潤滑油對水平強化管降膜蒸發(fā)傳熱特性的影響

李敏霞，蔡文生，孫 晗，黨超鑌，呂佳桐

(1. 天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室，天津 300072；2. 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；

3. 日本東京大學(xué)新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)人間環(huán)境專攻，千葉 277-8563)

隨著能源價格的上漲以及臭氧層破壞和溫室氣體效應(yīng)等環(huán)境問題日益突出，制冷劑的替代和減量技術(shù)成為熱泵制冷空調(diào)行業(yè)的研究重點．早在 1848年水平管降膜式蒸發(fā)器技術(shù)已經(jīng)誕生，1888年降膜蒸發(fā)器專利出現(xiàn)，1970—1990年期間研究側(cè)重點集中在海洋熱能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)上的應(yīng)用，直到 20世紀(jì) 90年代，隨著制冷劑CFC的淘汰，降膜蒸發(fā)器被應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中．水平管降膜蒸發(fā)器與滿液式蒸發(fā)器相比傳熱系數(shù)更高、傳熱溫差小、不可逆損失小、換熱器設(shè)備體積小的優(yōu)點，特別是制冷劑充灌量可以降低20%～30%[1]．

國內(nèi)外學(xué)者對水平管降膜式蒸發(fā)器進行了大量的實驗研究，Armbruster等[2]發(fā)現(xiàn)在對流蒸發(fā)占主導(dǎo)時，傳熱系數(shù)隨著飽和溫度的增加而增加，但在核態(tài)沸騰占主導(dǎo)時，Ribatski等[1]認(rèn)為飽和溫度的增加可能導(dǎo)致傳熱系數(shù)增加，也可能導(dǎo)致傳熱系數(shù)的減少，因為飽和溫度的增加會增加氣化核心，但溫度梯度的增加會抑制氣泡的成長．Hu等[3]認(rèn)為在對流蒸發(fā)占主導(dǎo)時傳熱系數(shù)的變化不受熱流密度的影響，Zeng等[4]認(rèn)為由于熱流密度增加會導(dǎo)致氣化核心的增多而使傳熱系數(shù)增加．Ganic等[5]認(rèn)為在嚴(yán)格的對流蒸發(fā)時傳熱系數(shù)隨著液膜流量的增加而增加．Roques[6]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)在全部潤濕的核態(tài)沸騰區(qū)域中不受液膜流量的影響，但在部分潤濕的核態(tài)沸騰區(qū)域時，傳熱系數(shù)會隨著液膜流量的減少而降低.Hu等[7]提出了滴狀流、滴狀-柱狀流、柱狀流、柱狀-片狀流、片狀流管間流型并通過實驗和觀察建立了Re-Ga流型轉(zhuǎn)換圖. Mohamed[8]通過實驗得出旋轉(zhuǎn)水平管的流動模式轉(zhuǎn)變所需的雷諾數(shù)低于靜止水平管.

在實際的制冷循環(huán)過程中，從壓縮機出來的制冷劑氣體夾帶壓縮機里的潤滑油，最終進入蒸發(fā)器，因此進入蒸發(fā)器中的制冷劑不再是純工質(zhì)，而是制冷劑與潤滑油的混合物．一些研究認(rèn)為潤滑油可以促進制冷劑的蒸發(fā)換熱，而有些研究認(rèn)為潤滑油可能抑制蒸發(fā)換熱．在關(guān)于潤滑油對池沸騰影響的研究中，Udomboresuwan等[9]認(rèn)為由于泡沫的存在，使得池沸騰換熱系數(shù)有顯著的增加．Spindler等[10]認(rèn)為在含油率較低時，油黏度較大，會導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)的增加．在關(guān)于潤滑油對流動沸騰傳熱影響的研究中，Dang等[11]對含 PAG潤滑油 CO2進行了蒸發(fā)實驗，發(fā)現(xiàn)換熱系數(shù)降低了50%．

關(guān)于含油制冷劑對降膜蒸發(fā)傳熱影響的文獻較少. 為此，筆者以 R134a為制冷劑，在不同含油率(POE潤滑油)情況下進行管外降膜蒸發(fā)換熱實驗研究，為制冷系統(tǒng)水平管降膜式蒸發(fā)換熱的設(shè)計提供幫助．

1 實驗設(shè)備與方法

1.1 實驗流程及步驟

實驗系統(tǒng)見圖 1，主要由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng) 3大系統(tǒng)組成．圖中實線為制冷劑循環(huán)回路，虛線為水循環(huán)回路．制冷劑循環(huán)系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、干燥過濾器、壓縮機、油分離器、冷凝器、節(jié)流閥、儲液罐等主要部件．制冷劑氣體經(jīng)過渦旋壓縮機 1成為高溫高壓氣體，經(jīng)過油分離器 2，過濾掉一部分 POE油，再進入冷凝器 3被低溫循環(huán)水 12冷凝為液體，然后依次進入節(jié)流閥 4、儲液罐5、降膜蒸發(fā)器 7中，經(jīng)過蒸發(fā)器換熱以后的制冷劑可能是氣液共存，再通過氣液分離器 10最終以氣體狀態(tài)進入壓縮機．系統(tǒng)還包括液態(tài)制冷劑回液支路，其作用是將蒸發(fā)器中未能及時蒸發(fā)掉的液態(tài)制冷劑再次通過工質(zhì)泵送回蒸發(fā)器中進行蒸發(fā)．

圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

在測試前，通過改變與油分離器2管路并聯(lián)支路上調(diào)節(jié)閥的開度大小來獲得不同的工質(zhì)含油率，并通過含油測試段進行油含量的測定，另外待整個實驗數(shù)據(jù)采集完畢后，仍保持制冷系統(tǒng)機組運行，再取下含油測試段對工質(zhì)含油率進行測定．在實驗時，將與油分離器 2管路并聯(lián)支路上調(diào)節(jié)閥開度大小設(shè)定在某一位置并固定不變，以確保壓縮機出來的工質(zhì)含油率不變．然后開啟制冷系統(tǒng)，控制冷凍水箱水溫．通過調(diào)節(jié)冷凍水水溫和冷凍水的質(zhì)量流量來控制蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度保持在 6,℃．由于采用的是水加熱方法，實現(xiàn)測試管上等熱流密度輸入比較困難，但為盡量保證管路各處熱流密度均勻，盡量加大水流量，降低換熱溫差，減小熱流密度的不均勻性．通過改變冷凍水流量來控制實驗測定的熱流密度范圍，最后得到整根管的平均換熱系數(shù)．

本次實驗采用的工質(zhì)為 R134a，采用的潤滑油為合成多元醇酯類(polyol ester，POE)潤滑油，R134a與 POE互溶，R134a與其他潤滑油如礦物油不相溶不利于油的回流，與合成的聚(乙)二醇類(polyalkylene glycol，PAG)潤滑油部分相溶，一般R134a制冷系統(tǒng)推薦使用 POE潤滑油．蒸發(fā)溫度為6,℃．進口水溫保持在 12,℃．實驗段為 2,m 長的強化管，其幾何參數(shù)見表1，強化管表面照片見圖 2．強化表面有比較深的橫縱溝槽．實驗工況見表 2．研究在不同噴淋密度以及不同含油量的情況下，管外表面的換熱系數(shù)．率計算式為

表1 強化管參數(shù)Tab.1 Enhanced tube parameters

圖2 強化管表面照片F(xiàn)ig.2 Picture of the surface of enhanced tube

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

1.2 含油率的控制與測定

系統(tǒng)中采用的潤滑油為 POE．POE與 R134a互溶．為改變系統(tǒng)測試段中的含油率，在壓縮機 1出口加裝了與油分離器2管路并聯(lián)的調(diào)節(jié)閥支路，如圖1所示．通過調(diào)節(jié)支路調(diào)節(jié)閥開度的大小，控制進入油分離器的流量，來得到不同含油率的制冷劑．同時，在降膜蒸發(fā)器 7之前加裝了含油率測試段，如圖 3所示．

圖3 含油率測試段Fig.3 Test section of oil content

實驗中對含油測試段(虛線之間的管路)進行取樣時，將主干路閥門 1關(guān)閉，打開支路閥門 2、3，待系統(tǒng)運行一段時間以后，將支路球閥 2和針閥 3關(guān)閉，同時打開主干路球閥 1．取下含油測試段(針閥 3及其之間的管路)并利用精度為0.01,g的精密天平進行稱量，稱其質(zhì)量為 m1，然后緩慢打開針閥 3，待制冷劑完全釋放后，稱其質(zhì)量為m2，最后用清洗劑多次清洗含油測試段并用氮氣吹干，稱其質(zhì)量為m3．含油

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 管外換熱系數(shù)的確定

管外換熱系數(shù)(h)計算式為

式中：Q為總換熱量；AO為管外當(dāng)量換熱面積；ΔT為換熱溫差；ΔTw為實驗段中水進出口溫差；qm,w為水的質(zhì)量流量；Tw為管外壁平均溫度；Tsat為制冷劑蒸發(fā)溫度；Γ 為噴淋密度；qm,r為制冷劑質(zhì)量流量；L為管的長度．

2.2 不確定度分析

蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度由二級標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測量，通過標(biāo)定，其測量精度為±0.1,℃，實驗段的冷凍水進出口溫度由 T型熱電偶來測量，經(jīng)標(biāo)定，其測量精度為±0.1,℃．冷媒和水側(cè)流量的測量使用渦輪流量計，其精度為±0.5%．壓力表精度為±0.4%．根據(jù)誤差傳播公式

推出本實驗中管外換熱系數(shù)的相對不確定度為

式中：Tin為冷凍水入口溫度；d0為管的工程外徑．

對于噴淋密度Γ＝0.13,kg/(s·m)、0.17,kg/(s·m)、0.21,kg/(s·m)的管外傳熱系數(shù)相對誤差分別為4.64%～7.76%、4.29%～8.37%、5.52%～8.02%．

