水平微細(xì)管內(nèi)CO2流動(dòng)沸騰壓降特性

姜林林，柳建華，張良，趙越

（1上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所，上海 200093；2上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 200093）

水平微細(xì)管內(nèi)CO2流動(dòng)沸騰壓降特性

姜林林1，柳建華1，張良1，趙越2

（1上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所，上海 200093；2上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 200093）

對(duì)CO2在內(nèi)徑1.5 mm水平微細(xì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱摩擦壓降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)工況：熱通量(7.5～30 kW·m-2)、質(zhì)量流率(300～600 kg·m-2·s-1)、飽和溫度(-40～0℃)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：熱通量的增加對(duì)摩擦壓降影響很小，幾乎為零；質(zhì)量流率是影響摩擦壓降的最主要因素；隨著飽和溫度的升高摩擦壓降減小；干度對(duì)摩擦壓降影響主要由管內(nèi)流型變化導(dǎo)致。將實(shí)測(cè)摩擦壓降變化趨勢(shì)繪制于CO2流態(tài)圖中，比較發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)摩擦壓降最大值落在環(huán)狀流末端區(qū)域。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)各個(gè)工況管內(nèi)流態(tài)進(jìn)行可視化研究，理論分析所采用的流態(tài)形式與實(shí)際CO2在微細(xì)通道內(nèi)所具有的流態(tài)類型基本一致。

CO2；微細(xì)管；流動(dòng)沸騰；摩擦壓降；流態(tài)

引 言

微細(xì)通道換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、較大單位體積接觸面積與較小制冷劑充注量等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于目前廣泛使用的HFC、HCFC制冷劑而言，雖然隨著換熱器管徑的減小可以顯著提高其傳熱系數(shù)，但隨之而來的問題是換熱過程中摩擦壓降大幅上升。如果采用CO2作為制冷劑用于微細(xì)通道換熱器內(nèi)其摩擦壓降要小得多，主要由于CO2飽和溫度所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力要比傳統(tǒng)制冷劑高得多，且具有較高的蒸氣密度、較低的液體黏度與表面張力。Zhao等[1]研究表明飽和溫度10℃時(shí)，CO2在0.86 mm水力直徑矩形通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的摩擦壓降僅為R134a摩擦壓降的60%，且在不同工況下類似；Pamitran等[2]的研究數(shù)據(jù)顯示同樣在飽和溫度 10℃且相同熱通量工況下，CO2在直徑1.5 mm管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的摩擦壓降僅為R22摩擦壓降的16%；Yun等[3]測(cè)得1.53 mm矩形管內(nèi) 5℃飽和溫度時(shí)，在相同熱通量與質(zhì)量流率工況下，R134a的流動(dòng)沸騰換熱摩擦壓降是CO2的 4.5倍。流動(dòng)沸騰換熱過程導(dǎo)致的摩擦壓降會(huì)引起制冷過程中產(chǎn)生溫度滑移，由于CO2蒸發(fā)壓力較高，因此摩擦壓降變化所引起蒸發(fā)壓力變化對(duì)于飽和溫度的影響較小，對(duì)于給定摩擦壓降CO2所產(chǎn)生的溫度滑移要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)制冷劑。

綜合國內(nèi)外近年來關(guān)于CO2微細(xì)通道中流動(dòng)沸騰換熱過程中摩擦壓降特性實(shí)驗(yàn)研究：CO2流動(dòng)沸騰換熱摩擦壓降隨著熱通量和質(zhì)量流率的增加而增加，隨著飽和溫度的上升而減小，CO2具有較低的壓力損失且小于傳統(tǒng)制冷劑[4-13]。但是對(duì)于 CO2摩擦壓降定量研究在現(xiàn)有文獻(xiàn)中還沒有理想的理論預(yù)測(cè)模型或經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。針對(duì)上述現(xiàn)象，本文對(duì)CO2在低溫工況下水平微細(xì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰摩擦壓降特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合理論預(yù)測(cè)流態(tài)圖分別分析熱通量、質(zhì)量流率、飽和溫度、干度、流態(tài)對(duì)摩擦壓降的影響，通過實(shí)際觀測(cè)的流態(tài)驗(yàn)證理論流態(tài)圖可靠性，為獲得一個(gè)可靠、精確的CO2沸騰換熱過程壓降預(yù)測(cè)方法提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3部分組成：CO2循環(huán)系統(tǒng)、脈管制冷機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備配置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備配置Table 1 Main equipment of experimental system

