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微細(xì)通道內(nèi)CO2沸騰換熱與干涸特性

陸至羚1，柳建華1，2，張良1，張瑞1，吳昊1，祁良奎1

（1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海200093；2上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093）

摘要：CO2作為一種天然制冷劑在微通道內(nèi)應(yīng)用具有很大的換熱優(yōu)勢，然而由于微尺度效應(yīng)及其物性，在低干度區(qū)容易發(fā)生干涸，嚴(yán)重影響換熱效果。為研究微細(xì)通道內(nèi)CO2流動沸騰換熱與干涸特性，搭建了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，對內(nèi)徑分別為1mm、2mm、3mm以及內(nèi)表面粗糙度為16μm的不銹鋼管，在CO2制冷劑熱流密度2～34kW/m2、質(zhì)量流率50～1350kg/(m2·s)、飽和溫度?10～15℃下進(jìn)行換熱性能與干涸實(shí)驗(yàn)對比研究。結(jié)果表明：常規(guī)管徑換熱特性在微細(xì)通道內(nèi)不再適用；熱流密度的增加對于強(qiáng)化核態(tài)沸騰換熱具有顯著影響，高于臨界熱流密度（critical heat flux，CHF）則發(fā)生干涸；質(zhì)量流率對于核態(tài)沸騰區(qū)換熱系數(shù)的影響則較小；不同飽和溫度時換熱特性有所不同，高飽和溫度下?lián)Q熱系數(shù)隨其升高而提高，低飽和溫度下則相反；干涸過程對總換熱系數(shù)的影響占34%。研究結(jié)論為CO2微通道換熱器的研究開發(fā)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；微通道；沸騰換熱；臨界熱流密度；干涸；微尺度

第一作者：陸至羚（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹评渑c空調(diào)。E-mail lingling6243@hotmail.com。

隨著溫室效應(yīng)的日趨嚴(yán)重，找尋一種高效換熱的環(huán)保制冷劑變得越發(fā)緊迫。較傳統(tǒng)制冷劑而言，CO2在管內(nèi)液膜較薄，易形成核態(tài)沸騰，且導(dǎo)熱系數(shù)較高，在傳熱效率上有較大優(yōu)勢[1-3]，同時微通道的尺度效應(yīng)能強(qiáng)化兩相傳遞性能[4-5]。但由于其物性與微尺度效應(yīng)，CO2更容易在低干度區(qū)發(fā)生干涸，使換熱系數(shù)急劇下降。

目前有學(xué)者對CO2微細(xì)通道內(nèi)干涸現(xiàn)象及其成因進(jìn)行研究，然而結(jié)論差異很大，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)論。一般認(rèn)為隨質(zhì)量流率增加，干涸發(fā)生干度值減小，對流動沸騰換熱不利，而Ducoulombie等[6]研究認(rèn)為隨質(zhì)量流率的增大，換熱表面出現(xiàn)干涸現(xiàn)象對應(yīng)的制冷劑干度增大，增大制冷劑的質(zhì)量流率對提高沸騰換熱系數(shù)有利。Bredesen等[7]的研究結(jié)果是，當(dāng)飽和溫度較低時（?25℃），換熱系數(shù)隨著干度的增加幾乎不變，但當(dāng)飽和溫度為5℃時，換熱系數(shù)隨著干度的增加而下降。Jeong等[8]對螺旋盤管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)據(jù)表明換熱系數(shù)沒有隨著干度的增加而減小，這可能是由于管內(nèi)表面的二次流動阻止了干涸的發(fā)生。目前干涸現(xiàn)象的研究較少，僅在研究換熱系數(shù)時，附帶進(jìn)行干涸現(xiàn)象和臨界熱流密度（CHF）的研究，沒有深入分析其機(jī)理及影響因素[9-11]，實(shí)驗(yàn)研究也主要集中在較大管徑的管路，因此對于CO2在微細(xì)通道內(nèi)流動沸騰換熱性能研究仍需要大量實(shí)驗(yàn)研究。本文搭建了CO2微細(xì)通道內(nèi)流動沸騰換熱裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為CO2微細(xì)通道內(nèi)沸騰換熱與干涸特性提供實(shí)驗(yàn)結(jié)論與機(jī)理分析。

