國內(nèi)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獨一種，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(zhì)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(shè)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(nèi)螺紋銅管，且在實驗段及其連接處敷設(shè)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(jié)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(shè)置測溫截面，截面上每隔90°設(shè)置一個熱電偶測量管外壁溫度，共等距設(shè)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(shè)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(shè)備為恒溫水箱、循環(huán)水泵和旁通閥。實驗中，可通過調(diào)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(guān)聯(lián)，測量儀器所產(chǎn)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(jié)果如表 1 所示。

2 、結(jié)果與分析

實驗通過測得不同工況下，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(zhì)量流速為 100、200 和 300kg / ( m 2·s) 時，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，質(zhì)量流速從 100 kg /( m 2·s) 增大至 300 kg/( m 2·s) 時，Ｒ32 與 Ｒ290 的摩擦壓降分別增大 63. 1% 、39. 1% 。分析原因可知，質(zhì)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(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。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(nèi)，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(zhì)量流速為 100、200 和 300 kg / ( m 2·s) 時，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］提出的沸騰換熱機理，在中低干度區(qū)域內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(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(guān)聯(lián)式模型驗證

由于現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式建立時所對應的制冷工質(zhì)、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(chǔ)上進行進一步修正。

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(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。但是由于該關(guān)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(nèi)，平均相對偏差僅為 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(nèi)，平均相對偏差僅為 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。

( 2) 在核態(tài)沸騰換熱占主導的中低干度區(qū)域內(nèi)，Ｒ32 的沸騰換熱系數(shù)明顯大于Ｒ290，但在對流沸騰換熱占主導的高干度區(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) 通過對 Sun ＆ Mishima 壓降關(guān)聯(lián)式與 Li 換熱關(guān)聯(lián)式進行修正，提高了關(guān)聯(lián)式的準確性，預測結(jié)果與實驗結(jié)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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