趙鑫，蔡德華，鄧佳駒，高宇，何國庚

（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

吸收式制冷相比于壓縮式制冷具有耗電量少、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行安靜等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，系統(tǒng)性能很大程度上取決于工質(zhì)對(duì)的熱力學(xué)特性。制冷工質(zhì)對(duì)由沸點(diǎn)低的制冷劑和沸點(diǎn)高的吸收劑組成，其中一類為氟利昂系工質(zhì)對(duì)。有學(xué)者對(duì)R22-吸收劑進(jìn)行了研究，其中R22-DMF（二甲基甲酰胺）的系統(tǒng)性能高于R22-TEGDME（二甲醚四甘醇）[3]，R124和R134a也可與有機(jī)物組成工質(zhì)對(duì)，性能良好[4-5]。但是《蒙特利爾議定書》明確規(guī)定 2030年前全面淘汰 HCFCs（氫氯氟烴），發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家均需逐步削減HFCs（氫氟烴）。因此天然工質(zhì)R290引起了學(xué)者的關(guān)注，它不破壞臭氧層，全球變暖潛能值僅為3.3，并且熱力學(xué)性能優(yōu)于R22[6-9]，價(jià)格低廉易獲取，可直接替代制冷劑R22。戴源德等[10-11]研究了水平光管內(nèi)R290的沸騰換熱特性，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均大于 2.3 kW/(m2·K)，性能優(yōu)良。因此，本文將R290作為制冷劑應(yīng)用于吸收式制冷。

孫艷軍等[12]研究了R290-[emim][BF4]工質(zhì)對(duì)的熱力學(xué)性能，其COP低于工質(zhì)對(duì)R32-[emim][Tf2N]和R161-[hmim][Tf2N]。R290不僅可溶于離子液體，也可與冷凍油相溶[13-14]，冷凍油可以與 R290形成工質(zhì)對(duì)，彌補(bǔ)常用工質(zhì)對(duì)H2O-LiBr和NH3-H2O溶液的缺點(diǎn)。FUKUTA等[15]通過理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了丙烷-礦物油應(yīng)用于蒸氣壓縮-吸收混合式制冷系統(tǒng)的可行性，但系統(tǒng)性能較低。R290-AB300油可用于太陽能驅(qū)動(dòng)的蒸氣吸收式制冷系統(tǒng)，有效制冷量為1.3 kW，系統(tǒng)性能大于1[16]。GAO等[17]理論分析了以R290-POE油為工質(zhì)對(duì)的吸收式制冷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)發(fā)生器和熱交換器對(duì)系統(tǒng)性能的影響最大。

溶液黏度對(duì)沸騰換熱也有影響，黏度越小越好，POE油的運(yùn)動(dòng)黏度小于礦物油，因此本文以R290-POE油溶液為制冷工質(zhì)對(duì)。該工質(zhì)對(duì)具有發(fā)生溫度低、運(yùn)行范圍廣、無腐蝕性、不存在結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)和無需精餾設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)生器是吸收式制冷系統(tǒng)的重要部件，工質(zhì)對(duì)在發(fā)生器中加熱沸騰。因此對(duì)混合溶液在水平圓管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，有利于優(yōu)化發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)吸收式制冷機(jī)的小型化，促進(jìn)汽車空調(diào)[18]、船舶制冷[19]和商用空調(diào)等領(lǐng)域的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及工況

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由溶液循環(huán)、加熱水循環(huán)和冷卻水循環(huán)組成。R290-POE油溶液以過冷狀態(tài)進(jìn)入測(cè)試段加熱沸騰，過冷狀態(tài)由管道加熱器調(diào)節(jié)，管道加熱器的溫度由 PID控制器設(shè)定，過冷度控制在2 ℃以下。制冷劑在發(fā)生器中蒸發(fā)逸出，工質(zhì)對(duì)以氣液兩相流狀態(tài)進(jìn)入溶液預(yù)冷器和填料式吸收器，稀溶液通過溶液循環(huán)泵及溶液冷卻器后再次進(jìn)入吸收器以提高吸收效率。溶液完成吸收過程后由溶液泵送入溶液過冷器、過濾器和管道加熱器，再次進(jìn)入發(fā)生器，至此完成溶液循環(huán)。加熱水循環(huán)即測(cè)試段外側(cè)的水循環(huán)，為測(cè)試段提供熱量，加熱水溫度和流量分別由PID控制器和電磁流量計(jì)控制。冷卻水循環(huán)由無壓冷卻水箱、水泵和風(fēng)冷冷凝器組成，為溶液預(yù)冷器、溶液冷卻器和溶液過冷器提供冷卻水。

測(cè)試段采用水平光滑不銹鋼套管?；旌先芤涸诠軆?nèi)流動(dòng)，加熱水在兩管之間的環(huán)狀空間流動(dòng)，流動(dòng)方向相反。測(cè)試段有兩種規(guī)格，內(nèi)管內(nèi)徑分別為4 mm和6 mm，外管內(nèi)徑分別為10 mm和12 mm，管壁厚為1 mm，管長(zhǎng)為1.1 m。