1　理論基礎(chǔ)

CO2熱物性使其在微細(xì)通道換熱過程中制冷劑流態(tài)更容易向環(huán)狀流甚至霧狀流轉(zhuǎn)變，傳熱表面的干涸現(xiàn)象會提前發(fā)生。圖1所示為水平管內(nèi)流動沸騰的環(huán)狀液膜干涸的機(jī)理圖，理論模型分析中簡化為將A、B區(qū)域分別對應(yīng)于環(huán)狀流與環(huán)狀流向干涸發(fā)展區(qū)域，然而實(shí)際過程中流態(tài)則更為復(fù)雜。

圖2所示為換熱系數(shù)隨管內(nèi)流動兩相流體蒸氣干度變化，A、B區(qū)域與圖1中A、B區(qū)域相互對應(yīng)。在區(qū)域B內(nèi)由于管內(nèi)環(huán)狀液膜開始部分干涸導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)相對區(qū)域A有所偏離，但換熱系數(shù)并沒馬上下降，而是在區(qū)域B中達(dá)到最大值后開始急劇下降直至圖1中所示霧狀流區(qū)域。

圖1　水平管內(nèi)干涸原理圖

圖2　換熱系數(shù)隨蒸氣干度變化

2　實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如圖3）主要由三部分構(gòu)成：CO2循環(huán)系統(tǒng)、低溫載冷劑循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮虲O2的物性確定了實(shí)驗(yàn)研究的范圍，測試工況如表1所示。

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中被測制冷劑干度依據(jù)制冷劑壓力獲得的過冷或飽和液體焓值，采用計算輸入制冷劑熱量獲得其對應(yīng)焓值變化計算其相應(yīng)焓值，測試段內(nèi)位置z處，當(dāng)P=P(z)時，由式（1）獲得測試段制冷劑焓值h(z)，測試管內(nèi)制冷劑干度x(z)則可由式（2）求得。

表1實(shí)驗(yàn)測試工況表

式中，hh,i為進(jìn)入預(yù)熱器入口過冷液體制冷劑焓值，W/(m2?K)；Qh為預(yù)熱器對制冷劑的加熱量，W；Qleak為預(yù)熱器與測試段入口進(jìn)入制冷劑的漏熱量，W；q為熱流密度，W/m2；Dw,i為管內(nèi)徑，m；qm為質(zhì)量流率，kg/s；h1為測試段入口制冷劑焓值，W/(m2?K)；Δh1v為測試段制冷劑汽化潛熱，W/(m2?K)。

3　數(shù)據(jù)與分析

3.1熱流密度對換熱系數(shù)與干涸的影響

圖4～圖6分別為1mm、2mm、3mm測試管在外壁保溫時，換熱系數(shù)在不同干度下隨熱流密度變化曲線。結(jié)果表明：在干涸發(fā)生前換熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而顯著增加；干涸發(fā)生后換熱系數(shù)迅速減小。這是由于干涸過程的本質(zhì)是由核態(tài)沸騰占主導(dǎo)的換熱形式向?qū)α鲹Q熱占主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變，直至管壁液膜出現(xiàn)蒸干的過程。增加熱流密度對這兩種換熱形式均有強(qiáng)化作用，在低干度區(qū)熱流密度的增大強(qiáng)化了核態(tài)沸騰，對換熱系數(shù)影響很大；在高干度區(qū)由于核態(tài)沸騰被抑制換熱系數(shù)逐漸減小，此時熱流密度對換熱系數(shù)影響降低。由于熱流密度越高蒸發(fā)越劇烈，在相同質(zhì)量流率下，隨熱流密度的增加干涸現(xiàn)象更加明顯，而干涸起始干度并沒有顯著改變。在高熱流密度時，相同質(zhì)量流率下熱流密度越大其干涸發(fā)展的過程越快，干涸過程中換熱系數(shù)下降更劇烈。且隨著管徑減小相同熱流密度時干涸發(fā)生的起始與結(jié)束界限更加明顯。熱流密度較小時并沒有觀測到干涸現(xiàn)象，而當(dāng)熱流密度增加超過某一臨界值時測試管測試管內(nèi)部才發(fā)生干涸現(xiàn)象，這一趨勢表明換熱過程中存在CHF。

