新工质 R134a 在水平强化管外的池沸腾换热

第32卷　第3期　1998年3月 西　安　交　通　大　学　学　报JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITY　Vo1.32　№3 Mar.1998新工质R134a在水平强化管外的池沸腾换热3李芳明　李沛文　李　妩　陶文铨(西安交通大学,710049,西安)摘要　对新型替代工质R134a在水平强化管外的核态池沸腾换热进行了实验研究.查明了热流密度、蒸发压力和沸腾换热系数的关系,拟合了适合于本强化管的沸腾换热系数计算式.并对R22和R134a在强化管外池沸腾换热的特性进行了对比.关键词　替代工质　沸腾换热　换热强化中国图书资料分类法分类号　T K124Pool Boiling of R134a outside aH orizontal Enhanced TubeL i Fangmi ng　L i Peiwen　L i W u　Tao Wenquan(Xi′an Jiaotong University,710049,Xi′an)Abstract　Pool boiling outside a horizontal enhanced tube with the new refrigerant R134a was experimentally investigated.The correlation among the heat transfer coefficient,heat flux and saturation pressure was obtained by using the multi2variables linear least2square method.The enhancement cha2racteristics of heat transfer coefficient of the enhanced tube against smooth tube were also analyzed.The results showed that for the enhanced tube studied the boiling heat transfer coefficients of R134a is lower than that of R22.K eyw ords　substit ute ref rigerant　boili ng heat t ransf er　heat t ransf er enhancement 由于氟里昂类物质对地球大气臭氧层的破坏,新型替代工质在制冷、空调及热泵系统中的应用已成为世界范围为保护人类生存环境的必然趋势.大量的研究已经明确,R134a是R12的最可能替代物之一[1].另外,R134a也是用混合物替代R22的最可能组分之一[2].在对R134a热力学特性的研究业已成熟的情况下,对其在水平管外的蒸发换热特性及其强化研究是当前重要的研究课题.本文针对R134a在水平强化管外旺盛核态池沸腾的换热特性进行实验研究,同时与R22的换热特性进行对比. 1　实验系统和实验过程试验是在水平管外沸腾与凝结换热试验台上进行的.试验台由冷却水系统和制冷剂蒸发Ο冷凝循环系统组成,详见文献[3].实验所采用的强化管是选用外径为18mm、壁厚分别为1mm和2mm的光管加工成形的,蒸发表面微结构的凸缘高度均为0.2 收到日期:1996Ο10Ο07.　李芳明:男,1966年11月生,能源与动力工程学院热工教研室,硕士生.　3国家计委“八五”科技攻关项目(85Ο519Ο20Ο01)和动力工程多相流国家重点实验室资助课题.～0.25mm ,如图1所示.强化管实验段的有效长度为200mm ,水平放置在蒸发器内,并采用电加热的方式.在测量蒸发管的表面温度时,为避免破坏表面结构,测温热电偶埋设在管的内侧,试验元件的横截面结构如图1b 所示.(a )表面微结构 (b )横截面结构1:试验管;　2:热电偶埋设管;　3:管状加热器;4:浇铸焊锡层;　5:热电偶安装槽图1　试验元件结构图 在向试验系统充入制冷剂前,首先对系统进行气密性试验和排除系统内的不凝性气体,使系统充入制冷剂后用系统压力推算得出的工质饱和温度与热电偶测得的饱和温度相差在±0.3℃以内.系统充入工质后经过12h 才可进行试验,这时工质已将试验元件表面充分润湿.为了避开沸腾换热的热滞后现象[4],按电加热功率由大到小的顺序选取实验工况.为了确保工况的稳定性和可靠性,实验测试的每个工况均满足蒸气凝结释热与电加热功率的热平衡偏差不超过±5%.蒸发表面的温度t w 是从试件内热电偶测得的温度出发,根据加热功率用一维稳态导热方程外推得出.以蒸发器内饱和压力的推算值和热电偶实测值的平均值作为蒸发液体的饱和温度t sat .加热表面的热流密度是以强化管的胚管外表面积为基准计算的.沸腾换热系数h 可表示为h =Q F (t w -t sat ) 整理实验结果所用到的R134a 和R22的物性选自文献[5].2　实验结果及讨论2.1　校核性实验R134a 在水平光管外的沸腾换热系数可采用Cooper 公式进行预测[6].为了检验试验系统的可靠性,首先进行了R134a 水平光管外的沸腾换热试验.当蒸发温度为t sat =19.6℃时,热流密度对沸腾换热系数的影响如图2a所示.光管外表面的粗糙度按R P =0.4μm 计算.用Cooper 公式预测上述实验结果,最大偏差为±15%. 另外,在热流密度q =33.5kW/m 2时,对不同压力下的沸腾换热系数进行测定.