國(guó)內(nèi)外對(duì)制冷劑ｒ32與ｒ290 在小管徑中壓降與換熱特性的研究主要針對(duì)其中單種，缺乏兩種替代制冷劑的對(duì)比研究。本文通過(guò)搭建5mm小管徑銅管水平單管沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)比研究ｒ32與ｒ290 在不同干度與質(zhì)量流速下的沸騰摩擦壓降與換熱特性。
1 、沸騰換熱實(shí)驗(yàn)
1. 1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了流動(dòng)沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖 1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)共包括兩個(gè)循環(huán)回路: 制冷劑循環(huán)回路、冷卻水循環(huán)回路。
實(shí)驗(yàn)對(duì)象為總長(zhǎng)為 1 000 mm 的 5 mm 內(nèi)螺紋銅管，且在實(shí)驗(yàn)段及其連接處敷設(shè)兩層厚度為 20mm、導(dǎo)熱系數(shù)小于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(lái)避免實(shí)驗(yàn)段散熱對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。為了避免入口效應(yīng)對(duì)沸騰換熱系數(shù)造成影響，在距離入口350 mm的地方設(shè)置測(cè)溫截面，截面上每隔90°設(shè)置一個(gè)熱電偶測(cè)量管外壁溫度，共等距設(shè)置3個(gè)測(cè)溫截面，如圖2所示。
制冷劑循環(huán)回路的主要組成設(shè)備為儲(chǔ)液罐、過(guò)濾器、柱塞計(jì)量泵、電磁流量計(jì)、冷凝器及過(guò)冷器。冷卻水循環(huán)回路的主要設(shè)備為恒溫水箱、循環(huán)水泵和旁通閥。實(shí)驗(yàn)中，可通過(guò)調(diào)整冷卻水的流量與溫度來(lái)控制飽和蒸發(fā)溫度。
1. 2 數(shù)據(jù)處理
1. 3 誤差分析
考慮到實(shí)驗(yàn)中所使用的測(cè)量?jī)x器存在測(cè)量誤差，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)存在差值且不同測(cè)量數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，測(cè)量?jī)x器所產(chǎn)生的誤差相互疊加。因此采用 moffat ［11］法對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，具體計(jì)算結(jié)果如表 1 所示。
2 、結(jié)果與分析
實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)得不同工況下，ｒ32與ｒ290 在5 mm內(nèi)螺紋銅管中的沸騰摩擦壓降與換熱數(shù)據(jù)，繪制出不同工況下摩擦壓降與沸騰換熱系數(shù)隨干度變化曲線。沸騰換熱實(shí)驗(yàn)的工況數(shù)據(jù)如表 2 所示。
2. 1 摩擦壓降
如圖 3 所示，保持熱流密度25 kw/ m 2，飽和蒸發(fā)溫度為 20 ℃，研究質(zhì)量流速為 100、200 和 300kg / ( m 2·s) 時(shí)，干度 0. 1～0. 9 內(nèi)兩種制冷劑摩擦壓降的變化情況。從圖 3 可以看出，兩種制冷劑的摩擦壓降均隨質(zhì)量流速的增加而顯著增大，干度為 0. 5 時(shí)，質(zhì)量流速?gòu)?100 kg /( m 2·s) 增大至 300 kg/( m 2·s) 時(shí)，ｒ32 與 ｒ290 的摩擦壓降分別增大 63. 1% 、39. 1% 。分析原因可知，質(zhì)量流速的增加導(dǎo)致氣液兩相之間的速度差增大，形成較大壁面剪切應(yīng)力與氣液界面剪切力，且增強(qiáng)了流動(dòng)的波動(dòng)性，沿程阻力損失增大，兩者共同作用導(dǎo)致摩擦壓降顯著增大。
對(duì)比ｒ32 與 ｒ290 在相同質(zhì)量流速下摩擦壓降可發(fā)現(xiàn)，ｒ290 的的摩擦壓降比 ｒ32 平均大 59. 4% ，隨著干度的增大摩擦壓降的差值呈上升趨勢(shì)。主要是由于在實(shí)驗(yàn)工況下，ｒ290 的氣液兩相密度僅為ｒ32 的 41. 2% 、52. 3% ，因此在相同工況下同一根管內(nèi)，ｒ290 的流動(dòng)速度遠(yuǎn)大于ｒ32，而摩擦壓降與流動(dòng)速度的平方成正比，導(dǎo)致兩種制冷劑摩擦壓降差值明顯。隨著干度的增大，ｒ290 的氣相速度遠(yuǎn)大于ｒ32，氣液界面剪切力的差值將越來(lái)越大，因此摩擦壓降的差值上升。
2. 2 沸騰換熱系數(shù)
保持熱流密度 25 kw/ m 2，飽和蒸發(fā)溫度為 20 ℃，研究質(zhì)量流速為 100、200 和 300 kg / ( m 2·s) 時(shí)，干度 0. 1～0. 9 內(nèi)兩種制冷劑沸騰換熱系數(shù)的變化情況。