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of test system

1.2 可視化與干度測(cè)量

為了驗(yàn)證理論預(yù)測(cè)流態(tài)圖的可靠性，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)試段進(jìn)出口位置設(shè)計(jì)了用于觀測(cè)測(cè)試段流態(tài)的可視段。在測(cè)試段流態(tài)觀測(cè)時(shí)，為了避免外界環(huán)境與可視段熱量傳遞對(duì)可視段內(nèi)流態(tài)產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將可視段置于封閉空間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過程中采用真空泵抽空該封閉空間的空氣，維持有機(jī)玻璃管外部處于真空環(huán)境，避免可視段與外界環(huán)境的熱交換。

測(cè)試段總長(zhǎng)300 mm，外徑6 mm，內(nèi)徑1.5 mm，加熱段 150 mm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)試段處采用加熱絲均勻纏繞于測(cè)試管上，對(duì)測(cè)試段所施加電功率由功率計(jì)直接測(cè)得，在加熱段前后布置引壓管測(cè)試總壓差，測(cè)試段布置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)段布置Fig.2 Experiment section layout

1.3 數(shù)據(jù)處理及不確定度

制冷劑進(jìn)入預(yù)熱器時(shí)為過冷狀態(tài)，制冷劑從過冷直至飽和時(shí)溫度由能量平衡方程得出，飽和后制冷劑溫度由飽和壓力換算而得[式(1)]。加熱段焓值的變化由加熱段中間位置計(jì)算獲得，局部干度計(jì)算見式(2)、式(3)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[14]選擇 Thome等[15]提出的空隙率關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式在Rouhani等[16]提出的漂移流模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了更新，在較大實(shí)驗(yàn)條件跨度下仍具有較高的精確度和適用性，且參數(shù)少、易于計(jì)算，如式(5)所示。

將測(cè)試段進(jìn)出口干度值代入，即可得到加速壓降，最終的摩擦壓降計(jì)算見式(6)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)所有測(cè)量數(shù)據(jù)均采用多次測(cè)量取平均值的方式獲得，為了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析獲得較高概率的置信區(qū)間，依據(jù)技術(shù)規(guī)范《JJF1059—1999 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行不確度A類評(píng)定，合成不確定度評(píng)定以及擴(kuò)展不確定度評(píng)定。依據(jù)不確定度計(jì)算公式可得摩擦壓降不確定度為 6.7%～11.3%，干度不確定度為 5.2%～9.5%，含氣率不確定度為8.6%～14.3%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱通量對(duì)壓降的影響

如圖3所示，在熱通量7.5～30 kW·m-2范圍內(nèi)進(jìn)行了摩擦壓降實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同熱通量下摩擦壓降對(duì)干度的變化趨勢(shì)是一致的，在低干度區(qū)域摩擦壓降隨著干度的增加快速增加，在高干度區(qū)域摩擦壓降的增速放緩，在高干度區(qū)域出現(xiàn)極值，隨后摩擦壓降回落，在整個(gè)干度范圍內(nèi)熱通量大小對(duì)摩擦壓降影響較弱，幾乎為零。對(duì)此解釋為：無論熱通量如何變化，在相同質(zhì)量流率相同干度相同飽和溫度下，氣液兩相相對(duì)速度沒有變化，CO2物性也沒有變化，故熱通量對(duì)摩擦壓降幾乎沒有影響。通過理論分析隨著熱通量的增加，管內(nèi)液體蒸發(fā)越發(fā)劇烈，流態(tài)也提前進(jìn)入高速的環(huán)狀流，故達(dá)到摩擦壓降極值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間會(huì)變小，這是熱通量對(duì)摩擦壓降最大影響之處。

