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技术探讨:5mm小管径内R290流动沸腾换热特性

发布于:2023-04-18 10:27:18 来自:暖通空调/制冷技术 [复制转发]

为了节能省材,换热器的更新趋于小型化,换热 器的小型化已成为行业内的研究热点。外径为5 mm 小管径的铜管现已大量应用于小型换热器,然而铜管的管径变小后,换热特性与9. 52、7 mm等较大管径不尽相同,管内制冷剂侧的沸腾换热表面传热系数 ( 以下简称表面传热系数) 会增大。此外,小管径铜管齿高和螺旋角均增加,强化了内螺纹对制冷剂的 扰动作用,液膜厚度减薄,降低热阻,进一步强化了换热。因此,有必要研究R290在5 mm内螺纹铜管内流动沸腾的换热特性。




本文对R290在5 mm内螺纹铜管内的流动沸腾换热特性进行实验研究,研究了热流密度、质量流率及饱和温度对沸腾换热表面传热系数的影响。

1、实验装置与原理  

 

 

 
1. 1 实验装置与测试流程     

 
小管径内沸腾换热特性的测试系统原理如图1所示。  

 


 
测试回路由柱塞计量泵、科式流量计、预热器、测试部分、冷凝器、储液罐、再冷器和过滤器组成。柱塞计量泵替代压缩机为系统内制冷剂提供循环动力,用科式流量计测量质量流量。通过预热器控制实验段入口工质的干度; 冷凝器用于冷凝测试段出口处高温制冷剂; 储液器确保循环系统中有充足的制冷剂; 再冷器保证制冷剂在进入柱塞泵之前完全冷凝。  
   
在测试装置运行时,储液器中流出的液态R290经过再冷器过冷,以保证单相,再由柱塞计量泵传送至测试段。工质经过预热器时,通过PID精确调节输入预热器的功率可以控制测试段入口R290干度。测试段排出的R290气体进入冷凝器中被冷凝成液体后再次进入储液器完成一个循环。实验系统的饱和温度主要由冷凝压力控制,系统通过PID 控制调节冷凝器中乙二醇载冷剂的流量,以此调节冷凝器内的冷凝压力达到对测试段出口压力的控制。系统的质量流量由调节柱塞计量泵的行程调节旋钮控制,流量大小直接由质量流量计测量。实验系统所需测试的温度、压力分别采用热电偶与压力传感器获得。  
   
实验对象为外径 5 mm 的水平内螺纹铜管,内径为4. 32 mm,测试段具体参数为: 螺纹数 38,螺旋角 18°,齿顶角40°,齿高0. 14 mm,底壁厚0. 20 mm。为消除入口段对表面传热系数的影响,需满足 L /D>60,因此设置测试段总长为500 mm,以此测定充分发展段的表面传热系数。测试段加热方法是使 用电加热丝均匀的缠绕在加热段上,并用玻璃棉垫隔 热,以减少对周围环境的热量损失。对测试段所施加的电功率由功率计直接测得。同时,在测试段的6个位置设置热电偶测量外壁温度。  
   
为保证测量温度的精确度,采用同一测点不同位置测量取平均值的方法,在每个测点的上、下、左、右4个方向布置贴片式热电偶,4 个测点两两中心对称。整个加热段共布置24个热电偶,具体布置方式如图2所示。  

 


 
图2测试段热电偶轴向和径向布置( 单位:mm) Fig.2 Axial and radial layout of thermometer inexperiment phase( Unit: mm) 实验要研究R290 在 5 mm 小管径内流动沸腾 换热过程中不同的饱和温度、质量流率、热流密度 等参数对沸腾换热表面传热系数的影响,因此需综合考量上述参数,确定实验装置能够测试的范围。测试工况如表 1 所示,其中干度划分为低干度区间 ( 0.1~0.3]、中干度区间( 0.3~0.75]、高干度区间 ( 0.75~0.9]。  

   
1 .2 实验原理      

 

 
1) 沸腾换热表面传热系数  

 
 
2) 测试段的热流密度  

 

 
 
3) 平均内壁温度  

 

 
 
4) 制冷剂饱和温度由于管内工质的饱和温度Tr 随着流动沸腾的压降而降低  
所以通过实验段进出口安装的压差传感器获得实验段压差,然后用线性插值计算法获得对应点的饱和压力,再借助工质热物性软件NIST查询获得对应饱和压力下的饱和温度。  
 
   
5) 测试段入口干度  
   

 
 
6) 局部干度  

 
 
7) 实验参数不确定度分析  


考虑到实验本身的系统误差,实验过程中各个参 数均具有一定的不确定度,其中一些通过二次计算得 来的参数,其不确定度还具有传播性。故需要对测试数据进行不确定度分析,采用文献   [MOFAT R J. Describing the uncertainties in experimental results[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1988,1( 1) : 3-17.]   中提出的方法分析,并总结于表 2 中。表面传热系数测定的最大 不确定度<8%。  
 
 

 
2、实验结果与分析

 

 
2. 1 热流密度对沸腾换热特性的影响  

 
选取饱和温 度 T = 25 ℃、质 量 流 率 G = 100 kg /( m 2  ·s) 不变的工况,控制热流密度范围在10~60 kW / m 2 ,定性定量研究热流密度对5 mm小管径内R290 沸腾换热特性的影响,如图3所示。  
   

 
 
由图 3 可知,在中低干度区间,随着热流密度的 提高 R290 的表面传热系数显著增大。原因是热流 密度上升直接导致壁面过热度变大,壁面气泡的生长 速度和脱离频率均随之加快,同时内螺纹管的齿也使气泡受到更大的扰动。上述综合强化了核态沸腾换 热作用,所以表面传热系数显著增加,此时管内主要换热形式为核态沸腾换热。  
   
