R290在小管徑水平微肋管內的沸（fèi）騰傳（chuán）熱

2022-05-20 14:32:27

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本文（wén）將選擇（zé）內徑（jìng）為4、6 mm 的微肋管進行R290的管內沸騰傳熱特性的研究，探索R290在小管徑微肋管內的沸（fèi）騰傳熱機理及幹涸（hé）特性，並進一步獲得（dé）更（gèng）多的實（shí）驗數據。

1 、實驗（yàn）係統和（hé）數據處理

1.1 實驗係統組成實驗係統原（yuán）理

如圖 1 所示，實驗係統的主要結構由一個封閉的製冷劑回路組成。（具體實驗（yàn）步驟在這裏不詳細闡述）

微（wēi）信圖片_20220520142514.jpg

實驗測量儀器及參數見表 1，實驗段結構如圖 2所示。實驗中熱水在內外（wài）管環形空間內流動，並對內管中流動的製冷劑進行加（jiā）熱。實驗段內管為微（wēi）肋管，結（jié）構見（jiàn）圖 3，微（wēi）肋管結（jié）構（gòu）參數見表 2，可得出 4、6 mm 管內（nèi）徑時單位管長微肋管（guǎn）內表（biǎo）麵積和（hé）內外表（biǎo）麵積的比值分別為1.668和1.478。

1.2 熱平衡（héng）測試（shì）

為保證實驗結果的準確性，在實（shí）驗前對實驗段進行熱（rè）平衡測（cè）試（shì），測試時實（shí）驗段內管流體為冷（lěng）水（shuǐ），內外管環形空間內流體為熱水，當管兩側冷水和熱水的進出口溫度保持穩定時，記錄冷水側和熱（rè）水側的進出口溫度（dù）和體積流（liú）量，並計算冷（lěng）水側和熱水側的（de）換熱量，以此計（jì）算冷、熱水側換熱（rè）量的漏熱率，如（rú）式（1）所示（shì）：

熱平（píng）衡測試數（shù）據如表 3 所（suǒ）示。由表 3 可得，不同體積流量（liàng）下冷、熱水側漏熱率均小（xiǎo）於 3%，因此漏熱率對實驗結果的影響（xiǎng）可（kě）忽略不計，故實驗係統能滿足沸騰傳（chuán）熱的實驗要求。

1.3 數據處理

2、結果（guǒ）分析

研究質量流量密（mì）度、飽和溫度、熱通量、幹度及管型對沸騰傳熱係數及（jí）臨界幹度的影（yǐng）響，因6 mm管徑下的變化趨勢與 4 mm 管徑相似，限於篇幅，故僅以4 mm管內徑為例進行說明。

2.1 質量流量密度對傳熱係數的影響

由圖 4 可得，飽和溫度為 11℃，熱通量為 13kW·m -2時，沸騰傳熱係數隨質量（liàng）流量密度的增大而增（zēng）大，且該增大趨勢在幹度較高的區域（約0.35~0.6）更明顯。例如，當質量流量（liàng）密度由 100 kg·m -2·s -1增（zēng）至 250 kg·m -2·s -1時，傳熱係數增加了約 20.54%。這是由（yóu）於質量流量密度的增加使得流體與管內壁（bì）的相（xiàng）對速度增加（jiā），紊流擾動更劇烈，傳（chuán）熱更加（jiā）充分。

且 R290 在管內的沸騰傳熱主要分（fèn）為核態沸騰傳熱和強製對（duì）流傳熱兩部分。在幹度較低的區域（約0.03~0.35），管內（nèi）傳熱以核態沸騰為（wéi）主（zhǔ），質量流量密度的增加對核態沸騰的強化作用不明顯，因此沸騰傳熱係數增幅較小。在幹（gàn）度較高區域，管內傳熱以強製對流為主，且（qiě）隨著液相 R290 吸熱汽（qì）化，管內R290氣相占比逐漸增加，因此該區域氣液相接觸麵積（jī）增大，強化了傳熱；同時該區域內質量流量（liàng）密度的增加使得氣液界麵剪切（qiē）力增加，流體擾動更（gèng）加劇烈，剪切力的切削作用也使得貼（tiē）近管內壁的（de）R290液膜（mó）變薄而減（jiǎn）小了傳（chuán）熱熱阻；綜上可得，傳熱係數在高幹度區增大更明顯。

