劉圣春 李蘭 寧?kù)o紅 劉江彬

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

CO2水平管外池沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)研究

劉圣春 李蘭 寧?kù)o紅 劉江彬

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

對(duì)自然工質(zhì)CO2在不同沸騰壓力下的光管、機(jī)械加工表面強(qiáng)化管(Turbo-EHP)水平單管管外電加熱池沸騰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。從核態(tài)沸騰的角度分析了光管、強(qiáng)化管管外沸騰換熱系數(shù)隨熱流密度、沸騰壓力的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)熱流密度在10～50 kW/m2、蒸發(fā)壓力在2～4 MPa范圍內(nèi)的換熱數(shù)據(jù)分析擬合得出光管時(shí)CO2在該范圍下的換熱關(guān)聯(lián)式，擬合關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的誤差在±8.73%以內(nèi)。新的擬合關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值與已有關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值的偏差在±15%之內(nèi)。在熱流密度范圍內(nèi)強(qiáng)化管的強(qiáng)化倍率在1.50～1.72之間。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步深入研究CO2池沸騰換熱及蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

CO2；池沸騰；傳熱系數(shù)；強(qiáng)化傳熱

CO2由于其蒸發(fā)壓力高(2.0～6.0 MPa)及容積換熱量大，更適于小管徑的換熱器。但是CO2在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，容易發(fā)生干涸現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q熱效果惡化[1－2]。mKatsuta等[3]與丁睿等[4]通過(guò)研究得出，制冷劑中存在潤(rùn)滑油，會(huì)對(duì)小管徑的沸騰換熱產(chǎn)生重大影響，使得換熱系數(shù)劇烈下降。而對(duì)于滿液式蒸發(fā)器，換熱壁面浸泡在制冷劑中，不會(huì)出現(xiàn)干涸現(xiàn)象；同時(shí)，CO2表面張力小，在相同蒸發(fā)溫度下，更容易發(fā)生沸騰，所以CO2池沸騰換熱系數(shù)明顯增大。蒸發(fā)強(qiáng)化換熱管是滿液式換熱器的一種重要管型。在一定熱流密度范圍內(nèi)，其換熱效果可達(dá)普通換熱管的幾倍。19世紀(jì)50年代以后，蒸發(fā)強(qiáng)化換熱管的研究受到了廣泛關(guān)注，對(duì)沸騰換熱的研究獲得了一系列重要的成果[5－8]。目前，沸騰換熱的機(jī)理開(kāi)始進(jìn)行了新的研究，主要是換熱系數(shù)與壓力和熱流密度的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定管內(nèi)外換熱關(guān)聯(lián)式，強(qiáng)化換熱管與普通光管之間的性能比較等方面的研究[9－11]。國(guó)外研究學(xué)者Dieter G等[12]對(duì)CO2池沸騰換熱進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的可視化觀察；文獻(xiàn)[13]指出在相同壓力、熱流密度和相似粗糙度條件下，壁面材料對(duì)CO2池沸騰傳熱系數(shù)的影響。Kotthoff S 等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮熱流密度、對(duì)比壓力、表面粗糙度等的影響，擬合出熱流范圍為泡點(diǎn)形成至100 kW/ m2，蒸發(fā)壓力在2～4.5 MPa范圍內(nèi)的換熱關(guān)聯(lián)式。Ribatski S J[15]對(duì)R134a和R123進(jìn)行了池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，研究了壁體材料和表面粗糙度對(duì)核態(tài)池沸騰換熱的影響，并在Cooper公式[16]基礎(chǔ)上提出了一種修正后的換熱關(guān)聯(lián)式。

分析眾多研究者的研究?jī)?nèi)容，對(duì)于換熱關(guān)聯(lián)式都力求多個(gè)參數(shù)擬合，對(duì)于其工程應(yīng)用，尚有局限。本研究對(duì)CO2在光管、機(jī)械加工強(qiáng)化管水平單管管外電加熱池沸騰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析不同壓力下，換熱系數(shù)隨熱流密度及沸騰壓力的變化規(guī)律，提出了簡(jiǎn)化的CO2池沸騰換熱關(guān)聯(lián)式，并比較了強(qiáng)化管的強(qiáng)化倍率，對(duì)進(jìn)一步研究CO2池沸騰換熱及其工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1·1 CO2電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)裝置

