李敏霞 楊英英 顧昊翔 馬一太

(天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室 熱能工程系 天津 300072)

低溫室氣體效應(yīng)制冷工質(zhì)的使用是目前制冷領(lǐng)域面臨的重要問題，四氟丙烯R1234ze和R1234yf作為替代品已經(jīng)脫穎而出。參照ASHRAE 34 標準[1]，見表1，R1234ze的ODP值為0，GWP僅為6，遠低于R32和R134a，并且為低毒不可燃物質(zhì)，與潤滑油有良好的互溶性，與大多數(shù)材料具有良好的相容性[2-3]。汪訓昌[4]對比分析了Honeywell公司和日本學者在2009 年公開發(fā)表的R1234ze熱物性實驗測試結(jié)果，從熱物性方面證明了R1234ze這種不飽和氟化丙烯在替代高GWP 值的HFC 上具有良好的前景。另一方面，科學技術(shù)的發(fā)展和市場的需求推動了電子設(shè)備和機械系統(tǒng)的微小型化，緊湊式換熱器也越來越受到關(guān)注，因此新型低GWP制冷劑在小通道內(nèi)的換熱特性成為了近幾年研究熱點之一。Hossain等[5]用R1234ze在比較常規(guī)的通道4.35 mm的水平光管內(nèi)進行了冷凝實驗，發(fā)現(xiàn)其換熱系數(shù)比R32低20%～45%，但比R410A高10%～30%。Park等[6]對R1234ze在1.45 mm的豎直小通道內(nèi)進行了冷凝換熱實驗。發(fā)現(xiàn)其換熱系數(shù)比R134a低15%～25%。根據(jù)Kew和Cornwell[2]提出受限數(shù)作為微通道的判據(jù)，即認為Co<0.5為常規(guī)通道，否則為微通道。管徑4 mm可認定為大通道，而管徑為2 mm時，對R1234ze而言Co值正好接近臨界值0.5。因此觀察此管徑下的換熱情況是有必要的。因此本文選擇研究的管徑為2 mm, 對工質(zhì)R1234ze水平光滑圓管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)和摩擦壓降特性進行實驗研究和理論分析。

表1 常見制冷劑的ODP、GWP和大氣停留時間

1 實驗系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗系統(tǒng)的介紹

圖1是R1234ze在水平細管內(nèi)冷凝換熱的實驗系統(tǒng)圖，主要由制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)以及數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)組成。R1234ze流體整個循環(huán)過程如下：從冷凝器出來的液態(tài)R1234ze流經(jīng)泵、過濾器、流量計、可視窗后，經(jīng)預熱段電加熱管被加熱到過熱狀態(tài)后進入測試段，在測試段內(nèi)進行冷凝換熱后流回冷凝器完成一個循環(huán)。儲液罐用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中制冷劑的充灌量。冷卻水循環(huán)由恒溫水槽，過濾器，磁力泵，流量計和混水器組成兩段并聯(lián)管路。

圖2為測試段整體示意圖，測試段總長為1900 mm，其中總有效換熱長度為1440 mm；分成六小段，每段長為290 mm，有效換熱長度為240 mm，間隔20 mm；中間部分留出30 mm，布置中間壓力測點。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

測試段總體為套管結(jié)構(gòu)，制冷劑在管內(nèi)流動，冷卻水在管外流動，流動方向與制冷劑的流動方向相反，每一段的冷卻水的出口都設(shè)置有混水器，混合經(jīng)過管環(huán)的冷卻水，并在每一段的進出口都設(shè)置有溫度測點。圖3為測試段截面圖和實物圖。內(nèi)管為外徑4 mm、內(nèi)徑2 mm的銅管(純銅)，外管為內(nèi)徑8 mm、外徑10 mm的銅管(黃銅)。

圖2 測試段整體示意圖

圖3 測試段

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了獲得在一定質(zhì)量流量和飽和溫度下制冷劑的不同干度的冷凝換熱系數(shù)和摩擦壓降，需要進行如下計算。

1)測試段入口干度xin

制冷劑在測試段入口的干度xin即預熱段的出口干度xpre,o,可通過電加熱的能量平衡獲得，制冷劑在預熱段從電加熱獲得的熱量Qpre分為潛熱Qlat和顯熱Qsens兩部分：

Qpre=Qsens+Qlat

(1)

顯熱Qsens為制冷劑從過冷加熱到飽和溫度tsat(測試段入口溫度)所需要的熱量：

Qsens=mrcp,r(tsat-tpre,i)