圖3 飽和溫度-10℃、質(zhì)量流率 400 kg·m-2·s-1、不同熱通量時(shí)管內(nèi)CO2實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ翂航岛蛡鳠嵯禂?shù)Fig.3 Experimental frictional pressure drop and heat transfer coefficient for CO2 at Tsat=-10℃ with initial mass flow rate G=400 kg·m-2·s-1 at different heat flux

與CO2流動(dòng)沸騰換熱特性研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來看，摩擦壓降極值點(diǎn)一般都出現(xiàn)在環(huán)狀流區(qū)域，而傳熱系數(shù)最大值大都出現(xiàn)在環(huán)狀流向霧狀流轉(zhuǎn)變的區(qū)域[17-18]，如圖3所示，在同一工況下壓降極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的干度比傳熱系數(shù)極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的干度要小。對(duì)此解釋為：隨著干度的增加，工質(zhì)流型在逐漸發(fā)生變化，在中高干度區(qū)域大部分工質(zhì)處于環(huán)狀流流態(tài)，環(huán)狀流的形成增強(qiáng)了環(huán)形液膜與管壁面以及氣液兩相分界面的擾動(dòng)，摩擦壓降值達(dá)到最大，隨著干度繼續(xù)增大，環(huán)形液膜逐漸變薄直至蒸干，在此過程中管內(nèi)工質(zhì)開始部分干涸，此時(shí)液膜與壁面的應(yīng)力以及氣液兩相分界面的擾動(dòng)雙雙下降，因此摩擦壓降值逐漸開始下降；而對(duì)于傳熱系數(shù)而言，隨著工質(zhì)干度的增大甚至是部分干涸，中心高速氣流使得液滴夾帶現(xiàn)象增加，部分干涸區(qū)域仍然有較高的概率重新濕潤(rùn)，因此傳熱系數(shù)還有繼續(xù)上升的空間。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在同樣工況下壓降極值點(diǎn)的出現(xiàn)優(yōu)先于傳熱系數(shù)極值點(diǎn)。

2.2 質(zhì)量流率對(duì)壓降的影響

如圖4所示，對(duì)質(zhì)量流率300～600 kg·m-2·s-1范圍內(nèi)進(jìn)行了摩擦壓降實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：微細(xì)通道內(nèi)摩擦壓降隨質(zhì)量流率的增加而增大，且增幅較為明顯；隨著干度逐漸增加，質(zhì)量流率對(duì)摩擦壓降提升效果更加明顯，這與高干度區(qū)流型轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流有很大的關(guān)系；當(dāng)質(zhì)量流率較小時(shí)，摩擦壓降隨著干度的增加略微增加，質(zhì)量流率越大，摩擦壓降值隨干度變化速率越快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著質(zhì)量流率的增大，摩擦壓降最大值有左移的趨勢(shì)。對(duì)此解釋為：隨著換熱的進(jìn)行中心氣流速度加快，質(zhì)量流率增大使得流態(tài)提前向高速環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，摩擦壓降極大值提前出現(xiàn)；與此同時(shí)由于過高的流速造成液滴夾帶現(xiàn)象增加，對(duì)管壁面液膜造成了破壞，受液滴沖擊形成的干涸現(xiàn)象提前發(fā)生，摩擦壓降值下降。通過數(shù)據(jù)分析可得：在相同干度下，隨著質(zhì)量流率的增大，摩擦壓降明顯增大，其原因在于質(zhì)量流率的增加使管內(nèi)兩相平均流速的增加，摩擦壓降數(shù)值顯著增大；而同樣質(zhì)量流率情況下，隨著干度的增大，壓降的變化主要受兩相流流型轉(zhuǎn)變所帶來的影響。