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 含油率對管外換熱系數(shù)的影響

圖 4(a)、(b)、(c)依次給出實驗在蒸發(fā)溫度為6,℃，噴淋密度Γ分別為 0.13,kg/(s·m)、0.17 kg/(s·m)、0.21,kg/(s·m)，熱流密度 q 在 30～65 kW/m2范圍工況下，不同噴淋密度Γ 和含油率 ω 下強化管管外換熱系數(shù) h隨管外熱流密度 q的關(guān)系曲線．從圖4中可以看出，在恒定噴淋密度Γ 和不同含油率 ω的情況下，強化管管外換熱系數(shù) h隨著熱流密度q的變化規(guī)律與純工質(zhì)的變化規(guī)律類似，如文獻[5]，即隨q的增加而增加．通過對水平管外降膜傳熱過程的分析可知，熱流密度的升高會增大管壁與制冷劑的換熱溫差，壁面溫度的提高將會使越來越小的存氣凹穴成為汽化核心，氣泡擾動變得更為劇烈，從而增加了管外換熱系數(shù)．因此隨著熱流密度 q的增加，管外換熱系數(shù)h呈上升趨勢．

圖4 不同噴淋密度下降膜蒸發(fā)管外換熱系數(shù)隨含油率的變化趨勢Fig.4 Effect of oil content on heat transfer coefficient under different sprinkle densities

另外，從圖 4可以看出，在實驗范圍內(nèi)，同一噴淋密度和熱流密度的情況下，隨著制冷劑含油率的提高，管外換熱增加．當(dāng)含油率從 0.5%增加到 5.1%，換熱系數(shù)大約分別增加了 38.9%～51.0%、33.7%～37.8%、29.6%～42.0%．造成換熱系數(shù)增大的原因可能為，制冷劑隨著含油率的增加，其混合物的黏度和表面張力增大[12]，則重力對流動的影響相對減弱，液體不易“滑落”，卻更容易潤濕管壁面．此外，發(fā)泡作用[13]有助于泡沫的產(chǎn)生和液體體積的增加，從而使液體更容易潤濕管壁面．因而，在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，隨著含油率的增加，優(yōu)化換熱得以增強．如果從增強蒸發(fā)換熱角度出發(fā)，可適當(dāng)提高制冷系統(tǒng)的含油率．

3.2 噴淋密度對管外換熱系數(shù)的影響

圖5 不同含油率下降膜蒸發(fā)管外換熱系數(shù)隨噴淋密度的變化趨勢Fig.5 Effect of sprinkle density on heat transfer coefficient under different oil contents

圖 5(a)、(b)、(c)依次給出了制冷劑含油率在0.5%、1.2%、5.1% 3種情況下，不同噴淋密度情況下管外換熱系數(shù)的變化趨勢．圖中實驗測定蒸發(fā)溫度為6,℃，熱流密度q的范圍為30～65,kW/m2．從圖5可以看出，在恒定含油率和管外熱流密度的情況下，隨著噴淋密度增大，管外換熱系數(shù)也會與純工質(zhì)具有相同的規(guī)律，參見文獻[5]，即噴淋密度增大，管外換熱系數(shù)增大．通過分析水平管管外降膜蒸發(fā)的流動和傳熱過程可知，一方面，液膜噴淋密度增加會使管外液膜厚度增加，液膜導(dǎo)熱熱阻增大，對換熱不利．另一方面，隨著液體制冷劑噴淋密度的增大，管外液膜流動速度加快，液膜內(nèi)擾動加強使液膜溫度更容易趨于一致，因而有利于強化對流傳熱．綜合噴淋密度的增加對管外換熱系數(shù)正反兩方面的作用結(jié)果來看，在本實驗中，液膜擾動的作用強于液膜厚度增加的作用．

由圖5中(c)與(a)、(b)對比可以看出，本實驗工況下，在含油率為 5.1%時，噴淋密度的變化對管外換熱系數(shù)的影響不是很明顯．產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在含油率為 5.1%時，發(fā)泡作用較強，沸騰處于核態(tài)沸騰占主導(dǎo)時，液膜的流動速度對于管外換熱系數(shù)影響不如含油率低時明顯．

4 結(jié) 論

在本文研究范圍內(nèi)，通過實驗測定3種不同含油率下的降膜蒸發(fā)強化管外換熱特性，得出以下結(jié)論.

(1) 含POE潤滑油的R134a水平管降膜蒸發(fā)換熱特性隨噴淋密度與熱流密度的變化規(guī)律基本與純工質(zhì)相同．

(2) 在一定的噴淋密度下，隨著含油率的增加，管外換熱系數(shù)增加，含油制冷劑混合物的黏度和表面張力增加，并伴隨有發(fā)泡作用，對降膜蒸發(fā)傳熱特性具有強化作用．

(3) 在 R134a含油率較高時，噴淋密度的增加對降膜蒸發(fā)性能的影響不是很明顯．在較高含油率的情況下，噴淋密度并不是降膜蒸發(fā)傳熱特性的主要因素．在制冷劑含油率較低時，降膜蒸發(fā)性能在一定的熱流密度下，隨噴淋密度的增加而增強．因此在制冷系統(tǒng)的含油率較低的情況下，提高工質(zhì)的噴淋密度有助于提高降膜蒸發(fā)的換熱性能．

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