(2)

潛熱Qlat為制冷劑加熱到一定干度所需要的熱量：

Qlat=mr(hv-hl)xpre,o

(3)

式中：hv和hl分別為制冷劑的飽和氣和飽和液的焓值。

制冷劑的入口干度xin：

(4)

2) 制冷劑的分段換熱量Qr,sub

制冷劑在每一分段的換熱量Qr,sub即分段冷卻水的換熱量Qw,sub：

Qr,sub=Qw,sub=mwcp,w(tw,out-tw,in)

(5)

3) 制冷劑的分段平均干度xm

制冷劑在每一段的平均干度xm為制冷劑在分段的入口干度xsub,i和出口干度xsub,o的算術(shù)平均值：

(6)

分段的出口干度可由分段的能量平衡獲得：

(7)

4)分段換熱系數(shù)h：

(8)

Ai每一分段的有效換熱面積：

Ai=πdiLsub

(9)

式中：di為內(nèi)管內(nèi)徑；Lsub為分段有效換熱長度。

twall,i為測試段內(nèi)管的內(nèi)壁溫度：

(10)

式中：do是測試段內(nèi)管的外徑；λcopper為銅管的導熱系數(shù)；twall,o是管外壁平均溫度，為每個分段六個壁溫測點的平均值：

(11)

5)實驗中的總壓降為加速壓降、摩擦壓降和收縮壓降之和。

總壓降：

Δptotal=pin-pout

(12)

摩擦壓降：

Δpfriction=Δptotal-Δpacceleration-Δpcontraction

(13)

其中加速壓降：

(14)

(15)

收縮壓降：

(16)

γ為截面積收縮比：

(17)

式中：A為測試段管內(nèi)截面積；Al為測試段入口前的管道截面積。

Cc為收縮效率：

Cc=1/(0.639(1-γ)0.5+1)

(18)

1.3 誤差分析

本實驗需要對溫度、壓力、流量和電加熱功率進行測量和采集，數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)包括溫度和壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率儀和六位半數(shù)字萬用表。各參數(shù)的測量存在一定誤差。利用誤差傳遞公式(19)，對換熱系數(shù)的可靠性進行了分析。結(jié)果見表2，認為測試的換熱系數(shù)是可靠的。

N=f(x1,x2,x3)

(19a)

(19b)

在進行冷凝實驗之前進行了熱平衡實驗。經(jīng)計算實驗系統(tǒng)的漏熱量在6%以內(nèi)，實驗系統(tǒng)保溫效果較好。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

進行冷凝換熱實驗時，設(shè)定R1234ze的飽和溫度為35 ℃、40 ℃，質(zhì)量流量為100～400 kg/(m2·s), 熱流密度4～22 kW/m2。

表2 實驗測試的可靠性分析

如圖4所示，在飽和溫度分別為35 ℃和40 ℃時，對不同質(zhì)量流量情況下的冷凝換熱系數(shù)進行了比較。從圖中可以看出，在相同飽和溫度和質(zhì)量流量下，換熱系數(shù)隨干度的升高而增加，且干度大于某一值(稱過度干度值)后，冷凝換熱系數(shù)隨干度增加的速率變大；質(zhì)量流量越大時，該過度干度值越?。幌嗤柡蜏囟认沦|(zhì)量流量越低時，冷凝換熱系數(shù)隨干度增加得越緩慢；在相同飽和溫度下，換熱系數(shù)隨質(zhì)量流量的增加而增大，且在干度較大時，質(zhì)量流量的影響越明顯。

圖4 質(zhì)量流量對冷凝換熱系數(shù)的影響

根據(jù)流型分析可知，R1234ze在管內(nèi)冷凝過程中，干度由大變小，流型從環(huán)狀流變化到間歇流，環(huán)狀流時，切應(yīng)力為主要的作用力，質(zhì)量流量的增加會導致切應(yīng)力增大，管壁的液膜厚度變小，熱阻減小，因此在干度較大時，質(zhì)量流量的變化對換熱系數(shù)的影響更顯著。質(zhì)量流量較低時，完全環(huán)狀流出現(xiàn)在干度較大的時候，而質(zhì)量流量較大時，在干度較低的情況下就已經(jīng)出現(xiàn)環(huán)狀流。環(huán)狀流時流體換熱受主要受質(zhì)量流量影響，環(huán)狀流時工質(zhì)的換熱能力比半環(huán)流和間歇流更好。