本文在原有的CO2跨臨界循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，添加了電加熱池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)段，組成CO2電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)采用的是傳統(tǒng)有回?zé)岬腃O2制冷循環(huán)。工作過(guò)程為:壓縮機(jī)排出的高溫高壓的CO2氣體首先進(jìn)入油分離器，分離出壓縮機(jī)排氣中攜帶的潤(rùn)滑油后，進(jìn)入氣體冷卻器，與冷卻水換熱后進(jìn)入回?zé)崞髋c來(lái)自出集液器的低溫低壓的CO2氣體進(jìn)行換熱，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥，進(jìn)入電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)段，吸收電加熱的熱量進(jìn)入集液器，再進(jìn)入回?zé)崞?，最后進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一個(gè)循環(huán)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig·1 SchematiCdiagramof experimental apparatus

CO2電加熱池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)管段示意圖如圖2所示，電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)段的電加熱管由兩根管擠壓而成，內(nèi)管為電加熱棒，外管為實(shí)驗(yàn)管，兩者之間加入焊錫。電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)段的外管為Φ89 mm×10 mm的不銹鋼管。CO2流體在實(shí)驗(yàn)管和外管間的環(huán)形空間流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)管浸沒(méi)在制冷劑中，故稱池沸騰。為了便于更換實(shí)驗(yàn)管，兩端采用法蘭連接。為了觀察CO2池沸騰換熱特性，在不銹鋼管外管中間安裝有一對(duì)視鏡，分別為采光視鏡和觀察視鏡。兩者呈90°放置。

圖2 實(shí)驗(yàn)管段示意圖Fig·2 Detail of test section

電加熱池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)段的參數(shù)測(cè)量裝置主要包括溫度測(cè)量，壓力測(cè)量，流量測(cè)量和電加熱功率測(cè)量裝置。實(shí)驗(yàn)用的熱電偶和壓力傳感器在使用前已經(jīng)過(guò)標(biāo)定。溫度校準(zhǔn)設(shè)備精度范圍為±0.1℃。壓力傳感器采用多功能校驗(yàn)儀進(jìn)行標(biāo)定，內(nèi)置INT160壓力模塊，量程為0～16 MPa，分辨率為0.0001；精度為0.005%FS＋0.0125%RDG。

實(shí)驗(yàn)管件為光管和某公司提供的機(jī)械加工表面強(qiáng)化管Turbo-EHP，實(shí)驗(yàn)光管的有效長(zhǎng)度為1.2 m，直徑為22 mm，機(jī)械加工強(qiáng)化管的尺寸參數(shù)如表1所示，有效長(zhǎng)度為1.2 m。實(shí)驗(yàn)用光管和強(qiáng)化管的實(shí)物圖如圖3、圖4所示。

表1 強(qiáng)化管尺寸參數(shù)表Tab·1 Geometry parameters of enhanced tube

圖3 實(shí)驗(yàn)光管實(shí)物圖Fig·3 Physical figure of smooth tube

圖4 強(qiáng)化換熱管實(shí)物圖Fig·4 Physical figure of enhanced tube

1·2 CO2電加熱池沸騰溫度測(cè)量裝置

為了計(jì)算傳熱溫差，池沸騰換熱需要測(cè)量管外CO2飽和液體的溫度及電加熱管外壁面溫度。為了準(zhǔn)確測(cè)量CO2飽和液體的溫度，電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)段共有12個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，熱電偶的末端放置于內(nèi)管和外管環(huán)形空間的中間位置，取12個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均值作為CO2液體的飽和溫度。通過(guò)擠壓在電加熱棒和電加熱外管間的K型熱電偶可測(cè)量電加熱內(nèi)管的溫度。外管12個(gè)熱電偶通過(guò)高壓流體密封裝置解決密封要求。密封裝置原理圖如圖5所示。

