技術：R32與（yǔ）R290在小管徑內的沸騰壓降與換熱（rè）特性

國內外對製冷劑Ｒ32與Ｒ290 在小管徑中壓降與換熱特性的研究主要針對其中單（dān）獨一種，缺乏兩種替代製冷劑的（de）對比研究。本文通過（guò）搭建5mm小管徑銅管水平（píng）單管沸騰換熱特性實驗台，對比研究Ｒ32與（yǔ）Ｒ290 在不同幹度與質量流速（sù）下的沸騰摩擦壓降與換熱特（tè）性。

1 、沸騰換熱實驗（yàn）

1. 1 實驗裝置  

實驗設計了流動沸騰（téng）換（huàn）熱特性實驗台，如圖 1所示。實驗（yàn）台共包括兩個循環回（huí）路: 製冷劑循環（huán）回（huí）路、冷卻水循環回路。

實驗對象為（wéi）總長為 1 000 mm 的 5 mm 內螺紋銅管（guǎn），且在實驗段（duàn）及其連接處敷設兩層厚度為 20mm、導熱係數小於0. 07 W / ( m·K) 的保溫材料，管螺紋連接處用多層生膠帶密封來避免實驗段散熱對（duì）測（cè）試結果造成影響。為了避免入口效應對沸騰換（huàn）熱係數造成（chéng）影響，在距離入口350 mm的地方設置測溫（wēn）截麵，截麵上每隔90°設置一個熱電偶測量管外壁（bì）溫度，共等距設置3個測溫截麵，如圖2所（suǒ）示。

製冷劑循環回路的主要組成設備（bèi）為儲液罐、過（guò）濾器、柱塞計量泵、電磁流量計、冷凝器及（jí）過冷器。冷卻水循環回路的主要設備為恒溫水箱、循環水泵和旁通閥。實驗中，可通過調整冷卻水的流量與溫度來控製飽和蒸發溫度。

1. 2 數據處理  

1. 3 誤差分析  

考慮（lǜ）到實驗中所使用的測量儀器存在測量誤差，實測數據與真實數（shù）據存在差值且不同測量數（shù）據相互關聯，測量儀器所產（chǎn）生的（de）誤差相互疊（dié）加。因此采用 Moffat ［11］法對實驗係（xì）統誤差進行（háng）分析，具體計算結果如表 1 所示（shì）。

2 、結果與（yǔ）分析

實驗（yàn）通過測得不同工況下，Ｒ32與Ｒ290 在5 mm內螺紋（wén）銅管中的沸騰摩擦壓降與換熱數據，繪製出不同工況下摩擦壓降與沸騰換熱係（xì）數隨幹度變化曲線。沸騰換熱實驗的（de）工況（kuàng）數據（jù）如表 2 所（suǒ）示。

2. 1 摩擦壓降（jiàng）

如圖（tú） 3 所示，保持熱流密度25 kW/ m 2，飽和蒸發溫度為 20 ℃，研究（jiū）質量流速為 100、200 和 300kg / ( m 2·s) 時，幹度 0. 1～0. 9 內兩種製冷劑摩擦壓降的變（biàn）化情況。從圖 3 可以看出，兩種製冷劑的（de）摩擦（cā）壓降均隨（suí）質（zhì）量流（liú）速的增加（jiā）而顯著增大（dà），幹度為 0. 5 時，質（zhì）量流速從 100 kg /( m 2·s) 增大至 300 kg/( m 2·s) 時，Ｒ32 與 Ｒ290 的摩擦壓降（jiàng）分別（bié）增大（dà） 63. 1% 、39. 1% 。分析原因可知（zhī），質量流速的增加導致氣液兩相之間的速（sù）度差增大，形成較大壁（bì）麵剪切應力與氣液界麵剪切力，且增強了流（liú）動（dòng）的波動性，沿程阻（zǔ）力損失增大，兩者共同作用導致摩擦壓降顯著增大。

對比Ｒ32 與 Ｒ290 在相（xiàng）同質量流速（sù）下（xià）摩擦壓（yā）降可發現，Ｒ290 的（de）的摩擦壓降比 Ｒ32 平（píng）均大（dà） 59. 4% ，隨著幹度的增大摩（mó）擦壓降（jiàng）的差值呈上升（shēng）趨勢。主（zhǔ）要是由於在實驗（yàn）工況下，Ｒ290 的氣液兩相（xiàng）密度僅為Ｒ32 的 41. 2% 、52. 3% ，因此在相同工（gōng）況下同一根管內，Ｒ290 的流動速度遠大於Ｒ32，而摩擦壓降與流（liú）動速度的平方成正比，導（dǎo）致（zhì）兩種製冷劑摩擦壓降差（chà）值明顯。隨著幹度的增大，Ｒ290 的氣相速度遠大於Ｒ32，氣液界（jiè）麵剪切力的差（chà）值將越來越大，因（yīn）此摩擦壓（yā）降的（de）差值上升。

2. 2 沸騰換熱係數（shù）   

保持熱流密度 25 kW/ m 2，飽和蒸（zhēng）發溫度為 20 ℃，研究質量流速為 100、200 和 300 kg / ( m 2·s) 時，幹度（dù） 0. 1～0. 9 內兩（liǎng）種製冷劑沸（fèi）騰換熱係數的變化情況。