圖5表示了在相同質(zhì)量流量下冷凝溫度的影響。 可以看出冷凝換熱系數(shù)隨飽和溫度的升高而降低，這主要是由于飽和溫度不同導致物性變化造成的。R1234ze的氣化潛熱和液態(tài)導熱系數(shù)隨著飽和溫度的升高而降低。飽和溫度為35 ℃、40 ℃時，R1234ze的氣化潛熱分別為158.86 kJ/kg和154.64 kJ/kg。

圖5 飽和溫度對換熱系數(shù)的影響

圖6比較了飽和溫度40 ℃時，質(zhì)量流量分別為300、400 kg/(m2·s) 時，不同熱流密度下的換熱系數(shù)，通過比較發(fā)現(xiàn)，熱流密度的變化對換熱系數(shù)幾乎沒有影響。熱流密度改變，即飽和溫度和壁溫的溫差改變，當管內(nèi)環(huán)狀流時，飽和溫度和壁溫溫差對流體換熱系數(shù)影響不大。實驗時，流體大部分階段處于環(huán)狀流，因此熱流密度對其換熱系數(shù)影響不大。Matkovic 等[7]實驗時發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。

圖6 在不同質(zhì)量流量下熱流密度對換熱系數(shù)的影響

對制冷劑飽和溫度分別為35 ℃和40 ℃時，不同質(zhì)量流量情況下的摩擦壓降進行了比較，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)在相同飽和溫度和干度情況下，質(zhì)量流量越大，摩擦壓降越大；質(zhì)量流量較低時，摩擦壓降隨干度的變化率較小。

在相同質(zhì)量流量和干度下，飽和溫度越高，摩擦壓降梯度越小，認為是不同飽和溫度情況下制冷劑物性不同導致的，隨著飽和溫度的升高，R1234ze的粘度降低，因此，由摩擦產(chǎn)生的壓降損失減小；干度越大時，摩擦壓降梯度越大，且隨質(zhì)量流量的增加，飽和溫度對摩擦壓降的影響越大。

2.2 與其它制冷劑進行比較

將實驗數(shù)據(jù)與文獻[8]中R32以及文獻[9]中R134a的實驗數(shù)據(jù)進行對比分析(見圖8)，這些數(shù)據(jù)都是在2 mm水平光滑管內(nèi)，飽和溫度40 ℃工況下冷凝換熱的數(shù)據(jù)。表3列有三種制冷劑在40 ℃時的基本物性參數(shù)。從中發(fā)現(xiàn)R1234ze的一些物性與R134a非常的接近，R1234ze的液態(tài)導熱系數(shù)和氣化潛熱比R32和R134a都低。從圖中可以發(fā)現(xiàn)R1234ze的冷凝換熱系數(shù)比相同工況下R134a的冷凝換熱系數(shù)平均低約22 %。R32的冷凝換熱系數(shù)最高，其導熱系數(shù)和汽化潛熱也最大。R1234ze的冷凝換熱系數(shù)比相同工況下R32平均低約31%。

圖7 摩擦壓降實驗值

表3 常見制冷劑物性參數(shù)

圖8 R1234ze與R32、R134a的傳熱系數(shù)實驗值進行對比

圖9為R1234ze的摩擦壓降梯度實驗值與同樣工況下進行冷凝換熱的R32的實驗數(shù)據(jù)[8]進行比較，從圖中可以看出，R1234ze的摩擦壓降梯度高于R32，這主要是因為R1234ze的氣態(tài)粘度明顯高于R32，導致R1234ze的摩擦系數(shù)較高。

圖9 R1234ze與R32摩擦壓降實驗值對比

2.3 與經(jīng)典預測模型對比分析

將本實驗結(jié)果與六個經(jīng)典的冷凝換熱模型進行對比分析。分別為Baird等[10]模型、Gerimella[11]模型、Wang[12]模型、Koyama[13]模型、Moser[14]模型、Bandhauer[15]模型。其中Baird等[10]的模型如式 (20)～(25)，其換熱系數(shù)與無量綱溫度和壁面切應(yīng)力有關(guān)。

(20)

t+是無量綱溫度，與無量綱液膜厚度δ+有關(guān)：

δ+< 5時：t+=δ+Prl

(21)

5≤δ+<30時：

(22)

δ+≥ 30時：

(23)

其中：

(24)

τw為壁面切應(yīng)力，與摩擦壓降梯度有關(guān)：

(25)

