逯國強(qiáng)，胡桂秋，胡　凱

(承德石油高等?？茖W(xué)校 熱能工程系，河北　承德　067000)

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壓力對R134a流動換熱特性的影響

逯國強(qiáng)，胡桂秋，胡凱

(承德石油高等?？茖W(xué)校 熱能工程系，河北承德067000)

摘要：實(shí)驗(yàn)研究了壓力參數(shù)對R134a在螺旋管內(nèi)流動換熱特性的影響，結(jié)果表明在液態(tài)單相對流換熱階段，換熱系數(shù)隨壓力升高而減小，在流動沸騰換熱階段，換熱系數(shù)隨壓力的升高而增大。從壓力對定壓比熱容、氣泡行為特性影響的角度解釋了原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為應(yīng)用于空調(diào)器的螺旋管式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓力；流動換熱；定壓比熱容；氣泡行為

R134a是空調(diào)設(shè)備目前常用的兩種制冷劑之一，研究其在蒸發(fā)器內(nèi)流動換熱特性對于蒸發(fā)器設(shè)計(jì)和空調(diào)器性能提高有重要意義，因而成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。螺旋管是一種強(qiáng)化換熱管，它特有的彈簧狀結(jié)構(gòu)能自由膨脹，熱應(yīng)力??；工質(zhì)管內(nèi)流動時(shí)發(fā)生二次回流，能夠強(qiáng)化換熱，降低熱阻；相比于直管，相同空間可以布置更長的管子，因而在工程領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前對螺旋管換熱特性的研究主要以超臨界壓力鍋爐的螺旋管圈水冷壁換熱、高溫氣冷堆一回路換熱為應(yīng)用背景，多數(shù)以水作為工質(zhì)[1-3]。以制冷劑為工質(zhì)，應(yīng)用于空調(diào)蒸發(fā)器的螺旋管換熱特性研究鮮有報(bào)道。本文以制冷劑R134a為工質(zhì)，通過電加熱模擬控制熱流密度工況，實(shí)驗(yàn)研究了壓力參數(shù)對臥式螺旋管內(nèi)流動換熱特性的影響，分析了作用機(jī)理，可為螺旋管式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)及計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)裝置簡介

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的循環(huán)示意圖如圖1所示。循環(huán)由計(jì)量泵1提供動力，液態(tài)工質(zhì)被泵出后經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)2進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段3被加熱，發(fā)生從液態(tài)單相流動向流動沸騰的轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)段3與平衡段4均為臥式螺旋管，分別由兩個(gè)相同的電源加熱，實(shí)驗(yàn)段3每增加一定的加熱量，平衡段4就相應(yīng)地減小相同的加熱量，從而保持整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸入總熱量不變，以利于系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。從平衡段4出來的兩相工質(zhì)進(jìn)入冷凝器9被冷凝成為具有一定過冷度的液體，繼而進(jìn)入儲液罐10，再次被計(jì)量泵1泵送，完成一次循環(huán)。冷凝器9的冷量由冷水機(jī)組提供。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理主要求解不計(jì)軸向?qū)岬木哂袃?nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，得到內(nèi)側(cè)壁面溫度、確定流動沸騰起始點(diǎn)、計(jì)算局部換熱系數(shù)等，相關(guān)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[4]。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文在螺旋管流動方向上選取一個(gè)完整管圈上的五個(gè)等間距布置的測點(diǎn)(按照流體流經(jīng)的先后順序分別編號為1至5)，如圖2所示，在質(zhì)量流速G=150 kg·m-2·s-1，入口過冷度△Tsub=6.0 K條件下，研究了系統(tǒng)壓力分別為0.412 MPa、0.567 MPa時(shí)，五個(gè)測點(diǎn)的局部換熱系數(shù)分布情況。

2.1液態(tài)單相對流換熱

圖3是加熱熱流密度為q=1 000 W·m-2，工質(zhì)在測試位置處于液態(tài)單相對流換熱階段時(shí)，不同壓力下五個(gè)測點(diǎn)的局部換熱系數(shù)分布情況。沿流動方向上看，同一壓力下，五個(gè)測點(diǎn)的局部換熱系數(shù)沒有呈現(xiàn)單調(diào)變化的規(guī)律，這是螺旋管換熱與直管換熱的不同之處。原因在于各測點(diǎn)處于螺旋管的不同位置，由于沿流動方向上流體受到的重力及離心力的大小、方向、作用機(jī)制持續(xù)變化，局部換熱系數(shù)主要受到這些因素的影響。

從圖3可以看到，在單相對流換熱階段，工質(zhì)壓力越高，同一位置的局部換熱系數(shù)越低。

在這一階段，工質(zhì)與壁面換熱的機(jī)理為液體強(qiáng)制對流換熱，在換熱管幾何條件相同的情況下，工質(zhì)質(zhì)量流速、入口過冷度、定壓比熱等物理參數(shù)對換熱過程起決定性作用。在溫度低于293 K范圍內(nèi)，壓力越高，液態(tài)R134a的定壓比熱容Cp越低[5]，這就使得相同質(zhì)量流速和工質(zhì)入口過冷度下，高壓工質(zhì)從壁面帶走熱量的能力低于低壓工質(zhì)，換熱能力弱，因而局部換熱系數(shù)更小。