而在高干度区间,局部表面传热系数急速下降,且表面传热系数下降的程 度随热流密度的上升而更加剧烈。因为此时管内工 质开始干涸,对流换热起核心作用。一方面液膜减薄,降低了传热热阻,使管壁面温度下降,核态沸腾换 热受到抑制; 另一方面,热流密度的增大加速了管内 流型的转变,恶化了换热效果。由此可以看出,对沸腾换热大小起决定性作用的是核态沸腾换热。实验结果表明,当饱和温度和质量流率一定,热 流密度的上升使干涸现象提前发生,且更加剧烈。在中低干度区间,提升热流密度明显强化换热效果; 干 涸现象发生后,热流密度的上升使表面传热系数的下降更加剧烈。  
   
2. 2 质量流率对沸腾换热特性的影响  

 
质量流率对于 R290 沸腾换热特性的影响如图4所示,实验控制质量流率的范围在50~200kg /( m 2  ·s) ,选取工况为温度 T = 25 ℃,热流密度q = 10 kW / m 2  
   

 
 
由图 4 可知,在低干度区间,表面传热系数受质 量流率影响很小; 中干度区间,表面传热系数伴随质 量流率的增加有明显提高; 干涸现象发生之后,表面传热系数随着质量流率的增大略有提高。原因是: 在低干度区间,管内换热方式以核态沸腾换热为主,所以干度在低干度区间质量流率对表面传热系数的影响较小; 而在中干度区间,核态沸腾换热逐渐向对流 换热转变,由于流速的增加使雷诺数增大,此时质量 流率的增大使表面传热系数逐渐增大。且在干涸发生前的0. 6~0. 7干度区间,表面传热系数的增长更为明显。这是因为流速越快,管内流态越接近于环状流。而在质量流率为 200 kg /( m 2  ·s) 时,所测干度的 范围内并未发生干涸现象。  

 
实验结果表明,当饱和温度和热流密度一定,在低干度区间,表面传热系数受质量流率影响很小;中干度区间,表面传热系数随着质量流率的上升而提 高; 高干度区间,伴随质量流率的增加表面传热系数略有增加。  

 
   
2. 3 饱和温度对沸腾换热特性的影响     

 
根据实验结果可得,饱和温度对R290在5mm小管径内流动沸腾换热具有重要影响,选取热通量为 q = 10 kW / m 2 的工况,质量流率 G = 100 kg /( m 2  ·s) ,如图 5所示。在低干度区间,饱和温度对表面传热系数影响较小,表面传热系数随饱和温度的提高略有增加,因为较高的饱和压力有利于形成汽化核心,强化了核态沸腾换热。但干度增至 0. 3 以后,表面传热系 数反而随着饱和温度的提升而下降,原因是: 在q = 10 kW / m 2 的低热流密度工况下,壁面过热度较低,气泡的产生和扰动均较小,核态沸腾换热作用较小,因此饱和温度的提升对表面传热系数的影响较小。此时对流换热起主导作用,饱和温度的下降使工质导热系数增大,强化了对流换热作用。  
   

 
 
改变测试工况为热流密度q = 60 kW / m 2 ,质量流率 G = 100 kg /( m 2  ·s) ,如图6所示。  

 
 
由图6可知,在热流密度较高为60 kW/ m 2 的工况下,表面传热系数随着饱和温度的增大而提高。原因是饱和温度越高,制冷剂液相动力黏度越低,表面张力也会下降,促使汽化核心的脱离,强化了核态沸腾换热,表面传热系数增大。  
实验结果表明,当质量流率一定,较低热流密度工况下,在中干度区间表面传热系数会随着饱和温度 的提高而降低; 较高热流密度工况下,表面传热系数 与饱和温度呈正相关性。同时饱和温度的提高会使 干涸现象提前发生,加快干涸发展的过程。  

 

 
3、结论

 

 
本文实验研究了R290在5 mm小管径管内流动沸腾换热特性,在饱和温度为15~25 ℃、热流密度为10~60 kW / m 2 、质量流率为50~200 kg /( m 2  ·s) 的工况下,就不同因素对换热及干涸特性的影响进行了理论分析,得到如下结论:  

 
 1) 热流密度的上升能够有效提升表面传热系数,加剧干涸过程。当饱和温度和质量流率一定,在中低干度区间,热流密度的提升可以明显强化换热效果,增大传热系数; 干涸现象发生后,热流密度的升高 使表面传热系数下降更加剧烈。  

 
2) 提高质量流率对表面传热系数有显著提升。在饱和温度和热流密度一定时,表面传热系数随质量流率的增大而增加。尤其在干度为0. 6~0. 7时,表面传热系数增大尤为明显。同时,质量流率也能提前干涸发生的时机。  

 
3) 饱和温度的升高使干涸现象提前发生,同时加快干涸发展的过程。但饱和温度对表面传热系数的影响较为复杂。保持质量流率不变,在较低热流密度工况下,中干度区间内的表面传热系数随饱和温度的提高不增反降; 然而较高热流密度工况下,表面传热系数与饱和温度呈正相关性。  
        
版权声明:本文参考《5 mm小管径内R290流动沸腾换热特性》作者:何宽、柳建华、余肖宵,由制冷空调换热器技术联盟编辑整理,转载请注明来源。


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只看楼主 我来说两句抢沙发
这个家伙什么也没有留下。。。

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