比較結(jié)果如圖10，發(fā)現(xiàn)圖10(a)中Baird等[10]的模型和圖10 (c)中Gerimella[11]模型對本次實驗的換熱系數(shù)預測最好，前者平均絕對誤差為24.03%，其中對65.56%的數(shù)據(jù)預測誤差在±30%內(nèi)，后者平均絕對誤差為24.69%，75.56%的數(shù)據(jù)預測誤差在±30%內(nèi)。其他Wang[12]模型Koyama[13]模型Moser[14]模型Bandhauer[15]模型四種模型對本次實驗的預測平均絕對誤差都在30%以內(nèi)，對60%以上的數(shù)據(jù)預測誤差在±30%內(nèi)。

圖10 R1234ze換熱系數(shù)實驗值與不同換熱模型比較

同樣，用Baird模型和Gerimella模型對文獻[7-8]中的關(guān)于R32的276組實驗數(shù)據(jù)和文獻[9，16-17]中的關(guān)于R134a的193組實驗數(shù)據(jù)進行預測，預測結(jié)果見表4和圖11，可以看出，Baird換熱模型對R1234ze、R134a和R32的預測都較好。

表4 換熱模型對R32、R134a實驗值預測結(jié)果

圖11 換熱模型對R32、R134a換熱系數(shù)實驗值預測

將本次摩擦壓降的實驗結(jié)果與4種摩擦壓降模型的計算結(jié)果進行了比較和分析。結(jié)果見圖12所示，對于本次實驗的摩擦壓降的實驗結(jié)果，Müller-Heck的模型[18]預測最好，平均絕對誤差為25.05%，且對65.63%的實驗數(shù)據(jù)預測誤差在±30%內(nèi)。其次，Chisholm的模型[19]平均絕對誤差為29.11%，對56.25%的數(shù)據(jù)預測誤差在±30%內(nèi)。而Friedel[20]模型和Zhang-Webb[21]模型對本次實驗結(jié)果的預測值偏小。

圖12 R1234ze摩擦壓降實驗值和不同預測模型比較

Müller-Heck[18]的模型中摩擦壓降梯度是全液相壓降梯度和全氣相壓降梯度的經(jīng)驗插值：

(26)

系數(shù)F：

F=A+2(B-A)x

(27)

參數(shù)A、B分別為全液相和全氣相的摩擦壓降梯度：

(28)

(29)

摩擦系數(shù)f計算為：

(30)

其中：

(31)

用Müller-Heck模型和Chisholm 模型分別對文獻[8，17,22]中R32的 222個摩擦壓降實驗數(shù)據(jù)和文獻[16-17,23]中R134a的185個實驗數(shù)據(jù)進行預測，預測結(jié)果見表5和圖13。

表5 壓降模型對R32、R134a實驗值預測結(jié)果

圖13 壓降模型對R32、R134a實驗值預測

3 結(jié)論

本文對R1234ze在2 mm 水平光滑管內(nèi)進行了冷凝換熱實驗研究，同時對實驗數(shù)據(jù)進行了分析，得出以下結(jié)論：

1)當流量在100～400 kg/(m2·s)，冷凝溫度為35 ℃和40 ℃時，R1234ze的冷凝換熱系數(shù)范圍在1.5到8 kW/(m2·K)之間時。其冷凝換熱系數(shù)隨干度的增加而增加，隨質(zhì)量流量的增大而增大，隨飽和溫度的升高而降低。

2)在相同工況下R1234ze的冷凝換熱系數(shù)比R134a、R32的換熱系數(shù)分別平均低大約22%和31%。

3)通過六個換熱模型的對比，發(fā)現(xiàn)Baird等[10]的模型和Gerimella模型的預測精度最好。不僅可以很好的預測R1234ze的冷凝換熱系數(shù)，對文獻[7-9,16-17]中R32、R134a的實驗數(shù)據(jù)預測也比較好。

4)實驗中制冷劑的摩擦壓降隨質(zhì)量流量增加而增加，相同質(zhì)量流量下，飽和溫度升高，摩擦壓降降低。R1234ze的摩擦壓降梯度高于R32，這主要是因為R1234ze的氣態(tài)粘度明顯高于R32，導致R1234ze的摩擦系數(shù)較高。Müller-Heck模型和Chisholm模型對R1234ze和R32的摩擦壓降預測較好。

致謝：感謝霍尼維爾(上海)有限公司給與的大力支持和幫助。

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