2.2 飽和溫度對（duì）傳（chuán）熱係數的影響

由圖（tú） 5 可得（dé），質量流量密度為 100 kg·m -2·s -1，熱通量（liàng）為 13 kW·m -2時，沸騰傳熱係數隨飽和溫度的升高而增大，且該增大趨勢在低（dī）幹度（dù）區域（約（yuē） 0.03~0.35）更顯著。例（lì）如，當飽和溫度由 7℃升高至 11℃時，沸騰傳熱（rè）係數增加了約 12.55%。這（zhè）是由於飽和溫度與製冷劑的熱物性相關，飽和溫度的升高使得液相R290的熱導率降低，液相密（mì）度降低而氣相密度增大，以（yǐ）及表麵張力減小。

在低幹度區，熱導率的降低使得管內壁溫度升高，從（cóng）而增大（dà）了壁（bì）麵的過熱度，且該區域的流（liú）體（tǐ）以核態沸騰傳熱為主，過熱度的增加（jiā）有利於管（guǎn）內壁汽化核心的形成；同時表麵張力的減小使得氣泡的（de）脫離（lí）直徑較小，更利於氣泡從管內壁麵脫離，進（jìn）一步強化（huà）了核態沸騰（téng）傳熱，因此傳熱更加充分，傳熱係數增幅較大。而高幹度區（約 0.35~0.6）以強製（zhì）對流傳熱為主，飽和溫度的升高使得（dé）製冷劑物性變化而導致的強化傳熱作用相對較弱。因此可得，傳熱係數在低幹度區增大效果更明顯。

2.3 熱通量對（duì）傳熱係數與臨界幹（gàn）度（dù）的影響

由圖 6 可得，當熱通量（liàng）增大至 20 kW·m -2時（shí），沸騰傳熱係數隨熱通量的增大出現先增後減現象，這有別於熱（rè）通量為 13 kW·m -2時，傳熱係數隨熱通量的增大而增大的規律。這是由於 R290 剛開始（shǐ）沸騰時，管內以核態沸騰為（wéi）主，熱通量的增加顯著增大了管內壁溫（wēn）度從而增大了過熱（rè）度，汽化核心顯著增多，明顯強化了傳（chuán）熱。

隨著液相 R290 不斷吸熱汽（qì）化，管內傳熱以強製對流為（wéi）主，R290 氣相占比的不斷增加導致氣液相（xiàng）接觸麵積（jī）增加，氣液界麵擾動增強，紊流擾動更劇烈；同時氣相占比增大，導致 R290氣（qì）相表觀速度（dù）增大，導（dǎo）致氣液界麵（miàn）剪切力增大，切削了附著在管內壁的液膜厚度，使得傳熱熱阻（zǔ）減小進（jìn）而強化了傳熱；以上綜合作用使得傳熱更（gèng）加充（chōng）分，傳熱係數增大。

隨著 R290 吸熱汽（qì）化的進行，傳熱係數增加至一（yī）極值點後開始不斷降低（dī），這是由於貼近管內壁的製冷劑流體蒸幹而出現了幹涸現象，此時對應（yīng）的（de）幹度稱為臨界幹度。幹涸的產生使得管（guǎn）內壁與氣相 R290 直接接觸（chù），傳熱急（jí）劇惡化（huà），管內壁溫度急劇上升，傳熱係數大幅下降。可以得到，熱通量越大，臨界幹（gàn）度越小，例如，熱通量分別為20、24 kW·m -2時（shí）對應的（de）臨（lín）界幹度分別（bié）為 5.3、4.8，說明熱通量越大時越易導致幹涸（hé）現象的產（chǎn）生。

2.4 幹度對傳熱係數（shù）與臨界幹度的影響

由圖 6 可得，當熱通量增大至 20 kW·m -2時，沸騰傳熱係數隨幹度的增大出（chū）現先增後減的變（biàn）化趨勢，這有別於熱通量為 13 kW·m -2時傳熱係數隨幹度的（de）增（zēng）大而增大（dà）的規律。可以從以下方麵進（jìn）行解釋：幹度較低時，管內傳熱以核態沸騰為主，隨著R290 流體的（de）不斷吸熱，液相 R290 內部汽化核心（xīn）不斷形成，強（qiáng）化了傳熱。