从图2b 中可看出,实验值与Cooper 公式的预测值之间的最大偏差为+8%.上述两方面的考察均说明实验值与预测值吻合较好.2.2　水平强化管外池沸腾特性2.2.1　热流密度对沸腾换热系数的影响　在蒸发温度分别为5、10.2、14.5℃时,热流密度与核态沸腾换热系数的关系曲线示于图3.在一定的蒸发温度下,增大热流密度q 可促进沸腾换热系数h 的提高.由于热流密度的增加,壁面过热度将会增加,这使得原来不能活化的空穴进一步活化,形成新的(a )h 2q 曲线 (b )h 2p sat 曲线图2　光管校核实验16第3期 李芳明等:新工质R134a 在水平强化管外的池沸腾换热图3　不同蒸发温度时的h 2q 关系曲线汽化核心,汽化核心数的增加将使沸腾换热系数增加.另外.热流密度增大会使汽泡运动加剧,这将使过热流体以显热形式所带走的热量增加.这两方面的效果使得沸腾换热系数随热流密度的增加而得以提高.2.2.2　蒸发压力对沸腾换热系数的影响　在热流密度q =26.5kW/m 2,沸腾换热系数h 随不同的沸腾压力的变化曲线示于图4,沸腾压力p s at 在图4　蒸发压力p sat 对h 的影响曲线460.24～559.94kPa 的范围内变化.显然,蒸发压力升高时,沸腾换热系数有所增加.这是由于蒸发压力升高时,会使流体的表面张力下降,从而对于一定尺寸的表面空穴来说,使之活化所需要的壁面过热度将减小,使得换热系数得以提高.2.2.3　综合关联式　应用本文实验获取的共99个数据,采用最小二乘法进行多元线性回归,得到了适合于本文强化管的沸腾换热系数关联式h =16.17q 0.31p0.559式中:热流密度q 的单位为W/m 2;压力p 的单位为kPa.公式应用的蒸发温度范围为5～19.6℃,蒸发压力为349.70～564.68kPa.热流密度范围为16～70kW/m 2.经验证,95%的实验数据与拟合公式计算值的偏差范围不超过±6%,如图5所示.图5　拟合公式计算值与实验值的比较2.2.4　强化管的强化效果　在相同的热流密度和蒸发温度下,强化管沸腾换热系数h E 与光管的换热系数h p 的比值可以用强化倍率来表示.以Coo 2per 公式计算得出的光管外池沸腾换热系数为比较基础,在不同的热流密度和蒸发温度下,本强化管的强化倍率均在1.45以上.在相同的蒸发温度时,强化管在低热流密度下强化效果比较好,如图6所示.在热流密度较大时,光管外表面也能大量形成汽化图6　强化倍率h E /h p 与q 、t sat 的关系核心,从而使沸腾换热系数大幅度提高,所以,这时强化倍率就减小了.而在相同的热流密度下,蒸发温度高时强化倍率也高一些,这是由于蒸发温度高时,26西　安　交　通　大　学　学　报 第32卷表面张力下降,强化管表面会有更多的空穴形成新的汽化核心,而光管表面可产生的新汽化核心相对要少一些.因此,在蒸发温度高时,强化倍率会提高.上述结论对工程设计具有明显的实际意义.2.2.5　R134a 与R22强化管外沸腾换热特性的比较　在相同的蒸发温度t sat =5℃下,R134a 与R22沸腾换热系数的比较如图7所示.在相同的热流密度下,R22的沸腾换热系数高于R134a.在低热流密度下可高出约20%,而在较高的热流密度下仅高出图7　R134a 与R22沸腾换热系数的比较约4%.这是因为R134a 和R22对沸腾换热过程有影响的物性是比较接近的,两者的沸腾换热系数应相差不大.但在较小热流密度下,表面张力的大小对沸腾换热系数的影响较明显.由于在相同温度下,R22的表面张力比R134a 低,因此,这时R22的沸腾换热系数明显高于R134a 的沸腾换热系数.3　结　论通过实验研究,对R134a 和R22在本实验用强化管外的沸腾换热系数进行了比较,结果表明,R22的沸腾换热系数高于R134a.参考文献1　Thome J R.Two 2phase heat transfer to new refrigerants.In :Hewitt G G ed.Proceeding of the Tenth International Heat Transfer Conference.London :Chameleon Press ,1994.19～412　Torikoshi K ,Ebisu T.Heat transfer and pressure dropcharacteristics of R134a ,R32,and a mixture of R32/R134a inside a horizontal tube.ASHRAE Transactions ,1993,99(2):90～963　李妩,彭海涛,李芳明等.非共沸混合工质R22/R152a 水平单管外凝结换热的实验研究.西安交通大学学报,1995,29(11):111～1164　朱长新,温志敏,周芳德等.水平管束沸腾滞后的实验研究.工程热物理学报,1993,14(4):424～4285　Thomas B R.ASHRAE handbook ,fundamentals.NewY ork:American S ociety of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers ,19936　Webb R L ,Pais C.Pool boiling data for five refrigerants ofthree tube geometries.ASHRAE Trans ,1991,97(Part1):72～78(编辑　蒋慧姝)36第3期 李芳明等:新工质R134a 在水平强化管外的池沸腾换热。