圖4　飽和溫度T=5　℃、質(zhì)量流率m=335　kg/(m2　?s)、不同熱流密度時1　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

圖5　飽和溫度T=0　℃、質(zhì)量流率m=120　kg/(m2　?s)、不同熱流密度時2　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

圖6　飽和溫度T=0　℃、質(zhì)量流率m=56　kg/(m2　?s)、不同熱流密度時3　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

3.2質(zhì)量流率對換熱系數(shù)與干涸的影響

圖7　飽和溫度T=3　℃、熱流密度q=34.2　kW/m2　、不同質(zhì)量流率時1　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)研究獲得換熱系數(shù)隨干度變化曲線圖7～圖9顯示。在1mm管內(nèi)在低干度區(qū)域以核態(tài)沸騰換熱為主，換熱特性受質(zhì)量流率變化影響較?。辉诟吒啥葏^(qū)域，隨質(zhì)量流率增加流體液滴夾帶增多，提高了對壁面的潤濕機(jī)率，換熱系數(shù)相應(yīng)增加。在3mm管中，當(dāng)質(zhì)量流率由56kg/(m2?s)增加至73kg/(m2?s)使測試熱流密度低于臨界熱流密度，并沒有發(fā)生干涸，管內(nèi)流速增加強(qiáng)化了對流換熱，因此換熱系數(shù)隨質(zhì)量流率增加而顯著增加；隨著質(zhì)量流率由73kg/(m2?s)增加至226kg/(m2?s)，核態(tài)沸騰換熱被明顯抑制，換熱系數(shù)大幅降低。說明隨著換熱通道尺度減小核態(tài)沸騰換熱越易占主導(dǎo)作用。

圖8　飽和溫度T=2.5　℃、熱流密度q=32.8　kW/m2　、不同質(zhì)量流率時2　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

圖9　飽和溫度T=?5　℃、熱流密度q=22.4　kW/m2　、不同質(zhì)量流率時3　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

干涸現(xiàn)象結(jié)束之后，若質(zhì)量流率小于臨界值，則換熱系數(shù)隨質(zhì)量流率增加基本維持不變；若質(zhì)量流率大于臨界值，換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流率增加而增加，且管徑較小、質(zhì)量流率較大、流體表面張力較小時該現(xiàn)象更加明顯。這是由于質(zhì)量流率較高使干涸換熱過程中液滴夾帶增加強(qiáng)化了對管內(nèi)壁的沖擊，在干涸結(jié)束后的較高干度區(qū)域換熱系數(shù)隨質(zhì)量流率增加而增加，當(dāng)干涸區(qū)域結(jié)束進(jìn)入霧狀流時較高的質(zhì)量流率也對換熱系數(shù)起了強(qiáng)化作用。

對1mm與2mm管內(nèi)換熱實(shí)驗(yàn)均表明當(dāng)質(zhì)量流率增加時干涸起始干度逐漸降低，這是由于較高的質(zhì)量流率使換熱過程由核態(tài)沸騰提前進(jìn)入高速的環(huán)狀流流態(tài)，對流換熱抑制了核態(tài)沸騰換熱效果。

3.3飽和溫度對換熱系數(shù)與干涸的影響

圖10　熱流密度q=18.6　kW/m2　、質(zhì)量流率m=1335　kg/(m2　?s)、不同飽和溫度時1　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

