R290在小管徑水平微肋管內(nèi)的沸騰傳熱

2022-05-20 14:32:27

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本文將選擇內(nèi)徑為4、6 mm 的微肋管進(jìn)行R290的管內(nèi)沸騰傳熱特性的研究，探索R290在小管徑微肋管內(nèi)的沸騰傳熱機(jī)理及干涸特性，并進(jìn)一步獲得更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

如圖 1 所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)由一個封閉的制冷劑回路組成。（具體實(shí)驗(yàn)步驟在這里不詳細(xì)闡述）

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實(shí)驗(yàn)測量儀器及參數(shù)見表 1，實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)如圖 2所示。實(shí)驗(yàn)中熱水在內(nèi)外管環(huán)形空間內(nèi)流動，并對內(nèi)管中流動的制冷劑進(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)段內(nèi)管為微肋管，結(jié)構(gòu)見圖 3，微肋管結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 2，可得出 4、6 mm 管內(nèi)徑時單位管長微肋管內(nèi)表面積和內(nèi)外表面積的比值分別為1.668和1.478。

1.2 熱平衡測試

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)前對實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行熱平衡測試，測試時實(shí)驗(yàn)段內(nèi)管流體為冷水，內(nèi)外管環(huán)形空間內(nèi)流體為熱水，當(dāng)管兩側(cè)冷水和熱水的進(jìn)出口溫度保持穩(wěn)定時，記錄冷水側(cè)和熱水側(cè)的進(jìn)出口溫度和體積流量，并計(jì)算冷水側(cè)和熱水側(cè)的換熱量，以此計(jì)算冷、熱水側(cè)換熱量的漏熱率，如式（1）所示：

熱平衡測試數(shù)據(jù)如表 3 所示。由表 3 可得，不同體積流量下冷、熱水側(cè)漏熱率均小于 3%，因此漏熱率對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，故實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能滿足沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)要求。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2、結(jié)果分析

研究質(zhì)量流量密度、飽和溫度、熱通量、干度及管型對沸騰傳熱系數(shù)及臨界干度的影響，因6 mm管徑下的變化趨勢與 4 mm 管徑相似，限于篇幅，故僅以4 mm管內(nèi)徑為例進(jìn)行說明。

2.1 質(zhì)量流量密度對傳熱系數(shù)的影響

由圖 4 可得，飽和溫度為 11℃，熱通量為 13kW·m -2時，沸騰傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流量密度的增大而增大，且該增大趨勢在干度較高的區(qū)域（約0.35~0.6）更明顯。例如，當(dāng)質(zhì)量流量密度由 100 kg·m -2·s -1增至 250 kg·m -2·s -1時，傳熱系數(shù)增加了約 20.54%。這是由于質(zhì)量流量密度的增加使得流體與管內(nèi)壁的相對速度增加，紊流擾動更劇烈，傳熱更加充分。

且 R290 在管內(nèi)的沸騰傳熱主要分為核態(tài)沸騰傳熱和強(qiáng)制對流傳熱兩部分。在干度較低的區(qū)域（約0.03~0.35），管內(nèi)傳熱以核態(tài)沸騰為主，質(zhì)量流量密度的增加對核態(tài)沸騰的強(qiáng)化作用不明顯，因此沸騰傳熱系數(shù)增幅較小。在干度較高區(qū)域，管內(nèi)傳熱以強(qiáng)制對流為主，且隨著液相 R290 吸熱汽化，管內(nèi)R290氣相占比逐漸增加，因此該區(qū)域氣液相接觸面積增大，強(qiáng)化了傳熱；同時該區(qū)域內(nèi)質(zhì)量流量密度的增加使得氣液界面剪切力增加，流體擾動更加劇烈，剪切力的切削作用也使得貼近管內(nèi)壁的R290液膜變薄而減小了傳熱熱阻；綜上可得，傳熱系數(shù)在高干度區(qū)增大更明顯。