圖5 密封裝置原理圖Fig·5 SchematiCdiagramof sealing device

2 數(shù)據(jù)處理及分析

2·1 數(shù)據(jù)處理

1)電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)段換熱量計(jì)算

電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)管段及管路外面均包裹保溫材料，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中忽略與外界空氣的熱交換，認(rèn)為電加熱管的加熱功率等于制冷劑的吸熱量。電加熱光管和強(qiáng)化管的內(nèi)部電阻值均為12Ω，則電加熱管的功率為:

2)電加熱池沸騰實(shí)驗(yàn)段熱流密度的計(jì)算在穩(wěn)定工況下，電加熱管的熱流密度為:

3)電加熱管外壁面溫度計(jì)算

要將熱電偶的測(cè)量溫度轉(zhuǎn)化成電加熱管的外壁面溫度，換算方法依據(jù)為圓筒壁的導(dǎo)熱公式:

4)CO2飽和液體溫度的計(jì)算

CO2飽和液體溫度采用文獻(xiàn)[17]提出的方法進(jìn)行采集。通過(guò)沿電加熱管軸向布置的12溫度測(cè)點(diǎn)獲得，取12個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為CO2飽和液體的溫度:

5)CO2沸騰換熱系數(shù)的計(jì)算

每一個(gè)工況在穩(wěn)定后測(cè)量，共測(cè)十組數(shù)據(jù)，以平均值作為該工況的數(shù)據(jù)，對(duì)于所測(cè)定的壓力工況，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥及氣體冷卻器冷卻水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2·2 數(shù)據(jù)分析及討論

1)擬合換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比分析

圖6表示光管情況下，CO2在 2.6 MPa、2.9 MPa、3.2 MPa、3.6 MPa四個(gè)蒸發(fā)壓力下，沸騰傳熱溫差隨著熱流密度的變化關(guān)系。從圖6中可以看出:隨著熱流密度增加，在四個(gè)蒸發(fā)壓力下沸騰傳熱溫差隨著熱流密度的變化趨勢(shì)基本一致。隨著熱流密度的增加，沸騰傳熱溫差逐漸增大。在同一熱流密度條件下，蒸發(fā)壓力越高，沸騰傳熱溫差越小。

圖6 不同蒸發(fā)壓力下CO2沸騰溫差隨熱流密度的變化關(guān)系Fig·6 CO2boiling temperature difference versus heat flux under different evaporation pressure

圖7為CO2池沸騰換熱系數(shù)隨熱流密度的變化關(guān)系。從圖7中可以看出CO2的沸騰換熱系數(shù)隨著熱流密度增加而增加。熱流密度增加使壁面過(guò)熱度增大，會(huì)產(chǎn)生更多的氣化核心，相應(yīng)產(chǎn)生的氣泡數(shù)目增多，換熱系數(shù)增大。從圖7可以看出相同熱流密度條件下，蒸發(fā)壓力越高，沸騰換熱系數(shù)越大，沸騰換熱系數(shù)與熱流密度符合h∝qn的關(guān)系，本文在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合出 CO2在蒸發(fā)壓力的范圍為2～4 MPa、熱流密度為10～50 kW/m2的換熱關(guān)聯(lián)式:

式(6)中:h為換熱系數(shù)，W/(m2·K)；q為熱流密度，W/m2；p?為對(duì)比壓力。公式擬合過(guò)程中采用的數(shù)據(jù)是CO2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在關(guān)聯(lián)式簡(jiǎn)化過(guò)程中簡(jiǎn)化了CO2物性對(duì)池沸騰換熱的影響，抓住了對(duì)池沸騰換熱有重要影響的熱流密度、壓力。

圖7 不同蒸發(fā)壓力下CO2沸騰換熱系數(shù)隨熱流密度的變化關(guān)系Fig·7 CO2boiling heat transfer coefficient versus heat flux under different evaporation pressure