可以發(fā)現(xiàn)，在 0. 1～0. 6 中低干度區(qū)，兩種制冷劑的沸騰換熱系數(shù)均隨質(zhì)量流量的增大而增大。根據(jù) chen［1］提出的沸騰換熱機(jī)理，在中低干度區(qū)域內(nèi)核態(tài)沸騰換熱占主導(dǎo)地位，增強(qiáng)換熱主要是靠氣泡的擾動(dòng)作用與熱邊界層的脫離。在相同的工況下，汽化潛熱和表面張力較小的制冷劑會(huì)產(chǎn)生較多的汽化核心。在實(shí)驗(yàn)工況下，ｒ290 的表面張力與 ｒ32 接近，但其汽化潛熱值比ｒ32 要大 22. 8% ，因此ｒ32 產(chǎn)生的汽化核心數(shù)量與氣泡擾動(dòng)均強(qiáng)于ｒ290，導(dǎo)致中低干度區(qū)域 ｒ32 的沸騰換熱系數(shù)明顯大于ｒ290。
在干度大于 0. 6 的高干度區(qū)，對(duì)流沸騰換熱占主導(dǎo)地位，此時(shí)傳熱系數(shù)主要受氣相速度與液相導(dǎo)熱系數(shù)的影響。當(dāng)飽和溫度取 20 ℃ 時(shí)，ｒ290 的氣相密度比ｒ290 低 41. 2% ，在相同的質(zhì)量流速條件下，ｒ290 的氣相速度要大于ｒ32。但考慮到 ｒ32 的液相導(dǎo)熱系數(shù)要高于ｒ290，其傳熱性能明顯優(yōu)于ｒ290。上述因素綜合作用導(dǎo)致 ｒ32 的沸騰換熱系數(shù)略大于ｒ290。
3 、關(guān)聯(lián)式模型驗(yàn)證
由于現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式建立時(shí)所對(duì)應(yīng)的制冷工質(zhì)、實(shí)驗(yàn)工況、通道尺寸以及管型存在差異，因此需在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步修正。
壓降關(guān)聯(lián)式的建立以 sun ＆ mishima［2］為基礎(chǔ)，該關(guān)聯(lián)式從 18 個(gè)文獻(xiàn)收集了 2 092 個(gè)摩擦壓降數(shù)據(jù)，其中含有 12 種實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，通道的水力直徑為0. 069 5 ～ 6. 22 mm，質(zhì)量流速為 50 ～ 2 000 kg / ( m 2·s) ，適用性較強(qiáng)。但是由于該關(guān)聯(lián)式未根據(jù)兩相雷諾數(shù)ｒe tp 對(duì)氣、液相流態(tài)進(jìn)行劃分，在選擇對(duì)應(yīng)公式時(shí)也未考慮到流型的影響，所以預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)偏差為－ 67. 4% 。對(duì)該模型乘以修正系數(shù)1. 451 后，能夠達(dá)到較好預(yù)測(cè)效果，如圖 5( a) 所示，89% 以上的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值偏差在± 20% 誤差帶范圍內(nèi)，平均相對(duì)偏差僅為 15. 93% 。
li ［3］換熱關(guān)聯(lián)式建立在 chen ［1］關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，引入韋伯?dāng)?shù) we 來(lái)體現(xiàn)管徑的影響，且考慮到對(duì)流換熱對(duì)核態(tài)沸騰的作用，在核態(tài)沸騰抑制因子 s 中引入沸騰數(shù) bo 和兩相雷諾數(shù) ｒe tp ，但由于未考慮管道中流型變化的影響，需對(duì)該模型乘以修正系數(shù)0. 879。如圖 5( b) 所示，修正后 91% 以上的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值偏差在± 20% 誤差帶范圍內(nèi)，平均相對(duì)偏差僅為 16. 71% 。
4、結(jié)論
( 1) ｒ32 與 ｒ290 的摩擦壓降均隨質(zhì)量流速的增加而顯著增大，但ｒ290的摩擦壓降比 ｒ32 平均大 59. 4% ，且隨著干度的增大摩擦壓降的差值呈上升趨勢(shì)。
( 2) 在核態(tài)沸騰換熱占主導(dǎo)的中低干度區(qū)域內(nèi)，ｒ32 的沸騰換熱系數(shù)明顯大于ｒ290，但在對(duì)流沸騰換熱占主導(dǎo)的高干度區(qū)域內(nèi)，ｒ32的沸騰換熱系數(shù)僅比ｒ290大9. 8% ，兩者數(shù)值較為接近。
( 3) 通過(guò)對(duì) sun ＆ mishima 壓降關(guān)聯(lián)式與 li 換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，提高了關(guān)聯(lián)式的準(zhǔn)確性，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠較好地吻合，壓降實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值平均相對(duì)偏差為15. 93% ，沸騰換熱系數(shù)平均相對(duì)偏差 16. 71% 。
( 4) 實(shí)驗(yàn)工況下，制冷劑ｒ32 的流動(dòng)性能與傳熱性能均優(yōu)于ｒ290，但考慮到ｒ290 優(yōu)良的環(huán)保性能，在選擇替代制冷劑時(shí)需綜合考慮。
翅片成型機(jī),翅片沖床,脹管機(jī)
轉(zhuǎn)載至公眾號(hào)