圖11　熱流密度q=32.4　kW/m2　、質(zhì)量流率m=177　kg/(m2　?s)、不同飽和溫度時2　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

圖12　熱流密度q=5.7　kW/m2　、質(zhì)量流率m=204　kg/(m2　?s)、不同飽和溫度時2　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

當(dāng)飽和溫度高于某一溫度時（圖10與圖11），換熱系數(shù)隨飽和溫度上升相應(yīng)增加，干涸發(fā)生干度有減小趨勢，干涸后換熱系數(shù)下降更劇烈。而當(dāng)?shù)陀谶@一溫度時（圖12與圖13），換熱系數(shù)隨飽和溫度上升相應(yīng)減小，飽和溫度對物性的影響存在換熱系數(shù)的最優(yōu)值。這是由于，在高飽和溫度工況時，當(dāng)飽和溫度越接近臨界溫度CO2黏度越低，強(qiáng)烈的核態(tài)沸騰使管內(nèi)壁面液膜變薄更易破裂，因此在較高飽和溫度區(qū)域溫度變化導(dǎo)致的核態(tài)沸騰對換熱的強(qiáng)化作用大于表面張力的影響，換熱系數(shù)隨飽和溫度升高相應(yīng)增加。在低飽和溫度工況時，蒸氣密度降低導(dǎo)致管內(nèi)氣相流速增加，同時CO2液體的導(dǎo)熱系數(shù)增加使換熱系數(shù)有所提高，CO2微細(xì)通道內(nèi)換熱系數(shù)隨著飽和溫度的降低而增加。

圖13　熱流密度q=24.2　kW/m2　、質(zhì)量流率m=80　kg/(m2　?s)、不同飽和溫度時3　mm管內(nèi)CO2　實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

3.4管徑對換熱系數(shù)與干涸的影響

基于現(xiàn)有理論研究模型提出的一些代表流態(tài)特性的量綱為1數(shù)進(jìn)行管徑影響特性判斷，Kew等[12]從流態(tài)的角度解釋當(dāng)約束數(shù)Bd小于4時具有微尺度效應(yīng)，見式（3）。圖14為本實(shí)驗(yàn)研究工況依據(jù)Bd數(shù)進(jìn)行的管徑尺度劃分，可見1mm管徑實(shí)驗(yàn)工況均具有微尺度效應(yīng)，2mm、3mm管徑內(nèi)則沒有。

式中，Bd為Bd數(shù)，量綱為1；ρl為液體密度，kg/m3；ρv為氣體密度，kg/m3；D為水力直徑，m；σ為表面張力，N/cm。

圖14　基于Bd數(shù)的管徑分類

圖15　熱流密度q=29　kW/m2　時不同管徑換熱系數(shù)

圖15所示為實(shí)驗(yàn)分析了不同管徑對于換熱系數(shù)及干涸的影響，在低干度區(qū)域由于管徑越小換熱介質(zhì)與管內(nèi)壁接觸表面增加更易形成核態(tài)沸騰換熱，因此管徑越小換熱系數(shù)越高。由1mm與2mm管徑對比發(fā)現(xiàn)，管徑越小由于換熱系數(shù)的快速增加導(dǎo)致1mm管徑中流態(tài)提前轉(zhuǎn)變，換熱過程中干涸出現(xiàn)在更低干度。圖16對比了不同管徑內(nèi)相同質(zhì)量流量時的干涸特性，研究表明1mm與2mm管徑仍具有類似的干涸特性，且管徑減小、質(zhì)量流率增加對干涸前后換熱系數(shù)始終具有強(qiáng)化作用，但在3mm管徑中換熱系數(shù)隨干度單調(diào)下降且在中高干度區(qū)域換熱系數(shù)下降變緩，對此解釋為相同質(zhì)量流率時管徑增加至3mm，當(dāng)換熱至中高干度區(qū)域流態(tài)發(fā)生了變化主要以對流換熱為主，同時工質(zhì)流動速度增加使換熱過程中具有較高的對流換熱系數(shù)強(qiáng)化了干涸后換熱。