圖8 蒸發(fā)壓力為2·6 MPa,3·2 MPa下擬合關(guān)聯(lián)式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值的比較Fig·8 Comparison between fitting correlation values and experimental values under the evaporating pressure 2·6 MPa and 3·2 MPa

圖8和圖9為四組不同蒸發(fā)壓力下實(shí)驗(yàn)數(shù)值與擬合換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算值的比較，從圖中可以看出，擬合關(guān)聯(lián)式很好的反映了給定蒸發(fā)壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，擬合關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的誤差在±8.73%以內(nèi)，擬合公式能夠較好的反映CO2在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的換熱規(guī)律。

圖9 蒸發(fā)壓力為2·9 MPa,3·6 mPa下擬合關(guān)聯(lián)式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值的比較Fig·9 Comparison between fitting correlation values and experimental values under the evaporating pressure 2·9 MPa and 3·6 MPa

3)CO2在水平光管和強(qiáng)化管管外沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究分析

2)擬合換熱關(guān)聯(lián)式和已有關(guān)聯(lián)式的對(duì)比分析

圖10與圖11分別表示壓力為3.2 MPa和3.6 MPa時(shí)，CO2換熱系數(shù)隨熱流密度的變化情形?？梢钥闯鯟O2新的擬合公式值與各關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值符合的較好。在高熱流密度下，新的擬合公式值比葉天震[18]的實(shí)驗(yàn)擬合值換熱系數(shù)高，因?yàn)閿M合公式所選取的數(shù)據(jù)是采用電加熱恒熱流池沸騰實(shí)驗(yàn)方法，而后者的實(shí)驗(yàn)擬合公式數(shù)據(jù)是選取的流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)方法，后者的沸騰情況比較難控制，很難達(dá)到完全的滿液沸騰?？梢钥闯?，不同的壓力下，熱流密度對(duì)池沸騰換熱的影響程度不同。在較高壓力下(3.6 MPa)，熱流密度對(duì)沸騰換熱的影響比低壓力下(3.2 MPa)小。CO2新的擬合公式值與Cooper預(yù)測(cè)值的偏差在±15%之內(nèi)，與Ribatski關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值的偏差在±7%之內(nèi)，與葉實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值的偏差在±9%之內(nèi)。比較結(jié)果表明新的擬合公式計(jì)算值與關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值的偏差在±15%之內(nèi)。計(jì)算結(jié)果與已有的關(guān)聯(lián)式間存在偏差，但是簡(jiǎn)化了公式的形式，具有一定的通用性。

圖10 壓力為3·2 MPa時(shí)關(guān)聯(lián)式之間的誤差分析Fig·10 Error analysis between correlations under pressure 3·2 MPa

圖11 壓力為3·6 MPa時(shí)關(guān)聯(lián)式之間的誤差分析Fig·11 Error analysis between correlations under pressure 3·6 MPa

圖12表示CO2在2.6 MPa、3.2 MPa兩個(gè)蒸發(fā)壓力下，沸騰傳熱溫差隨著熱流密度的變化關(guān)系。由圖可知，強(qiáng)化管的沸騰傳熱溫差明顯小于光管所需的傳熱溫差。強(qiáng)化管的表面與光管表面相比，增加了大量的氣化核心，能吸附一定量的蒸氣，因此可以明顯降低產(chǎn)生氣泡所需的沸騰傳熱溫差。較低的沸騰傳熱溫差意味著在同樣溫度下，可提高蒸發(fā)溫度，這有利于提高制冷系統(tǒng)的效率。

圖12 不同蒸發(fā)壓力下CO2沸騰溫差隨熱流密度的變化關(guān)系Fig·12 CO2boiling temperature difference versus heat flux under different evaporation pressures

