R32在水平光管/微肋管內(nèi)流動沸騰換熱特性實驗研究

仇富強 吳 立

(1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，安徽 銅陵 244061)

根據(jù)《蒙特利爾議定書》與《京都協(xié)議書》，從2020年始R22將在全球市場被逐漸淘汰，環(huán)保替代性制冷劑的研發(fā)已迫在眉睫。R32(CH2F2)由于其較小的GWP值和0 ODP值，是一種較為理想的環(huán)保替代制冷劑。此外，相對于R22，R32泄漏時相對CO2排放量為405，減排比達77.6%[1]，因此對R32替代R22的可行性進行換熱研究，對加速R32換熱設(shè)備的研發(fā)進程至關(guān)重要。

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對R32進行了大量理論及實驗研究。李炅等[2]討論分析了R32在管內(nèi)的流動換熱特性和適用關(guān)聯(lián)式，指出了R32管內(nèi)流動傳熱的不足，為今后的研究指明了方向，可為R32換熱器設(shè)計提供指導(dǎo)。劉納等[3]采用VOF模型模擬研究了R32在1 mm內(nèi)徑水平圓管內(nèi)的凝結(jié)換熱特性，分析了管子長度對工質(zhì)干度、液膜厚度、軸向速度等變量的影響，并與實驗值進行了對比，結(jié)果表明，模擬值與實驗值相比要小，但在實驗誤差允許范圍內(nèi)。李敏霞等[4]實驗研究了在蒸發(fā)溫度15℃、流量密度100 kg/(m2·s)、熱流密度6～24 kW/m2工況下，R32在2 mm水平光滑不銹鋼管內(nèi)的流動沸騰換熱特性，并與R134a和HF01234yf進行了比較，同時也對現(xiàn)有用于對R32和HF01234yf的換熱系數(shù)進行預(yù)測的公式進行了研究。結(jié)果表明，R32的傳熱系數(shù)為HF01234yf的1～2倍，所用預(yù)測公式需進一步改進。秦妍等[5]針對R32替代R410A用于制冷系統(tǒng)時排氣溫度過高的問題，提出采用補氣法降低排氣溫度，并對幾種工況下補氣對系統(tǒng)排氣溫度、換熱量、COP的影響進行了實驗研究。研究表明：采用補氣方法排氣溫度可得到有效降低，且在一定程度上換熱量和COP有所增加。R32是一種具有潛力的替代制冷劑，采用補氣系統(tǒng)，將打破排氣溫度過高對其應(yīng)用的限制。而張新玉等[6]試驗研究了-2℃到-15℃蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，R32用于帶經(jīng)濟器的中間補氣壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)時的性能。研究表明，隨著補氣壓力的升高，系統(tǒng)相對補氣量、制熱量和耗功均增大，蒸發(fā)溫度低于-6℃時，系統(tǒng)制熱性能優(yōu)勢明顯。

相比于國內(nèi)學(xué)者，國外學(xué)者對R32的換熱研究更加充分。Kondou等[7]進行了R32/R1234ze(E)用于微肋管時的蒸發(fā)冷凝試驗研究。Jige等[8]就測試管管徑對R32沸騰換熱特性的影響進行了分析。Rossato等[9]研究了R32在板式換熱器內(nèi)的沸騰換熱特性。Zhu等[10]研究了R32在水平微通道內(nèi)的兩相流換熱流型。

為進一步擴展R32的適用范圍，本文在一小型管內(nèi)沸騰換熱實驗臺上，對R32管內(nèi)流動沸騰換熱進行試驗研究。試驗選用1根光管和1根微肋管為研究對象，研究飽和溫度、質(zhì)量流量、熱流密度、干度四個變量對微肋管內(nèi)換熱特性的影響。并通過試驗比較微肋管與光管的換熱系數(shù)，分析不同變量條件下微肋管肋片結(jié)構(gòu)對換熱特性的影響。

2 實驗裝置

本研究所用試驗裝置主要包括三個循環(huán)系統(tǒng)(測試工質(zhì)系統(tǒng)、熱水加熱系統(tǒng)和冷水機組系統(tǒng))和一套測試系統(tǒng)，以R32為工質(zhì)。裝置原理圖見圖1。

圖1 實驗臺原理

測試工質(zhì)系統(tǒng)主要由隔膜泵、質(zhì)量流量計、電加熱器、試驗測試段、冷凝器和過冷器等部件組成。試驗開始前，隔膜泵將過冷R32液體經(jīng)質(zhì)量流量計供給電加熱器，并在加熱器內(nèi)通過改變其電壓、電流大小調(diào)節(jié)制冷劑的加熱量，以使其滿足設(shè)定狀態(tài)。在試驗測試段，R32與加熱水循環(huán)換熱進行沸騰實驗，通過調(diào)節(jié)加熱水的循環(huán)流量及進口溫度來調(diào)節(jié)試驗段的換熱量。完成沸騰實驗的R32進入冷凝器，與經(jīng)冷水機組處理的低溫載冷劑換熱進行冷卻，并在過冷器中再次與低溫冷源換熱進一步過冷。