2.2 飽和溫度對傳熱系數(shù)的影響

由圖 5 可得，質(zhì)量流量密度為 100 kg·m -2·s -1，熱通量為 13 kW·m -2時，沸騰傳熱系數(shù)隨飽和溫度的升高而增大，且該增大趨勢在低干度區(qū)域（約 0.03~0.35）更顯著。例如，當(dāng)飽和溫度由 7℃升高至 11℃時，沸騰傳熱系數(shù)增加了約 12.55%。這是由于飽和溫度與制冷劑的熱物性相關(guān)，飽和溫度的升高使得液相R290的熱導(dǎo)率降低，液相密度降低而氣相密度增大，以及表面張力減小。

在低干度區(qū)，熱導(dǎo)率的降低使得管內(nèi)壁溫度升高，從而增大了壁面的過熱度，且該區(qū)域的流體以核態(tài)沸騰傳熱為主，過熱度的增加有利于管內(nèi)壁汽化核心的形成；同時表面張力的減小使得氣泡的脫離直徑較小，更利于氣泡從管內(nèi)壁面脫離，進(jìn)一步強(qiáng)化了核態(tài)沸騰傳熱，因此傳熱更加充分，傳熱系數(shù)增幅較大。而高干度區(qū)（約 0.35~0.6）以強(qiáng)制對流傳熱為主，飽和溫度的升高使得制冷劑物性變化而導(dǎo)致的強(qiáng)化傳熱作用相對較弱。因此可得，傳熱系數(shù)在低干度區(qū)增大效果更明顯。

2.3 熱通量對傳熱系數(shù)與臨界干度的影響

由圖 6 可得，當(dāng)熱通量增大至 20 kW·m -2時，沸騰傳熱系數(shù)隨熱通量的增大出現(xiàn)先增后減現(xiàn)象，這有別于熱通量為 13 kW·m -2時，傳熱系數(shù)隨熱通量的增大而增大的規(guī)律。這是由于 R290 剛開始沸騰時，管內(nèi)以核態(tài)沸騰為主，熱通量的增加顯著增大了管內(nèi)壁溫度從而增大了過熱度，汽化核心顯著增多，明顯強(qiáng)化了傳熱。

隨著液相 R290 不斷吸熱汽化，管內(nèi)傳熱以強(qiáng)制對流為主，R290 氣相占比的不斷增加導(dǎo)致氣液相接觸面積增加，氣液界面擾動增強(qiáng)，紊流擾動更劇烈；同時氣相占比增大，導(dǎo)致 R290氣相表觀速度增大，導(dǎo)致氣液界面剪切力增大，切削了附著在管內(nèi)壁的液膜厚度，使得傳熱熱阻減小進(jìn)而強(qiáng)化了傳熱；以上綜合作用使得傳熱更加充分，傳熱系數(shù)增大。

隨著 R290 吸熱汽化的進(jìn)行，傳熱系數(shù)增加至一極值點(diǎn)后開始不斷降低，這是由于貼近管內(nèi)壁的制冷劑流體蒸干而出現(xiàn)了干涸現(xiàn)象，此時對應(yīng)的干度稱為臨界干度。干涸的產(chǎn)生使得管內(nèi)壁與氣相 R290 直接接觸，傳熱急劇惡化，管內(nèi)壁溫度急劇上升，傳熱系數(shù)大幅下降?？梢缘玫?，熱通量越大，臨界干度越小，例如，熱通量分別為20、24 kW·m -2時對應(yīng)的臨界干度分別為 5.3、4.8，說明熱通量越大時越易導(dǎo)致干涸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.4 干度對傳熱系數(shù)與臨界干度的影響

由圖 6 可得，當(dāng)熱通量增大至 20 kW·m -2時，沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增大出現(xiàn)先增后減的變化趨勢，這有別于熱通量為 13 kW·m -2時傳熱系數(shù)隨干度的增大而增大的規(guī)律?？梢詮囊韵路矫孢M(jìn)行解釋：干度較低時，管內(nèi)傳熱以核態(tài)沸騰為主，隨著R290 流體的不斷吸熱，液相 R290 內(nèi)部汽化核心不斷形成，強(qiáng)化了傳熱。