圖4 飽和溫度-10℃、熱通量30 kW·m-2、不同質(zhì)量流率時(shí)管內(nèi)CO2實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ翂航礔ig.4 Experimental frictional pressure drop for CO2 at Tsat=-10℃ with initial heat flux q=30 kW·m-2 at different mass flow rate

對(duì)于兩相流而言，氣相和液相各自的速度是影響摩擦壓降的另一個(gè)重要因素。氣相與液相速度分別由式(7)、式(8)計(jì)算獲得。

則兩相相對(duì)速度由式(9)計(jì)算獲得

如圖5所示，CO2兩相相對(duì)速度隨著質(zhì)量流率增大而增大，且增幅隨著干度增大而增大。兩相相對(duì)速度與摩擦壓降梯度的關(guān)系與質(zhì)量流率的趨勢(shì)是一致的，因此可以判斷質(zhì)量流率和干度對(duì)摩擦壓降的影響還體現(xiàn)在氣液兩相相對(duì)速度的改變，相對(duì)速度的改變使得兩相流壓降中重要的組成部分-兩相流氣液分界面摩擦壓降改變，最終導(dǎo)致摩擦壓降值的變化。

圖5 飽和溫度-10℃、熱通量30 kW·m-2、不同質(zhì)量流率時(shí)管內(nèi)CO2實(shí)驗(yàn)兩相相對(duì)速度Fig.5 Experimental gas-liquid phase relative speed for CO2 at Tsat=-10℃ with initial heat flux q=30 kW·m-2 at different mass flow rate

結(jié)合CO2流動(dòng)沸騰換熱特性研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，質(zhì)量流率對(duì)傳熱系數(shù)的影響不大，但質(zhì)量流率的增加導(dǎo)致干涸出現(xiàn)干度有所降低，減小高效換熱區(qū)域，影響整體平均傳熱系數(shù)[19-20]?；谏鲜隼碚撗芯酷槍?duì)CO2微細(xì)通道換熱器設(shè)計(jì)適用于低質(zhì)量流率運(yùn)行工況且能維持較高的傳熱系數(shù)，降低壓降損失，有利于換熱器均勻補(bǔ)液。

2.3 飽和溫度對(duì)壓降的影響

如圖6所示，對(duì)飽和溫度-40～0℃范圍內(nèi)進(jìn)行了摩擦壓降實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：飽和溫度對(duì)CO2摩擦壓降特性具有顯著的影響，隨著飽和溫度的升高摩擦壓降變小，且較高飽和溫度下摩擦壓降隨干度上升的斜率明顯低于低飽和溫度下上升的斜率。對(duì)此解釋為：飽和溫度的變化改變了CO2熱物性，隨著飽和溫度的上升，一方面氣相密度升高，使得兩相流內(nèi)氣液相流速和平均流速雙雙下降，最終導(dǎo)致摩擦壓降下降，另一方面飽和壓力的上升使得液體黏度降低、在中干度區(qū)域強(qiáng)烈的核態(tài)沸騰使管內(nèi)壁面液膜變薄更易破裂，流體表面張力作用減弱，使得流體與壁面之間的摩擦壓降減小，故總摩擦壓降減小。

圖6 熱通量 30 kW·m-2、質(zhì)量流率 300 kg·m-2·s-1、不同飽和溫度時(shí)管內(nèi)CO2實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ翂航堤荻菷ig.6 Experimental frictional pressure drop for CO2 at G=300 kg·m-2·s-1 with initial heat flux q=30 kW·m-2 at different saturation temperature

