域中充滿了具有相應飽和溫度的制冷劑。建立了管壁平均溫度的表面監視器，瞬態模擬計算一直持續到得到收斂的管壁溫度，當管壁溫度變化較小時停止計算。

2 數值模擬結果及分析

R1234ze（E）在水平管外沸騰傳熱流場分布。在熱流密度為60kW/m2、蒸發溫度為6℃的條件下，R1234ze（E）在水平光滑銅管外的氣相體積分數如圖6所示，速度分布云圖如圖7所示。在B4660-3D管外的氣相體積分數和速度場分布如圖8所示。從圖6可知，隨著R1234ze（E）在管外的不斷吸熱蒸發，由于氣相的R1234ze（E）密度較低，氣泡沿管的外側上浮，并在管的上端聚集，所以出現了如圖所示的氣相體積分數云圖。從圖7可知，在光滑管底部產生的氣泡受浮力的和粘滯力的作用，沿管壁開始上浮，在管的左右兩側速度最大，隨著氣泡的匯集當氣泡上升到管的上端，來自管壁左右兩側的氣泡產生碰撞并匯集。圖8為R1234ze（E）在熱流密度為60kW/m2、飽和溫度為6℃的工況下，B4660-3D管外氣相體積分數分布云圖，對比光滑和強化管的氣相體積分數云圖可知，在同一工況下，強化管外表面產生更多的氣泡，對管外沸騰傳熱的擾動較大。

3 結果及分析

3.1 翅密度對管外沸騰傳熱特性的影響

在飽和溫度為6℃，熱流密度為50kW/m2工況下，R1234ze（E）在B3860-3D、B4260-3D、B4660-3D、B5060-2E、B5660-3D的管外沸騰傳熱模擬結果如圖9所示，當翅密度為50fpi時沸騰傳熱系數達到最大值14.87kW/（m2·K）。

對比不同翅密度的沸騰傳熱系數值可知，在熱流密度為50kW/m2工況下，R1234ze（E）在不同管型強化管外的沸騰傳熱系數隨著翅密度的增加先增加后減小，在相同長度的傳熱管上，翅密度越大，翅間距越小，較小的翅間距具有更多的凹槽，具有很多的汽化核心數，對管壁外表面制冷劑傳熱擾動增強，但在高翅數下，較小的翅間距不利于氣泡的分離，使得液態制冷劑得不到及時的補充，因此在翅密度為56fpi時，相比翅密度為50fpi時管外傳熱系數有所降低。

3.2 翅高對管外沸騰傳熱特性的影響

由上述分析可知，在飽和溫度為6℃，熱流密度為50kW/m2工況下，R1234ze（E）的管外沸騰傳熱系數在翅數為50fpi時達到最大，因此選擇在翅密度為50fpi時，研究R1234ze（E）在不同翅高下的傳熱特性。在翅數為50fpi，熱流密度為50kW/m2、60kW/m2和70kW/m2工況下，R1234ze（E）在B5040-3D、B5050-3D、B5060-3D、B5070-3D、B5080-3D管外沸騰傳熱模擬結果如圖10所示。

對比R1234ze（E）在不同翅高的沸騰傳熱系數值可知，R1234ze（E）在三種工況下沸騰傳熱系數呈現出隨著翅高的增加先增加后降低的趨勢。在熱流密度時50kW/m2和60kW/m2工況時，R1234ze（E）在翅高為0.6mm時的管外沸騰傳熱系數達到最大值。在熱流密度為70kW/m2工況時，R1234ze（E）在翅高為0.6mm與0.7mm時相差不大。在翅高在0.4～0.6mm范圍內，管外沸騰傳熱系數在熱流密度為50kW/m2與熱流密度為60kW/m2的差距明顯，隨著翅高的增加，管外沸騰傳熱系數在熱流密度為50kW/m2與熱流密度為60kW/m2的差距減小。分析其原因是由于當翅高較小時，翅高度的增加，使得傳熱面積增加，提高了強化管的傳熱效率[8]，當翅高度較大時，管壁翅高方向的溫度逐漸降低，翅高的增加使得液體不能及時補充到過熱度較大的翅根處，反而使得傳熱效率降低。

4 結論

本文對R1234ze（E）在水平光管和強化管外不同工況下核態沸騰傳熱特性進行數值模擬研究，得出以下結論：

（1）在飽和溫度為6℃，R1234ze（E）在翅密度為38～56fpi的強化管外沸騰傳熱系數隨翅密度的增加先增大后減小，翅密度為50fpi時，管外傳熱系數最大。

（2）在飽和溫度為6℃，翅密度為50fpi時，R1234ze（E）在翅度為0.4～0.8mm的強化管外沸騰傳熱系數隨著翅高的增大先增加后減小，在翅高為0.6mm時傳熱系數達到最大。

參考文獻：

[1]中國建筑節能協會，2019中國建筑能耗研究報告[J].建筑，2020（07）：30-39.

[2]Gorgy E.Nucleate boiling of low GWP refrigerants on highly enhanced tube surface[J].International Journal of Heat & Mass Transfer，2016，96（May）：660-666.

[3]Vakili-Farahani F，Agostini B，Thome J R.Experimental study on flow boiling heat transfer of multiport tubes with R245fa and R1234ze（E）[J].International Journal of Refrigeration，2013，36（2）：335-352.

[4]王鈺沛.異型管傳熱器殼側對流傳熱數值模擬與實驗研究[D].天津大學，2014.

[5]Mao S F，Ji W T，Chong G H，et al.Numerical investigation on the nucleate pool boiling heat transfer of R134a outside the plain tube[J].Numerical Heat Transfer Applications，2019（2）：1-20.

[6]田思瑤.R290在水平銅管內流動沸騰傳熱的數值模擬[D].南昌大學，2020.

[7]Huber G，Tanguy S，Sagan M，et al.Direct numerical simulation of nucleate pool boiling at large microscopic contact angle and moderate Jakob number[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017，113：662-682.

[8]田倩卉.粗糙表面管強化沸騰傳熱模擬研究[D].鄭州大學，2020.

作者簡介：周鴻飛（1996—?），男，漢族，河南新鄉人，碩士，研究方向：強化傳熱。