隨著液相 R290 吸熱汽化，管內(nèi)R290氣相占比增加而液相占比減小，使得氣液界面?zhèn)鳠峤佑|面積增加，以及使得貼近管內(nèi)壁的液相290 厚度減小，導(dǎo)致傳熱熱阻減小而進(jìn)一步強(qiáng)化了傳熱，傳熱系數(shù)不斷增大。隨著干度的不斷增加，管內(nèi)壁液相R290出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，此時管內(nèi)壁與氣相R290直接接觸，傳熱變得惡化，傳熱系數(shù)逐漸降低。

2.5 管型對傳熱系數(shù)與臨界干度的影響

為了探討管型對沸騰傳熱系數(shù)與臨界干度的影響，對比分析了戴源德等相同工況相同管徑下光滑管內(nèi) R290 沸騰傳熱的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖 7 所示。

圖片

由圖 7 可得，微肋管的沸騰傳熱系數(shù)始終大于相同條件下的光滑管的傳熱系數(shù)，且4 mm管徑微肋管的傳熱系數(shù)約為對應(yīng)管徑光滑管傳熱系數(shù)的 1.2~1.5倍。

這是由于 3 個方面的原因：

①微肋管肋的結(jié)構(gòu)有助于R290汽化核心的形成，強(qiáng)化了管內(nèi)的核態(tài)沸騰傳熱；

②微肋管中肋的凹凸結(jié)構(gòu)可以使制冷劑在近壁處產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因而增加了制冷劑與管內(nèi)壁之間的相對運(yùn)動速度，增強(qiáng)了紊流核心區(qū)對近壁區(qū)的擾動從而增強(qiáng)了制冷劑與管內(nèi)壁間的換熱能力；

③微肋管肋的結(jié)構(gòu)能夠迫使制冷劑在肋后形成二次紊流,使制冷劑徑向速度增加而邊界層變薄,產(chǎn)生很大的離心力使兩相流中密度較高的液體沖向壁面,而密度較低的氣體則積聚到管道中心，進(jìn)而強(qiáng)化了傳熱。

因此在相同的條件下,微肋管傳熱系數(shù)要比光滑管的大，該結(jié)果與歐陽新萍等對R404A、R407C 在微肋管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的結(jié)果較為一致。同樣由圖 7 可得，微肋管內(nèi)的臨界干度相比于光滑管均較大，較晚出現(xiàn)干涸現(xiàn)象。例如4 mm微肋管內(nèi)的臨界干度約為 0.55，而 4 mm 光滑管內(nèi)的臨界干度約為 0.45。這一方面是由于微肋管肋的凹凸結(jié)構(gòu)而形成的旋轉(zhuǎn)作用利于液相制冷劑駐留在管壁上部，延緩了干涸現(xiàn)象的產(chǎn)生。另一方面是由于微肋管肋的凹凸結(jié)構(gòu)能夠迫使制冷劑在肋后形成二次紊流,產(chǎn)生很大的離心力使兩相流中密度較高的液體沖向壁面，從而抑制了干涸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3、預(yù)測關(guān)聯(lián)式對比

制冷劑在管內(nèi)沸騰傳熱是一個影響因素眾多的復(fù)雜的物理過程，因此開發(fā)出用于R290管內(nèi)流動沸騰傳熱的預(yù)測關(guān)聯(lián)式具有重要意義。本文選取 6個常用的且工況與實(shí)驗(yàn)工況較為一致的，用于預(yù)測R290在小管徑內(nèi)沸騰傳熱的關(guān)聯(lián)式來預(yù)測 R290 的沸騰傳熱系數(shù)，并將預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，如圖8所示。

表 4 中 ω 表示沸騰傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值在給定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)占總數(shù)據(jù)點(diǎn)的比例。但目前用于預(yù)測R290在小管徑強(qiáng)化管內(nèi)沸騰傳熱的關(guān)系式較少且預(yù)測精度低，亟需開發(fā)新的預(yù)測關(guān)聯(lián)式，用于指導(dǎo)生產(chǎn)及實(shí)踐。