2.4 干度對(duì)壓降的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CO2水平微細(xì)通道內(nèi)流通沸騰摩擦壓降隨干度變化趨勢(shì)基本一致，在中低干度區(qū)域摩擦壓降梯度隨著干度增大而增大，在高干度區(qū)域增速放緩，摩擦壓降在某個(gè)干度存在極值，越過極值后摩擦壓降隨干度增大而緩慢減?。荒Σ翂航翟谫|(zhì)量流率較高的條件下增速較快，在對(duì)于低質(zhì)量流率工況下，當(dāng)干度增大時(shí)，摩擦壓降的增大速度趨于平緩；在飽和壓力較低的條件下摩擦壓降隨著干度呈正相關(guān)增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到極大值后摩擦壓降出現(xiàn)明顯下降，高壓力條件下摩擦壓降梯度增長(zhǎng)平緩。究其原因主要是管內(nèi)流型的改變引起的，在核態(tài)沸騰開始階段，管內(nèi)流型大多為塞狀流，在管內(nèi)壁面不斷生成的氣泡擾動(dòng)下，兩相流動(dòng)摩擦壓降顯著增加；此外隨著內(nèi)部液態(tài)工質(zhì)不斷蒸發(fā)，生成的氣泡聚合作用使得對(duì)液膜的擠壓作用力增大，易形成較為穩(wěn)定的環(huán)狀流，促使摩擦壓降增加，直至部分干涸現(xiàn)象開始出現(xiàn)，引起摩擦壓降增大的擾動(dòng)作用達(dá)到最大，此后管內(nèi)壁面生成的氣泡擾動(dòng)作用有限，壓降趨于平穩(wěn)。當(dāng)流型由環(huán)狀流向霧狀流轉(zhuǎn)變時(shí)，氣相變成連續(xù)相，液態(tài)CO2以滴狀的形式彌散在中心高速氣流中，此時(shí)流體與壁面的摩擦阻力相對(duì)于環(huán)狀流時(shí)會(huì)有所下降。

3 流態(tài)圖對(duì)比驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摩擦壓降值的變化與管內(nèi)流態(tài)具有密不可分的聯(lián)系。圖7所示為實(shí)驗(yàn)中觀察到穩(wěn)態(tài)條件下氣液兩相流流型匯總，分別為泡狀流（bubbly flow）、塞狀流（slug flow）、間歇流（intermittent flow）、層流（stratified-wavy flow）、波狀流（wavy flow）、環(huán)狀流（annular flow）、霧狀流（mist flow）共7種流型。通過對(duì)同一工況不同干度下流態(tài)的分析，推演出流態(tài)發(fā)展過程：流體受熱在管壁面生成氣泡，隨著氣泡逐漸生長(zhǎng)脫離壁面形成一個(gè)個(gè)直徑小于管截面的圓形或細(xì)長(zhǎng)形氣泡懸浮于管內(nèi)，形成泡狀流，氣泡的形狀隨質(zhì)量流率與熱通量而變化。隨著換熱持續(xù)進(jìn)行，氣泡生成速度加快，大量的氣泡聚并在一起氣泡直徑充滿管內(nèi)徑，形成間歇流或塞狀流，當(dāng)換熱使大量液體氣化導(dǎo)致管內(nèi)流速迅速增加時(shí)管內(nèi)流態(tài)演變?yōu)橹虚g具有快速流動(dòng)的蒸汽核心，管壁附著一層薄液膜，液膜與蒸汽界面表現(xiàn)為波狀，形成波狀流。在這其中分層流出現(xiàn)過，由于換熱過程極快，所以出現(xiàn)時(shí)間極為短暫。隨著干度繼續(xù)增大管內(nèi)中心氣流速度繼續(xù)加快，液體被擠壓到管內(nèi)壁兩側(cè)形成環(huán)狀流。環(huán)狀流過程中蒸汽流流動(dòng)時(shí)夾帶著不規(guī)則的液滴，同時(shí)薄液膜與管壁間的核態(tài)沸騰受到抑制，當(dāng)管壁液膜隨換熱過程由薄變干直至消失后整個(gè)換熱流態(tài)進(jìn)入霧狀流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明理論分析所采用的流態(tài)形式與實(shí)際 CO2在微細(xì)通道內(nèi)所具有的流態(tài)類型基本一致。