測試工質(zhì)系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)的動力源由MS1C1系列隔膜泵(精度為5%)代替壓縮機提供；制冷劑循環(huán)流量大小由質(zhì)量流量計進行測量，精度為±0.1%；制冷劑溫度由PT100鉑電阻測量，測量精度為0.1℃；制冷劑壓力由德魯克壓力變送器測量，型號為GE5072，量程為0～42bar，精度為0.2級。在電加熱器前、冷凝器后及過冷器后，制冷劑均保持液體狀態(tài)，故可根據(jù)所測溫度、壓力值直接計算得出相應(yīng)的制冷劑焓值。測試段進出口均為兩相態(tài)時，所測溫度即為制冷劑飽和溫度，測試段進出口壓力差即為制冷劑流動壓差。實驗各測量點均與PLC相連，試驗過程中，溫度、壓力、流量等信號由PLC通過RS232串口傳到上位機組態(tài)軟件中，并通過上位機內(nèi)自帶的計算程序?qū)υ囼灁?shù)據(jù)進行處理，所有試驗工況均可在控制界面上顯示。相應(yīng)度試驗工況，上位機再通過RS232串口把調(diào)整的控制信號發(fā)送到PLC中，PLC接收到上位機的信號后對試驗臺進行自動控制。

試驗測試段為一套管式蒸發(fā)器，測試管內(nèi)為制冷劑，測試管外環(huán)形通道內(nèi)為熱水，兩者呈逆向流，具體如圖2所示。為測量測試管壁溫，試驗時在測試管同一截面的上下左右四個方位分別布置一熱電偶，在測試管外表面均勻設(shè)計0.2 mm的凹陷坑，熱電偶探頭置于凹陷坑內(nèi)，如圖3（a）所示，并由保溫材料覆蓋，用于減小測量誤差。試驗時所測管壁溫度取四個熱電偶所測溫度的平均值。試驗用測試管為一條光管（內(nèi)徑為1.7 mm）和一條微肋管（內(nèi)徑為1.7 mm，齒高為0.16 mm，螺旋角為0o，齒數(shù)為13），其截面形狀見圖3（b）。

圖2 測試段示意

圖3 測試管a）熱電偶分布；b）測試管截面

3 數(shù)據(jù)處理

測試段換熱量計算由式（1）計算：

式中，mw為熱水質(zhì)量流量，kg/h;C p為熱水定壓比熱，4.186 kJ/（kg·℃）；T w,in和T w,out分別為試驗段進出口水溫，℃。

制冷劑在測試段進口處干度由公式（2）計算：

式中，i in為測試段進口處制冷劑焓值，kJ/kg；i l為飽和溫度下飽和制冷劑液體焓值，kJ/kg；i fg為飽和溫度下制冷劑潛熱，kJ/kg；Q j為電加熱器內(nèi)加熱量，kJ；mr為質(zhì)量流量，kg/(m2·s);i ji為電加熱器前制冷劑進口焓值，kJ/kg。

測試段出口處制冷劑焓值由公式（4）計算：

試驗中制冷劑換熱干度值取其在測試段進出口處的平均值，即：

根據(jù)參數(shù)測量點，管內(nèi)換熱系數(shù)取局部平均值[11]，即：

式中，A o為測試管外表面積，m2；T w為管壁溫，℃；T s為沸騰飽和溫度，℃。

4 數(shù)據(jù)分析

本部分內(nèi)容主要研究試驗變量及強化管結(jié)構(gòu)參數(shù)對R32的沸騰換熱特性的影響。具體試驗變量設(shè)定為：0.1～0.9的干度值，10℃、15℃與20℃的飽和溫度，100 kg/(m2·s)～600 kg/(m2·s)的質(zhì)量流量，10 kW/m2、20 kW/m2、30 kW/m2及40 kW/m2的熱流密度。此外，在特定飽和溫度、熱流密度，不同質(zhì)量流量的工況下，試驗對微肋管內(nèi)換熱系數(shù)與光滑管內(nèi)換熱系數(shù)進行了對比，以明確試驗變量對微肋管強化效果的影響。

此外，為確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性，試驗開始前，首先進行R32在內(nèi)徑8 mm光管的單相換熱試驗，將Nu試驗值與采用Gnielinski公式[12]計算出的Nu理論值進行對比。結(jié)果顯示：Nu試驗值與理論值二者間誤差在5%以內(nèi)，足以表明試驗臺測試數(shù)據(jù)的可靠性。Gnielinski公式如（7）所示：