圖13為蒸發(fā)壓力為2.6 MPa和3.2 MPa時(shí)，CO2在光管和強(qiáng)化管外沸騰換熱特性的對(duì)比。從圖中可知，在同一壓力下，CO2在強(qiáng)化管外的沸騰換熱效果明顯強(qiáng)于光管。這主要是由于強(qiáng)化管外特殊的表面結(jié)構(gòu)有利于氣化核心的形成和保持，并能促進(jìn)氣泡的脫離。雖然光管和強(qiáng)化管的沸騰換熱系數(shù)都隨熱流密度的增加而增加，但在同樣的壓力下，熱流密度對(duì)強(qiáng)化管沸騰的影響要大于對(duì)光管的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在蒸發(fā)壓力為2.6 MPa和3.2 MPa時(shí)，在實(shí)驗(yàn)熱流密度范圍內(nèi)，強(qiáng)化倍率為1.50～1.72。

圖13 不同蒸發(fā)壓力下CO2沸騰換熱系數(shù)隨熱流密度的變化關(guān)系Fig·13 CO2boiling heat transfer coefficient versus heat flux under different evaporation pressures

3 結(jié)論

本文對(duì)CO2池沸騰換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，得出CO2水平光管和強(qiáng)化管池沸騰換熱過(guò)程中換熱系數(shù)與熱流密度和蒸發(fā)壓力的關(guān)系，得到如下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)大熱流密度下的光管換熱分析，得出CO2在熱流密度范圍為10～50 kW/m2，蒸發(fā)壓力在2～4 MPa范圍內(nèi)的換熱關(guān)聯(lián)式。擬合關(guān)聯(lián)式很好的反映了給定蒸發(fā)壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的誤差在±8.73%以內(nèi)。

2)通過(guò)新的公式擬合值和其他關(guān)聯(lián)式的計(jì)算預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CO2新的擬合公式值與各關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值符合的較好，具有一定的通用性。

3)對(duì)CO2在水平光管和強(qiáng)化管外池沸騰換熱的研究結(jié)果表明，在不同沸騰壓力下，強(qiáng)化管中熱流密度對(duì)沸騰換熱的影響大于光管。強(qiáng)化管沸騰所需的壁面過(guò)熱度低于光管，在蒸發(fā)壓力為2.6 MPa和3.2 MPa時(shí)，在實(shí)驗(yàn)熱流密度范圍內(nèi)，強(qiáng)化倍率為1.50～1.72。

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About the corresponding author

Liu Shengchun，male，associate professor，Tianjin University of Commerce，＋86 13920682426，E-mail:liushch＠tjcu.edu.cn. Research fields:energy saving for refrigeration system，natural refrigeration substitution.

Experimental Research on CO2Pool Boiling Heat Transfer outside Horizontal Tube

Liu Shengchun Li Lan Ning Jinghong Liu Jiangbin

(Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin，300134，China)

The pool boiling heat transfer of natural refrigerant CO2outside single horizontal tube is investigated experimentally under different boiling pressure.Smooth tube and enhanced tube(Turbo-EHP)are taken as the single horizontal tube with electrical heating.The relationshiPof boiling heat transfer coefficient along with the heat flux and the boiling pressure is analyzed，and the heat transfer correlation of smooth tube under heat flux of10～50 kW/m2and boiling pressure of2～4 MPa is obtained.Themaximumerror is 8.73%when the experimental values are compared with fitting formula.Compared with other existing heat transfer correlations，the new fitting formula of CO2ismatching verywell，and themaximumerror is15%.In the range ofexperimental heat flux and boiling pressure，the overallheat transfer coefficients of the enhanced tube are higher than that of the smooth tube，and its enhancement factors varies from1.50 to 1.72. This papermakes useful exploration of CO2pool boiling heat transfer and will benefit the design of evaporator.

CO2；pool boiling；coefficient of heat transfer；heat transfer enhancement

TB61＋1；TK124

A

0253－4339(2015)02－0034－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.034

簡(jiǎn)介

劉圣春，男，副教授，天津商業(yè)大學(xué)，13920682426，E-mail:liushch＠tjcu.edu.cn。研究方向:制冷系統(tǒng)節(jié)能及自然工質(zhì)替代研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51006073)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51006073).)

2014年7月8日