圖7 管內(nèi)CO2流動(dòng)沸騰換熱流態(tài)Fig.7 Flow pattern of CO2 during flow boiling heat transfer

研究流態(tài)圖的目的就是揭示熱通量、質(zhì)量流率、飽和溫度等參數(shù)對(duì)流態(tài)的影響，用于解釋換熱特性和壓降特性變化趨勢(shì)。Cheng等[21-22]通過對(duì)流態(tài)的研究獲得了CO2流態(tài)預(yù)測(cè)模型，該流態(tài)圖反映了隨流體干度和質(zhì)量流率變化所對(duì)應(yīng)的流態(tài)轉(zhuǎn)變曲線，具有重要的實(shí)際意義，通過確定CO2流動(dòng)沸騰換熱過程中不同質(zhì)量流率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變干度即可獲得其流態(tài)圖。圖8～圖11為不同換熱工況下實(shí)測(cè)摩擦壓降與對(duì)應(yīng)理論預(yù)測(cè)流態(tài)，圖中流態(tài)轉(zhuǎn)變曲線為泡狀流-間歇流轉(zhuǎn)變曲線(G bubble)、波狀流-環(huán)狀流轉(zhuǎn)變曲線(G wavy)、層流-波狀流轉(zhuǎn)變曲線(G strat)、間歇流-環(huán)狀流轉(zhuǎn)變曲線(X IA)、環(huán)狀流-干涸轉(zhuǎn)變曲線(G dryout)、干涸-霧狀流轉(zhuǎn)變曲線(G mist)。

圖8 飽和溫度-10℃、質(zhì)量流率400 kg·m-2·s-1、熱通量7.5 kW·m-2時(shí)CO2實(shí)測(cè)摩擦壓降梯度與對(duì)應(yīng)流態(tài)Fig.8 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-10℃，G=400 kg·m-2·s-1，q=7.5 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

從理論流型圖與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比可以看出，熱通量對(duì)干涸區(qū)和霧狀區(qū)有決定性作用，熱通量越大，代表環(huán)狀流區(qū)域的面積越小，包括橫掠干度和縱掠質(zhì)量流率都對(duì)應(yīng)減小。通常來說隨著熱通量逐漸增大，干涸區(qū)的起始干度減小，但干涸區(qū)和霧狀區(qū)的干度跨度增大，這嚴(yán)重影響CO2流動(dòng)沸騰換熱特性。雖然熱通量對(duì)高干度區(qū)域的流型轉(zhuǎn)變影響重大，但是熱通量對(duì)摩擦壓降影響較小，摩擦壓降值不會(huì)發(fā)生突變，且間歇流、環(huán)狀流對(duì)摩擦壓降變化趨勢(shì)起最主要影響。實(shí)驗(yàn)中不同質(zhì)量流率對(duì)流型影響非常大，直接影響管內(nèi)摩擦壓降。隨著質(zhì)量流率增大干涸干度明顯減小，不同質(zhì)量流率直接決定了其換熱過程中所經(jīng)歷的流態(tài)。在低干度區(qū)域大多出現(xiàn)間歇流，此時(shí)摩擦壓降絕對(duì)值和壓降波動(dòng)都相對(duì)較小，摩擦壓降小幅度上升；隨著干度增大流型向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，過度階段壓降發(fā)生一定的波動(dòng)，出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，絕大多數(shù)壓降最大值都落在環(huán)狀流末端區(qū)域。對(duì)此解釋為：環(huán)狀流流型時(shí)氣液兩相相對(duì)流速差值非常大，氣液兩相之間的摩擦壓降值很大，工質(zhì)與壁面之間摩擦壓降值也一直上升，這樣無論是工質(zhì)與壁面之間的作用力還是工質(zhì)氣液兩相之間作用力都達(dá)到最大；在高干度區(qū)域管內(nèi)壁面附著的液膜越來越薄，中心氣流速度加快，液滴夾帶現(xiàn)象增強(qiáng)，管道上部開始出現(xiàn)部分干涸現(xiàn)象，此時(shí)摩擦壓降雖無大幅度波動(dòng)，但絕對(duì)值已開始下降；隨著干度繼續(xù)上升，摩擦壓降一直減小。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流型從環(huán)狀流向霧狀流轉(zhuǎn)變過程中，并沒有明顯的壓降突變。這說明即使環(huán)狀流液膜變薄并發(fā)生干涸，壓降也不會(huì)有大的波動(dòng)。飽和溫度對(duì)流型轉(zhuǎn)變有重要影響，隨著飽和溫度的降低，代表干涸區(qū)域的面積越小，包括橫掠干度和縱掠質(zhì)量流率都相應(yīng)減小。這主要是因?yàn)殡S著飽和溫度的降低，液氣密度比、表面張力、液體黏度、液體熱導(dǎo)率增大，使得管內(nèi)氣流速度加快，液相流體能夠更好地附著在管內(nèi)壁面形成環(huán)狀流，在高熱通量該質(zhì)量流率工況下，管內(nèi)液滴夾帶現(xiàn)象比較明顯，管內(nèi)流態(tài)直接由環(huán)狀流轉(zhuǎn)向霧狀流。