式中：λw為換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；D h為換熱管水力直徑，m；R e為載冷劑雷諾數(shù)；P r為載冷劑普朗特數(shù)；f為載冷劑摩擦系數(shù)。

4.1 試驗工況

圖4所示為不同飽和溫度下，R32在微肋管內(nèi)換熱系數(shù)隨干度的變化關(guān)系。由圖4可看出，三種不同飽和溫度下，其換熱系數(shù)均是隨著干度的增加先增加后減小的，且飽和溫度越高，換熱系數(shù)越大。在20℃飽和溫度下，當(dāng)干度值小于0.4時，換熱系數(shù)隨著干度值的增大而增加，但當(dāng)干度值大于0.4時，換熱系數(shù)隨著干度值的增大而減??；而在10℃、15℃兩個飽和溫度下，換熱系數(shù)隨干度的變化趨勢臨界干度點分別為：0.6、0.5，即飽和溫度越高，臨界干度點越小。

這可解釋為：飽和溫度的升高能夠增加管內(nèi)活化核心點，進而強化換熱。同時，飽和溫度的升高也可引起R32氣液密度比的增加，進而抑制氣泡的產(chǎn)生、減弱換熱效果。所以，換熱系數(shù)在不同溫度下表現(xiàn)出的不同效果實是強化效果與抑制作用的綜合效果的體現(xiàn)。

圖4三種飽和溫度下?lián)Q熱系數(shù)隨干度變化

圖5 所示為飽和溫度為15℃、質(zhì)量流量為200 kg/(m2·s)時，三種熱流密度下微肋管內(nèi)R32換熱系數(shù)隨干度值的變化。由圖5可看出，三種熱流密度下微肋管內(nèi)R32換熱系數(shù)均是隨著干度值的增加先增大后減小的。干度值小于0.3時，熱流密度越大換熱系數(shù)就越大；干度值大于0.55時，換熱系數(shù)隨干度的增加而陡降，但熱流密度對換熱系數(shù)的影響并不大。熱流密度分別為20 kW/m2、30 kW/m2、40 kW/m2時，換熱系數(shù)隨干度變化臨界點分別為0.3、0.5、0.6，即熱流密度越大，其臨界點也就越大。這是因為，熱流密度的增加雖能增加氣泡產(chǎn)生的活化核心，但較大的熱流密度同樣更易導(dǎo)致氣泡破裂，因此，在兩者的綜合作用下，臨界干度點隨著熱流密度的增加而增加。

圖5三種熱流密度下?lián)Q熱系數(shù)隨干度變化

圖6 為飽和溫度為15℃、熱流密度為10 kW/m2時，200 kg/(m2·s)、400 kg/(m2·s)、600 kg/(m2·s)三種質(zhì)量流量下R32在微肋管內(nèi)換熱系數(shù)隨干度的變化。由圖6可看出，三種質(zhì)量流量下R32在微肋管內(nèi)換熱系數(shù)均是隨著干度值的增先增加后減小的。熱流密度越大，換熱系數(shù)值也就越大。干度值小于0.2時，換熱系數(shù)受質(zhì)量流量影響不明顯，此時管內(nèi)主要換熱機制為核態(tài)沸騰換熱；隨著干度值的增加，換熱機制逐漸由核態(tài)沸騰換熱變?yōu)閺娭茖α鲹Q熱，因此當(dāng)干度值在0.2～0.4之間時，換熱系數(shù)與干度值成正比；而當(dāng)干度值大于0.4時，換熱系數(shù)大小與干度值成反比，此時管內(nèi)膜狀沸騰換熱逐漸消失，強制對流換熱逐漸減弱。

圖6 三種質(zhì)量流量下?lián)Q熱系數(shù)隨干度變化

此外，當(dāng)質(zhì)量流量增加時，R32干度值臨界點逐漸變小。質(zhì)量流量分別為200 kg/(m2·s)、400 kg/(m2·s)、600 kg/(m2·s)時，其干度值臨界點分別為0.4、0.5、0.7。這可解釋為：當(dāng)干度值低于0.2時，管內(nèi)核態(tài)沸騰占主導(dǎo)地位，質(zhì)量流量對換熱系數(shù)大小影響不明顯；而干度值在0.2～0.4之間時，其受質(zhì)量流量影響逐漸變大，此時強制對流換熱逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，核態(tài)沸騰地位削弱，換熱系數(shù)值大小受質(zhì)量流量影響較大；而干度值大于0.45時，出現(xiàn)沸騰干涸現(xiàn)象，液膜變得易破裂，此時隨著質(zhì)量流量的增加，干度臨界點變小，換熱系數(shù)受質(zhì)量流量影響再次變小，最終三種質(zhì)量流量下，其換熱系數(shù)大小無明顯差別。