隨著液相 R290 吸熱汽化，管內R290氣相占比增加而液相占（zhàn）比減小，使得氣液界麵傳熱接（jiē）觸麵積增加（jiā），以及使得貼近（jìn）管內壁的液相290 厚度減小，導致傳熱熱阻減小而進一步強化（huà）了傳熱，傳熱係數不斷增大。隨著幹度（dù）的不斷增加，管內壁液相R290出現（xiàn）幹涸現象（xiàng），此時管內（nèi）壁與氣相R290直接接（jiē）觸，傳熱變得惡化（huà），傳熱係（xì）數逐漸降低。

2.5 管型對傳熱係數與臨界幹度（dù）的影響

為了探討管（guǎn）型對（duì）沸騰傳熱係數與臨界幹度的影響（xiǎng），對比分析了戴源德等相同工（gōng）況相同管徑下光滑管內 R290 沸騰（téng）傳熱的數據，結果如圖 7 所示。

圖片

由（yóu）圖 7 可得，微肋管的沸騰傳熱係數（shù）始終大於相同條件下的光滑管的傳（chuán）熱係數，且（qiě）4 mm管徑微肋管的傳熱係數約為對應（yīng）管徑光滑（huá）管傳熱係數的 1.2~1.5倍。

這是由於 3 個方麵（miàn）的原因：

①微肋管肋的結構（gòu）有助於R290汽化核心的形成，強化了管內（nèi）的核態（tài）沸騰傳熱；

②微肋管中肋的凹凸結構可以（yǐ）使製冷劑在近壁處產生一種旋轉運動，因而增加了製冷（lěng）劑（jì）與管內壁之間的相對運動速度，增強了紊流核心區對近壁區的（de）擾動從而增強了製冷劑與管內壁間的換熱能（néng）力；

③微肋（lèi）管肋的結構能夠迫使製冷（lěng）劑在肋後（hòu）形成二次紊流,使製冷劑（jì）徑向速度增加而邊界層變薄,產生很大的離心力使兩相流中密度（dù）較高的液體衝向壁麵,而密度較低的氣體則積聚到管道中心（xīn），進而（ér）強化了傳熱。

因此在相同的（de）條件下,微肋管傳（chuán）熱係數要比光滑管的大，該結果與歐陽新萍等對R404A、R407C 在微肋管內強化傳熱的結果較為一致。同（tóng）樣由圖 7 可得，微（wēi）肋管內的臨界幹度相比（bǐ）於光滑管（guǎn）均較大，較晚出現幹涸現象。例如4 mm微肋管內的臨界幹度（dù）約為 0.55，而 4 mm 光滑管內的臨界幹（gàn）度約為 0.45。這一方麵是（shì）由於微肋（lèi）管肋的（de）凹凸（tū）結（jié）構而形（xíng）成的旋轉作用利於液相製冷劑駐留（liú）在管壁上部，延緩了幹涸現象的產（chǎn）生。另一方麵（miàn）是由於微肋管肋的凹凸結構能夠迫使製冷劑（jì）在肋後形成二次紊（wěn）流,產生（shēng）很大的離心力使兩相（xiàng）流中密度較高的液體衝向壁麵，從而抑（yì）製了幹涸現象的產生。

3、預測關聯式（shì）對比（bǐ）

製冷劑在管內（nèi）沸（fèi）騰傳熱是一個影響因素眾（zhòng）多的複雜（zá）的物理過程，因此開發出用於R290管內流動沸騰傳熱的預測關聯式具有重要意義。本文（wén）選取 6個常用的且工況與實驗工況較為一（yī）致的，用於預測R290在小管徑內（nèi）沸騰傳熱的關聯（lián）式來預測 R290 的沸騰傳熱係數，並將預測（cè）值（zhí）與實（shí）驗值進行對比，如圖8所示。

表 4 中 ω 表示沸騰傳熱係數實驗值在給定範圍（wéi）內的數據點占總數據點的比例。但目前用於預測R290在小管徑強化管內沸騰（téng）傳熱的關係式（shì）較少且預測精度低，亟需開發新的預測關聯式，用於指導生產及實（shí）踐。