圖9 飽和溫度-10℃、質(zhì)量流率400 kg·m-2·s-1、熱通量30 kW·m-2時(shí)CO2實(shí)測(cè)摩擦壓降梯度與對(duì)應(yīng)流態(tài)Fig.9 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-10℃，G=400 kg·m-2·s-1，q=30 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

圖10 飽和溫度-10℃、質(zhì)量流率600 kg·m-2·s-1、熱通量30 kW·m-2時(shí)CO2實(shí)測(cè)摩擦壓降梯度與對(duì)應(yīng)流態(tài)Fig.10 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-10℃，G=600 kg·m-2·s-1，q=30 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

圖11 飽和溫度-35℃、質(zhì)量流率300 kg·m-2·s-1、熱通量30 kW·m-2時(shí)CO2實(shí)測(cè)摩擦壓降梯度與對(duì)應(yīng)流態(tài)Fig.11 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-35℃，G=300 kg·m-2·s-1，q=30 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

通常情況下摩擦壓降隨著氣體和液體流速增加而增加。在相同的氣速下，表觀液速越大，流體與管壁的相對(duì)速度也越大，摩擦壓力降也就越大；而液相流速相當(dāng)時(shí)氣速越高，液層越容易被排擠到兩側(cè)，與管壁接觸更加密切，液層與管壁的作用力也更強(qiáng)烈，從而摩擦壓力降隨氣速增大而增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在間歇流、環(huán)狀流、干涸區(qū)、霧狀流流態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)摩擦壓降變化較為平緩，沒有發(fā)生突變，尤其是在干涸區(qū)和霧狀流區(qū)域，雖然干涸區(qū)的摩擦壓降值開始降低，但變化平緩，并沒有像傳熱系數(shù)一樣有突降[23-24]。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)CO2在水平微細(xì)通道管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別分析熱通量、質(zhì)量流率、飽和溫度、干度對(duì)壓降特性和流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論流態(tài)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論。