測(cè)試段進(jìn)出口溫度和加熱水溫度由鉑電阻測(cè)量，其他輔助溫度由T型熱電偶測(cè)量，壓力由壓力變送器測(cè)量，制冷工質(zhì)對(duì)的質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計(jì)控制，加熱水體積流量由電磁流量計(jì)控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由安捷倫34972A型數(shù)據(jù)采集器收集并存儲(chǔ)，每10 s記錄一組數(shù)據(jù)。為了使實(shí)驗(yàn)盡可能準(zhǔn)確，連接管道和測(cè)試段均做了保溫處理，以減小環(huán)境溫度的影響。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 工質(zhì)對(duì)的特性

制冷工質(zhì)對(duì)是吸收式制冷系統(tǒng)的核心，本實(shí)驗(yàn)采用R290-POE油混合溶液作為制冷工質(zhì)對(duì)，R290為制冷劑，POE油為吸收劑。制冷劑R290的熱物性參數(shù)由REFPROP 9.1獲得，混合溶液的物性參數(shù)由企業(yè)提供?；旌先芤旱臐舛扰c溫度和壓力相關(guān)，可由式(1)計(jì)算，系數(shù)參見表2，相關(guān)系數(shù)為0.9988。

式中：

ω——R290的濃度，%；

a——系數(shù)；

p——溶液壓力，MPa；

t——溶液溫度，℃。

表2 公式(1)的系數(shù)

式中：

ρ——溶液密度，kg/m3；

ρR——制冷劑R290的密度，kg/m3。

混合溶液的導(dǎo)熱系數(shù)由式(4)計(jì)算：

式中：

λ——溶液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

λR,l——制冷劑的液態(tài)熱導(dǎo)率，W/(m·K)；

λo——吸收劑POE油的熱導(dǎo)率，W/(m·K)。

2.2 沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算

混合溶液以過冷狀態(tài)進(jìn)入發(fā)生器，因此發(fā)生器存在過冷區(qū)和沸騰區(qū)兩段，本文以溶液溫度到達(dá)飽和沸騰溫度的點(diǎn)作為過冷區(qū)和沸騰區(qū)的分隔點(diǎn)。發(fā)生器中過冷區(qū)的換熱量可以通過式(5)計(jì)算：

式中：

Qsub——過冷區(qū)的換熱量，kW；

cp——溶液的比熱容，kJ/(kg·K)；

m——溶液的質(zhì)量流量，kg/h；

TB——溶液溫度，K；

Ti——溶液進(jìn)口溫度，K。

沸騰區(qū)溶液的換熱量：

式中：

QB——沸騰區(qū)的換熱量，kW；

Qw——加熱水側(cè)的換熱量，kW；

cp,h——加熱水側(cè)的比熱容，kJ/(kg·K)；

qv——加熱水的體積流量，m3/h；

ρw——加熱水的密度，kg/m3；

Tw,i——加熱水進(jìn)口溫度，K；

Tw,o——加熱水出口溫度，K。

溶液的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

式中：

hB——沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；

LB——沸騰區(qū)的長(zhǎng)度，m；

Δtm,B——沸騰區(qū)平均的對(duì)數(shù)平均溫差，K；

λsteel——不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)；

di——內(nèi)管內(nèi)徑，mm；

do——內(nèi)管外徑，mm；

hw——水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

本實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)量?jī)x器存在誤差，儀器精度如表3所示，通過式(9)計(jì)算hB的不確定度。

經(jīng)計(jì)算，工質(zhì)對(duì)的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的不確定度絕對(duì)值在7.5%～14.6%之間，結(jié)果可靠。

表3 測(cè)量?jī)x器的精度

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

沸騰換熱有核沸騰機(jī)理和對(duì)流沸騰機(jī)理兩大機(jī)理。核沸騰機(jī)理與熱流密度密切相關(guān)，對(duì)流沸騰機(jī)理與質(zhì)量流速有關(guān)，因此分析熱流密度、質(zhì)量流速和管徑對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。

3.1 熱流密度對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖2所示為R290-油混合溶液在4 mm和6 mm管中沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱流密度的變化。由圖2可知，隨著熱流密度的增大，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高。當(dāng) di=4 mm、G=221 kg/(m2·s)時(shí)，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由 306.7 W/(m2·K)增至408.5 W/(m2·K)，變化最大。熱流密度的增加使溶液所能吸收的熱量增加，溶液過熱度提高，由此蒸發(fā)出更多的制冷劑，強(qiáng)化核態(tài)沸騰過程。

圖3和圖4所示分別為di=4 mm和di=6 mm時(shí)，相同工況下出口干度隨熱流密度的變化。由圖3和圖4可知，出口干度與熱流密度近似線性相關(guān)，當(dāng)di=4 mm、質(zhì)量流速為 211 kg/(m2·K)時(shí)，出口干度的變化最大，與此工況下沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的規(guī)律一致。熱流密度越大，出口干度越大，說明測(cè)試段出口的溶液濃度越小，相應(yīng)的放氣范圍越大，釋放的制冷劑越多，與上述分析一致。