2.2流動沸騰換熱

圖4是加熱熱流密度為q=4 500 W·m-2，工質(zhì)在測試位置處于流動沸騰換熱階段時(shí)，不同壓力下五個(gè)測點(diǎn)的局部換熱系數(shù)分布情況?？梢钥吹剑诹鲃臃序v換熱階段，工質(zhì)壓力越高，同一位置的局部換熱系數(shù)越高。

在這一階段，工質(zhì)與壁面換熱的機(jī)理為液態(tài)強(qiáng)制對流換熱與沸騰相變換熱的復(fù)合，且后者占據(jù)明顯的主導(dǎo)作用，壓力通過影響定壓比熱進(jìn)而影響換熱的作用已相對微弱。而壓力對沸騰過程中的汽泡行為特性有明顯影響，進(jìn)而影響到換熱特性。壓力的作用可從兩個(gè)方面分析：一方面，系統(tǒng)壓力越大，單個(gè)蒸汽分子的能量越大，汽泡從壁面脫離的強(qiáng)度更高，脫離速度更快，從而可以更迅速地從壁面帶走熱量，相同時(shí)間內(nèi)帶走的熱量更多。此外，汽泡從壁面脫離后進(jìn)入管子中心，通過凝結(jié)放熱的方式與液態(tài)工質(zhì)進(jìn)行熱量交換，在汽液兩相流動階段，壓力能夠影響汽、液態(tài)工質(zhì)密度，對蒸汽態(tài)工質(zhì)的影響尤其顯著，壓力越高蒸汽密度越大，這樣汽泡進(jìn)入管子中心與液態(tài)工質(zhì)接觸碰撞換熱的頻率越高，熱交換更為頻繁，換熱強(qiáng)度更高；另一方面，壓力越高，蒸汽飽和溫度越高，汽泡的表面張力隨飽和溫度的升高而降低，汽泡在壁面的滑行距離縮短[6]，脫離速度加快，不易形成阻礙傳熱的穩(wěn)定汽泡膜，從而熱阻更小，換熱強(qiáng)度更高，局部換熱系數(shù)更大。

3結(jié)論

系統(tǒng)壓力對制冷劑R134a在臥式螺旋管內(nèi)流動換熱特性有顯著影響，且對液態(tài)單相對流換熱和流動沸騰換熱的作用效果相反。在液態(tài)單相對流換熱階段，壓力越高局部換熱系數(shù)越?。辉诹鲃臃序v換熱階段，壓力越高，局部換熱系數(shù)越大。對于螺旋管式換熱器，流動沸騰換熱量遠(yuǎn)大于液態(tài)單相對流換熱量，因而提高系統(tǒng)壓力有利于整個(gè)換熱器平均換熱系數(shù)的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭萌, 趙亮, 毛宇飛, 等. 高質(zhì)量流速下立式螺旋管內(nèi)汽液兩相傳熱特性研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2008, 29(3): 423-428.

[2]朱宏曄, 楊星團(tuán), 居懷明, 等. 螺旋管內(nèi)水和蒸汽局部傳熱特性研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù), 2012, 11(1): 27-33.

[3]陳聽寬, 羅毓珊, 胡志宏, 等. 超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁傳熱特性的研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2004, 25(2): 247-250.

[4]邵莉. R134a 在臥式螺旋管內(nèi)的兩相流動與傳熱特性研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2009.

[5]朱明善, 韓禮鐘, 李立, 等. 綠色環(huán)保制冷劑HFC-134a熱物理性質(zhì)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1995.

[6]Prodanovic V, Fraser D, Salcudean M. Bubble behavior in subcooled flow boiling of water at low pressures and low flow rates[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2002, 28(1): 1-19.

Effect of System Pressure on R134a Flow Heat Transfer Characteristics

LU Guo-qiang， HU Gui-qiu， HU Kai

(Department of Thermal Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei， China)

Abstract:A research of system pressure effect on R134a flow heat transfer characteristics was experimentally performed, and the results indicate that the heat transfer coefficient decreases with the increasing of pressure under single liquid phase flow heat transfer condition, while under flow boiling heat transfer condition, the heat transfer coefficient increases with the increasing of pressure. An explanation from the point of pressure effect on the specific heat capacity and bubble behavior characteristics was given to analyze the phenomenon. The results can provide reference for the design and calculation of air conditioner helically-coiled evaporator.

Key words:pressure; flow heat transfer; specific heat capacity; bubble behavior

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：逯國強(qiáng)(1985-)，男，山東泰安人，承德石油高等專科學(xué)校熱能工程系助教，碩士，主要研究方向?yàn)橹评鋭┝鲃臃序v換熱、通風(fēng)技術(shù)。

中圖分類號：TB64

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-9446(2016)03-0025-03