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技術：R32與R290在小管徑內的沸騰壓降與換熱特性
閱讀：446 發(fā)布時間：2022-9-22國內外對制冷劑Ｒ32與Ｒ290 在小管徑中壓降與換熱特性的研究主要針對其中單種，缺乏兩種替代制冷劑的對比研究。本文通過搭建5mm小管徑銅管水平單管沸騰換熱特性實驗臺，對比研究Ｒ32與Ｒ290 在不同干度與質量流速下的沸騰摩擦壓降與換熱特性。
1 、沸騰換熱實驗
1. 1 實驗裝置
實驗設計了流動沸騰換熱特性實驗臺，如圖 1所示。實驗臺共包括兩個循環(huán)回路: 制冷劑循環(huán)回路、冷卻水循環(huán)回路。
實驗對象為總長為 1 000 mm 的 5 mm 內螺紋銅管，且在實驗段及其連接處敷設兩層厚度為 20mm、導熱系數(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避免實驗段散熱對測試結果造成影響。為了避免入口效應對沸騰換熱系數(shù)造成影響，在距離入口350 mm的地方設置測溫截面，截面上每隔90°設置一個熱電偶測量管外壁溫度，共等距設置3個測溫截面，如圖2所示。
制冷劑循環(huán)回路的主要組成設備為儲液罐、過濾器、柱塞計量泵、電磁流量計、冷凝器及過冷器。冷卻水循環(huán)回路的主要設備為恒溫水箱、循環(huán)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
考慮到實驗中所使用的測量儀器存在測量誤差，實測數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)存在差值且不同測量數(shù)據(jù)相互關聯(lián)，測量儀器所產生的誤差相互疊加。因此采用 Moffat ［11］法對實驗系統(tǒng)誤差進行分析，具體計算結果如表 1 所示。
2 、結果與分析
實驗通過測得不同工況下，Ｒ32與Ｒ290 在5 mm內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。沸騰換熱實驗的工況數(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 ℃，研究質量流速為 100、200 和 300kg / ( m 2·s) 時，干度 0. 1～0. 9 內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量流速的增加而顯著增大，干度為 0. 5 時，質量流速從 100 kg /( m 2·s) 增大至 300 kg/( m 2·s) 時，Ｒ32 與 Ｒ290 的摩擦壓降分別增大 63. 1% 、39. 1% 。分析原因可知，質量流速的增加導致氣液兩相之間的速度差增大，形成較大壁面剪切應力與氣液界面剪切力，且增強了流動的波動性，沿程阻力損失增大，兩者共同作用導致摩擦壓降顯著增大。
對比Ｒ32 與 Ｒ290 在相同質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。主要是由于在實驗工況下，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，Ｒ290 的流動速度遠大于Ｒ32，而摩擦壓降與流動速度的平方成正比，導致兩種制冷劑摩擦壓降差值明顯。隨著干度的增大，Ｒ290 的氣相速度遠大于Ｒ32，氣液界面剪切力的差值將越來越大，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 ℃，研究質量流速為 100、200 和 300 kg / ( m 2·s) 時，干度 0. 1～0. 9 內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)均隨質量流量的增大而增大。根據(jù) Chen［1］提出的沸騰換熱機理，在中低干度區(qū)域內核態(tài)沸騰換熱占主導地位，增強換熱主要是靠氣泡的擾動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產生較多的汽化核心。在實驗工況下，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 產生的汽化核心數(shù)量與氣泡擾動均強于Ｒ290，導致中低干度區(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)，對流沸騰換熱占主導地位，此時傳熱系數(shù)主要受氣相速度與液相導熱系數(shù)的影響。當飽和溫度取 20 ℃ 時，Ｒ290 的氣相密度比Ｒ290 低 41. 2% ，在相同的質量流速條件下，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致 Ｒ32 的沸騰換熱系數(shù)略大于Ｒ290。
3 、關聯(lián)式模型驗證
由于現(xiàn)有關聯(lián)式建立時所對應的制冷工質、實驗工況、通道尺寸以及管型存在差異，因此需在現(xiàn)有模型的基礎上進行進一步修正。
壓降關聯(lián)式的建立以 Sun ＆ Mishima［2］為基礎，該關聯(lián)式從 18 個文獻收集了 2 092 個摩擦壓降數(shù)據(jù)，其中含有 12 種實驗工質，通道的水力直徑為0. 069 5 ～ 6. 22 mm，質量流速為 50 ～ 2 000 kg / ( m 2·s) ，適用性較強。但是由于該關聯(lián)式未根據(jù)兩相雷諾數(shù)Ｒe tp 對氣、液相流態(tài)進行劃分，在選擇對應公式時也未考慮到流型的影響，所以預測值與實驗值的平均相對偏差為－ 67. 4% 。對該模型乘以修正系數(shù)1. 451 后，能夠達到較好預測效果，如圖 5( a) 所示，89% 以上的實驗值與預測值偏差在± 20% 誤差帶范圍內，平均相對偏差僅為 15. 93% 。
Li ［3］換熱關聯(lián)式建立在 Chen ［1］關聯(lián)式的基礎上，引入韋伯數(shù) We 來體現(xiàn)管徑的影響，且考慮到對流換熱對核態(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% 以上的實驗值與預測值偏差在± 20% 誤差帶范圍內，平均相對偏差僅為 16. 71% 。
4、結論
( 1) Ｒ32 與 Ｒ290 的摩擦壓降均隨質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。
( 2) 在核態(tài)沸騰換熱占主導的中低干度區(qū)域內，Ｒ32 的沸騰換熱系數(shù)明顯大于Ｒ290，但在對流沸騰換熱占主導的高干度區(qū)域內，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) 通過對 Sun ＆ Mishima 壓降關聯(lián)式與 Li 換熱關聯(lián)式進行修正，提高了關聯(lián)式的準確性，預測結果與實驗結果能夠較好地吻合，壓降實驗值與預測值平均相對偏差為15. 93% ，沸騰換熱系數(shù)平均相對偏差 16. 71% 。
( 4) 實驗工況下，制冷劑Ｒ32 的流動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需綜合考慮。
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