綜上所述，飽和溫度、熱流密度、工質(zhì)干度、質(zhì)量流量等實驗變量對管內(nèi)換熱特性的影響，其本質(zhì)是不同換熱機制在管內(nèi)換熱特性的體現(xiàn)，其中質(zhì)量流量、干度對強制對流換熱影響較大，而飽和溫度、熱流密度對核態(tài)沸騰換熱影響較大。

4.2 管型尺寸

由于質(zhì)量流量、干度對管內(nèi)換熱機制的影響比重較大，因此在對管型結(jié)構(gòu)對管內(nèi)換熱特性進行分析時，主要以質(zhì)量流量、干度為研究變量。圖7所示為飽和溫度為15℃、熱流密度為10 kW/m2時，相同質(zhì)量流量下，R32在微肋管和光管內(nèi)換熱系數(shù)的對比分析。

圖7 不同質(zhì)量流量下微肋管換熱系數(shù)強化比隨干度變化

由圖7（a）可看出，在質(zhì)量流量為100 kg/(m2·s)的工況下，當(dāng)干度值小于0.8時，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)大約是光管的2倍，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)幾乎不受干度影響，而光管換熱系數(shù)隨干度值的增大非線性減?。划?dāng)干度值大于0.8時，隨著干度值的增大微肋管內(nèi)換熱系數(shù)是減小的，此時管內(nèi)換熱液膜逐漸消失，管內(nèi)換熱接近干涸，換熱效果變差。

由圖7（b）可看出，在質(zhì)量流量為200kg/(m2·s)的工況下，當(dāng)干度值小于0.69時，微肋管的換熱系數(shù)大約為光管的1.8倍，整個換熱過程中，兩種換熱器換熱系數(shù)隨著干度值的變大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。即對于光管而言，當(dāng)干度值小于0.7時其換熱系數(shù)緩慢增加，當(dāng)干度值大于0.7時明顯減小；而對于微肋管，當(dāng)干度值小于0.4時，其換熱系數(shù)增加，當(dāng)干度值大于0.4時，其換熱系數(shù)減小。管內(nèi)換熱特性受干度影響較明顯，即說明在實驗測試范圍內(nèi)，強制對流換熱在管內(nèi)換熱機制中占據(jù)主導(dǎo)。

由圖7（c）（d）可看出，當(dāng)質(zhì)量流量分別為300 kg/(m2·s)、400 kg/(m2·s)時，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)約為光滑管的1.7～1.8倍，對應(yīng)干度值分別小于0.6、0.4。對于光滑管，質(zhì)量流量為300 kg/(m2·s)時，光滑管內(nèi)換熱系數(shù)隨著干度值的增加，其增加幅度較小。而當(dāng)干度值大于0.8時，其值急劇下降；當(dāng)質(zhì)量流量為400 kg/(m2·s)時，干度值為0.7左右時，微肋管內(nèi)換熱系和光管換熱系數(shù)相等。對于微肋管，質(zhì)量流量為300 kg/m2s、400 kg/(m2·s)時，隨著干度值的增加，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)均先增加后減小，且干度臨界點均在0.5左右。

5 結(jié)論

本文選用光管和微肋管（內(nèi)徑為1.7 mm）為研究對象，以R32為工質(zhì)，在一小型管內(nèi)沸騰換熱實驗臺上進行了管內(nèi)流動沸騰換熱試驗，用于研究飽和溫度、熱流密度、質(zhì)量流量、干度等變量對管內(nèi)換熱系數(shù)的影響，并對微肋管的強化效果進行了分析，得到主要結(jié)論如下：

1）隨著干度的增加，R32在微肋管內(nèi)換熱系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，但變化趨勢受飽和溫度、熱流密度、質(zhì)量流量等變量的影響較大，即不同工況下?lián)Q熱系數(shù)變化趨轉(zhuǎn)折點也將發(fā)生改變。

2）不同質(zhì)量流量工況下，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)均大于光管內(nèi)換熱系數(shù)，且隨著干度值的增加，其變化趨勢不同：質(zhì)量流量為100 kg/(m2·s)時，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)約是光管的2倍，且當(dāng)干度小于0.8時，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)受干度影響較小，而光管內(nèi)換熱系數(shù)隨干度的增大而減??；質(zhì)量流量為200 kg/(m2·s)時，微肋管內(nèi)換熱系數(shù)約為光管的1.8倍，且管內(nèi)換熱系數(shù)隨著干度的變大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；當(dāng)質(zhì)量流量分別為300 kg/(m2·s)、400 kg/(m2·s)時，光管內(nèi)換熱系數(shù)受干度影響較小，而微肋管內(nèi)換熱系數(shù)隨干度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。