（1）熱通量對(duì)摩擦壓降影響很小，幾乎為零，隨著熱通量的增加，達(dá)到摩擦壓降最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間會(huì)變短；質(zhì)量流率是影響摩擦壓降最主要的因素，摩擦壓降隨質(zhì)量流率增加大幅增加，與此同時(shí)摩擦壓降最大值所對(duì)應(yīng)的干度值減??；CO2不同飽和溫度物性的改變是造成其不同溫度時(shí)壓降特性差異的主要原因，隨著飽和溫度的升高，摩擦壓降變小；摩擦壓降在低干度區(qū)域隨干度增速較快，在高干度區(qū)域增速放緩，在某個(gè)干度值存在極值，越過極值后摩擦壓降緩慢下降。

（2）通過理論計(jì)算CO2微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰流態(tài)圖，分析得熱通量對(duì)高干度區(qū)域流態(tài)轉(zhuǎn)變有顯著影響，熱通量越高，代表環(huán)狀流與干涸區(qū)面積越??；質(zhì)量流率大小直接決定了換熱過程所經(jīng)歷的流態(tài),飽和溫度對(duì)流型轉(zhuǎn)變有重要影響，主要是由于不同飽和溫度對(duì)應(yīng)的熱物性不同，改變了流型轉(zhuǎn)變特性。

（3）實(shí)驗(yàn)拍攝到不同工況不同干度下CO2微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過程中流態(tài)，并與理論計(jì)算流態(tài)圖進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示觀測(cè)到的流態(tài)與理論預(yù)測(cè)流態(tài)較為吻合，理論模型預(yù)測(cè)摩擦壓降最大值大都落在環(huán)狀流末端區(qū)域。

符 號(hào) 說 明

cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1

D——水力直徑，m

G——質(zhì)量流率，kg·m-2·s-1

h——焓，kJ·kg-1

k——熱導(dǎo)率，W·m-2·K-1

L——加熱段長(zhǎng)度，m

M——摩爾質(zhì)量，kg·kmol-1

m——質(zhì)量流量，kg·s-1

q——熱通量，W·m-2

x——干度

α——空隙率

δ——液膜厚度，m

ρ——密度，kg·m-3

下角標(biāo)

in——進(jìn)口

l——液體

out——出口

pre——預(yù)熱

r——制冷劑

sul——過冷

tp——兩相

v——?dú)怏w

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date:2017-05-15.

Prof.LIU Jianhua,lwnlwn_liu@163.com

supported by the Capacity Building Plan for Some Non-military Universities and Colleges of Shanghai Scientific Committee(16060502600).

Flow boiling pressure drop characteristics of CO2in horizontal micro tube

JIANG Linlin1,LIU Jianhua1,ZHANG Liang1,ZHAO Yue2
(1Institute of Refrigeration Technology,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai200093,China;2Shanghai Institute of Metrology and Measurement Technology,Shanghai200093,China)

The study on flow boiling frictional pressure drop characteristics of CO2in horizontal micro tube which internal diameter is 1.5mm was made.Experimental conditions：heat flux(7.5—30 kW·m-2),mass flow rate(300—600 kg·m-2·s-1),and saturation temperature(-40～0℃).Experimental results show：The increase of heat flux makes little effect on frictional pressure drop,almost zero; mass flow rate is the main factor that affects frictional pressure drop; the frictional pressure drop decreases as the saturation temperature increases; the effect of vapor quality on the frictional pressure drop is mainly caused by the change of the flow pattern in the tube.The trend of the experimental measured frictional pressure drop is plotted in CO2flow regime chart and it is found that the theoretical prediction of the maximum value of the frictional pressure drop falls in the end of the annular flow region.Making visible study on flow regime change in each working condition during the experiment process and the theoretical pattern is consistent with the flow pattern of the actual CO2in the micro tube in general.

carbon dioxide; micro tube; flow boiling; frictional pressure drop; flow regime

TK 121; TB 61+2

A

0438—1157（2017）12—4576—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20170613

2017-05-15收到初稿，2017-09-19收到修改稿。

聯(lián)系人：柳建華。

姜林林（1990—），男，博士研究生。

上海市部分地方院校能力建設(shè)專項(xiàng)計(jì)劃（16060502600）。