圖2 沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱流密度的變化

圖3 出口干度隨熱流密度的變化（di=4 mm）

圖4 出口干度隨熱流密度的變化（di=6 mm）

制冷工質(zhì)的黏度會(huì)影響沸騰換熱過程[20]。制冷工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度的升高而降低，黏度越低越有利于溶液的沸騰換熱。此外，管壁上產(chǎn)生的氣泡數(shù)量隨熱流密度的增大而增加，產(chǎn)生頻率也會(huì)加快，有效擾動(dòng)管壁的層流邊界層，加強(qiáng)沸騰換熱過程。

3.2 質(zhì)量流速對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖5所示為6 mm水平圓管中溶液的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨質(zhì)量流速的變化。質(zhì)量流速是單位時(shí)間內(nèi)流過單位流通截面積的質(zhì)量。為了準(zhǔn)確分析質(zhì)量流速的影響，所選數(shù)據(jù)的熱流密度都在一定范圍內(nèi)，變化不超過0.4 kW/m2。沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨質(zhì)量流速的增大而增大，當(dāng)熱流密度為12.7～13.1 kW/m2時(shí)，增幅最大，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由 562.7 W/(m2·K)增至 653.3 W/(m2·K)。圖 2顯示了相似的規(guī)律。當(dāng)管徑不變時(shí)，質(zhì)量流速增大，則管內(nèi)制冷工質(zhì)對(duì)的流速增大，強(qiáng)化了工質(zhì)對(duì)的沸騰換熱過程，從而增大了沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

圖5 流動(dòng)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨質(zhì)量流速的變化

3.3 管徑對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖6所示為管徑對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。當(dāng)蒸氣質(zhì)量為0.054 kg、G=221 kg/(m2·s)時(shí)，4 mm發(fā)生器的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 324.5 W/(m2·K)，6 mm發(fā)生器的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 554.7 W/(m2·K)，增加了 230.2 W/(m2·K)。當(dāng)質(zhì)量流速增至276 kg/(m2·s)時(shí)，4 mm發(fā)生器和6 mm發(fā)生器的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為 398 W/(m2·K)和 630 W/(m2·K)，增加了 232 W/(m2·K)。質(zhì)量流速對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較小。

6 mm測(cè)試段的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯大于4 mm測(cè)試段，這是因?yàn)楫?dāng)質(zhì)量流速和蒸氣出口干度一定時(shí)，管徑越大，所需的熱流密度越大。如3.1節(jié)所述，熱流密度越大，溶液的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大。另外，當(dāng)質(zhì)量流速一致時(shí)，通過圓管的流速相同，但是6 mm管與溶液的接觸面積更大，因此壁面會(huì)產(chǎn)生更多的氣泡，加強(qiáng)對(duì)層流邊界層的擾動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)流沸騰換熱過程。

圖6 管徑對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

3.4 核沸騰機(jī)理和對(duì)流沸騰機(jī)理的分析

為了分析核沸騰機(jī)理和對(duì)流沸騰機(jī)理的作用程度，根據(jù)SHAH[21]的理論，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)流數(shù)Co和沸騰數(shù)Bo。當(dāng)Co大于0.65時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處于核沸騰區(qū)域。反之，當(dāng)Co小于0.65時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處于對(duì)流沸騰區(qū)域。根據(jù)計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均處于核沸騰區(qū)，如圖7所示。因此核沸騰機(jī)理在流動(dòng)沸騰換熱過程中起主導(dǎo)作用，對(duì)流沸騰機(jī)理作用較弱。

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的沸騰數(shù)和對(duì)流數(shù)

4 結(jié)論

本文利用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量了R290-POE油溶液在各個(gè)運(yùn)行工況下的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，分析沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱流密度、質(zhì)量流速和管徑的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1） R290的熱物理性質(zhì)良好，與POE油組成的工質(zhì)對(duì)的發(fā)生溫度低，僅為62.5 ℃；R290-POE油運(yùn)行范圍廣，可在 0 ℃以下工作；R290-POE油不腐蝕常見金屬，可應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)；

2） 沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱流密度的增大而提高，出口干度與熱流密度近線性相關(guān)，內(nèi)管外徑為4 mm、質(zhì)量流速為211 kg/(m2·s)時(shí)變化最明顯；

3） 隨著質(zhì)量流速的增大，溶液的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變大；6 mm圓管的沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于4 mm圓管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

4） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)流數(shù)均大于 0.65，處于核沸騰區(qū)，此時(shí)核沸騰機(jī)理對(duì)沸騰換熱過程的作用較大；

5） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與常見工質(zhì)對(duì)相比偏小，后續(xù)可采取強(qiáng)化換熱措施，如翅片管、多孔管和加入納米顆粒等，以提高沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。