3.5干涸特性對換熱系數(shù)的影響

表2所示為1mm測試管不同工況換熱系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)中各換熱過程平均換熱系數(shù)對比，其中平均影響因子為單個過程測得換熱系數(shù)之和與整個過程測得換熱系數(shù)之和的比值。從表2中可以看出，即使CO2在較低干度即開始干涸，但由于其在初始換熱階段的換熱系數(shù)非常高，因此對于整個過程換熱系數(shù)的提高具有顯著作用，這階段對換熱的影響占接近60%左右，但其干涸階段對于換熱的影響仍占很大比例，為34%。

圖16　熱流密度q=23　kW/m2　時不同管徑換熱系數(shù)

表2不同換熱過程平均換熱系數(shù)對比表

4　結(jié)論

（1）對于一定的工況存在CHF，低于CHF時不發(fā)生干涸。熱流密度的增加促進(jìn)了核態(tài)沸騰換熱，提高換熱系數(shù)，加快干涸的發(fā)展過程。熱流密度越高、換熱管徑越小，干涸發(fā)生的界面越清晰。

（2）對流換熱占主導(dǎo)時質(zhì)量流率增加換熱系數(shù)明顯提高，核態(tài)沸騰換熱占主導(dǎo)時質(zhì)量流率對換熱系數(shù)的影響則不明顯。隨著質(zhì)量流率增加，干涸起始干度有下降趨勢；質(zhì)量流率的增加提高了干涸結(jié)束后換熱系數(shù)。

（3）飽和溫度較高時，換熱系數(shù)隨其升高而提高，當(dāng)飽和溫度較低時，換熱系數(shù)則隨其降低而提高。飽和溫度越高越容發(fā)生干涸，其干涸起始干度越低。

（4）通過Bd判斷Bd數(shù)結(jié)合管徑尺度與制冷工質(zhì)物性，可以有效地進(jìn)行管徑尺度效應(yīng)的劃分。管徑變化對CO2換熱特性影響極大。

（5）通過對CO2在流動沸騰換熱過程中各階段換熱對于整體換熱系數(shù)影響因子分析表明干涸對于整個換熱過程具有重要影響，其影響因子接近34%。

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研究開發(fā)

LU Zhiling1，LIU Jianhua1，2，ZHANG Liang1，ZHANG Rui1，WU Hao1，QI Liangkui1

（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，Shanghai 200093，China）

Abstract：CO2as a natural refrigerant has a great advantage when used in minichannels.However，due to its physical properties and micoscale effect，dryout happens more easily when dryness is low.It can decrease heat transfer greatly.A new experimental system for flow boiling heat transfer and dryout performance test was built.Experiments were conducted in minichannels with diameter of 1mm，2mm and 3mm，heat flux of 2—34kW/m2，flow rate of 50—1350kg/(m2·s)，saturation temperature of ?10—15℃.Heat transfer characteristics in traditional diameter tubes were no longer applicable to minichannels.Heat flux had significant influence on enhancing nucleate boiling heat transfer，and dryout happened when heat flux was over a critical heat flux(CHF).Flow rate had little influence on heat transfer during nucleate boiling.At a high saturation temperature，heat transfer was enhanced when saturation temperature increased，but at a low saturation temperature，it was the opposite.The influence of dryout on total heat transfer coefficient accounted for 34%.The results offered theoretical support for the design of CO2minichannel heat exchanger.

Key words：carbon dioxide；microchannels；boiling heat transfer；critical heat flux（CHF）；dryout；microscale

收稿日期：2015-01-04；修改稿日期：2015-02-15。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.009

文章編號：1000–6613（2015）08–2961–06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TB 69