可以發現，在 0. 1～0. 6 中低幹度區，兩種（zhǒng）製冷劑的沸騰換熱係數均隨質量流量的增大而增大（dà）。根據 Chen［1］提出的沸騰換熱機理，在中低幹度區域內核態沸騰換熱占主導地位，增強換熱主要是（shì）靠氣泡的擾動（dòng）作（zuò）用與熱邊界層的脫離。在相同的工況下，汽化潛熱和表（biǎo）麵張力較小的（de）製冷劑會產生較多的（de）汽（qì）化核心。在實驗工況下，Ｒ290 的表麵張力（lì）與 Ｒ32 接近，但其汽（qì）化（huà）潛熱值（zhí）比Ｒ32 要大（dà） 22. 8% ，因此Ｒ32 產生的汽化核心數量與氣泡擾動均強於（yú）Ｒ290，導致中低幹度區域 Ｒ32 的沸騰換熱係數明顯大於Ｒ290。

在幹度大於 0. 6 的高幹（gàn）度區，對流沸騰換熱占（zhàn）主導地位，此時傳熱係數主要受氣相速度與（yǔ）液相導熱係數的影響。當飽和溫度取 20 ℃ 時（shí），Ｒ290 的氣相密度比（bǐ）Ｒ290 低（dī） 41. 2% ，在相同的（de）質量流速條件下，Ｒ290 的氣相速度要大於Ｒ32。但考慮到 Ｒ32 的液（yè）相導熱係數要高（gāo）於Ｒ290，其傳熱性能明顯優於Ｒ290。上述（shù）因素（sù）綜合作用導致 Ｒ32 的沸騰換熱係數略大於Ｒ290。

3 、關（guān）聯式模型（xíng）驗證

由於現有關聯式（shì）建立時所對應的製冷工質、實驗工況、通道尺寸以及管型存在差異，因此需在現有模型的基礎上進行進一步修（xiū）正。

壓降關聯式的建立以 Sun ＆ Mishima［2］為基礎，該關聯式（shì）從 18 個文獻收集了 2 092 個摩擦壓降數據（jù），其（qí）中含有 12 種實驗工（gōng）質，通（tōng）道的水力直徑為0. 069 5 ～ 6. 22 mm，質量流速為 50 ～ 2 000 kg / ( m 2·s) ，適用性較強。但是由於該關聯式未根據（jù）兩相雷諾數Ｒe tp 對氣、液相流態進行劃分，在選擇對應公式時也未（wèi）考慮到流型的影響（xiǎng），所（suǒ）以預測值與實驗值的平均相對偏差為－ 67. 4% 。對該模型乘以修正係數1. 451 後，能夠達到較好預測效果，如（rú）圖 5( a) 所示，89% 以上的實驗值與預（yù）測值（zhí）偏差在± 20% 誤差（chà）帶範圍內，平均相對偏差僅為 15. 93% 。

Li ［3］換熱關聯式建立在（zài） Chen ［1］關聯式的基礎上，引入韋伯數 We 來體現（xiàn）管徑的影響，且考慮到對流換熱對核態沸騰的作用，在核態沸騰抑製因子 S 中引入沸騰數 Bo 和兩相雷諾（nuò）數（shù） Ｒe tp ，但由於（yú）未考慮管道中流型（xíng）變化的（de）影響，需對該模型乘以修正係數0. 879。如圖 5( b) 所示，修正後 91% 以（yǐ）上的實驗值與預測值偏差在± 20% 誤差帶範圍內，平均相對偏差僅為 16. 71% 。

4、結論

( 1) Ｒ32 與 Ｒ290 的摩擦壓降（jiàng）均隨質量流速（sù）的增加而顯著增大，但Ｒ290的摩擦壓降比 Ｒ32 平均大 59. 4% ，且隨著幹度的增大摩擦（cā）壓降的差值呈上升趨勢。

( 2) 在核態沸騰換熱占主導的（de）中低幹度區域內，Ｒ32 的沸騰換熱（rè）係數明顯大於Ｒ290，但在對流沸騰換（huàn）熱占主導的高幹（gàn）度區域內，Ｒ32的（de）沸騰換熱係數僅比Ｒ290大（dà）9. 8% ，兩者（zhě）數值較為接近。

( 3) 通過對 Sun ＆ Mishima 壓降（jiàng）關聯式與 Li 換熱關聯式進行修正，提高（gāo）了關聯式的準確性，預測結果與（yǔ）實驗結果能夠較好地吻（wěn）合，壓降實驗值與（yǔ）預測值平均（jun1）相對偏差為15. 93% ，沸騰換熱係數平均相對偏差 16. 71% 。

( 4) 實驗工況下，製冷劑Ｒ32 的流動性能與（yǔ）傳熱（rè）性能均優於Ｒ290，但考慮到Ｒ290 優良的環保性能，在選擇替代製冷（lěng）劑時需（xū）綜合考慮。

 翅片成型（xíng）機,翅片衝床,脹管機（jī）

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