陳夢(mèng)尋，張華，婁江峰

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2浙江盾安人工環(huán)境設(shè)備股份有限公司，浙江 諸暨 311835）

納米石墨冷凍機(jī)油對(duì)R600a流動(dòng)沸騰換熱的影響

陳夢(mèng)尋1，張華1，婁江峰2

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2浙江盾安人工環(huán)境設(shè)備股份有限公司，浙江 諸暨 311835）

搭建了納米冷凍機(jī)油/制冷劑水平光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了石墨/R600a納米制冷劑在水平直光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性，分析了納米石墨對(duì)含油制冷劑流動(dòng)沸騰換熱的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試段為總長(zhǎng) 2.5 m、外徑9.52 mm、內(nèi)徑8 mm、壁厚0.76 mm的紫銅管。在質(zhì)量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1下，分別測(cè)量純R600a、含油R600a、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.05%、0.1%、0.2%）納米石墨冷凍機(jī)油和R600a混合物在水平光滑圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨干度的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：納米石墨的添加增強(qiáng)了含油制冷劑的流動(dòng)沸騰換熱。實(shí)驗(yàn)獲得了基于石墨的含油納米制冷劑流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值與 94.5%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在±15%以?xún)?nèi)。

納米粒子；傳熱；測(cè)量；傳熱系數(shù)；預(yù)測(cè)；關(guān)聯(lián)式

引　言

納米流體是一種新型的換熱介質(zhì)，添加納米粒子可以提高流體的傳熱性能[1-5]。納米制冷劑是指將納米顆粒添加到制冷劑中得到的穩(wěn)定懸浮液，可以增強(qiáng)制冷系統(tǒng)的換熱性能、提高制冷系統(tǒng)的COP[6]。目前關(guān)于納米粒子對(duì)制冷劑及含油制冷劑沸騰換熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在流動(dòng)沸騰換熱和池沸騰換熱兩個(gè)方面。而流動(dòng)沸騰換熱方面的研究成果較少，且納米材料種類(lèi)多為金屬氧化物[7-9]。在已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，納米流體的有效熱導(dǎo)率、對(duì)流傳熱系數(shù)和沸騰傳熱速率等熱特性有許多不一致的地方[10-11]，有待深入系統(tǒng)地探究。

Akhavan-Behabadi等[12]實(shí)驗(yàn)研究了 CuO納米粒子對(duì)含油R600a流動(dòng)沸騰換熱的影響，發(fā)現(xiàn)在低質(zhì)量流速下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的納米油可平均提高流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù) 42.2%。Henderson等[13]研究了水平管內(nèi)SiO2納米粒子對(duì)純R134a和含油R134a流動(dòng)沸騰換熱的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只添加納米SiO2的R134a較純制冷劑的傳熱系數(shù)降低，而含油R134a的傳熱系數(shù)提高，提高比率大于100%。這是由于冷凍機(jī)油的添加有利于 SiO2納米粒子穩(wěn)定分散。Peng等[14]在實(shí)驗(yàn)研究 CuO 納米粒子對(duì) R113流動(dòng)沸騰換熱的影響時(shí)，沒(méi)有添加冷凍機(jī)油，發(fā)現(xiàn)添加 CuO 納米粒子的 R113傳熱系數(shù)大于純制冷劑，最大傳熱系數(shù)為29.7%。已有的實(shí)驗(yàn)成果表明，納米粒子的添加對(duì)純R600a和含油R600a的流動(dòng)沸騰換熱的影響不同，且納米材料種類(lèi)、濃度不同，換熱效果也不一樣。

納米石墨是一種常見(jiàn)的納米材料，廉價(jià)易得。在前期工作的基礎(chǔ)上[15]，本文選用SUNISO 3GS作為冷凍機(jī)油，采用兩步法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.05%、0.1%、0.2%的納米石墨冷凍機(jī)油。選R600a制冷劑，研究在不同質(zhì)量流速、不同入口干度下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米油在水平光滑圓管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性，為納米制冷劑的深入研究和應(yīng)用提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試工況

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由含油制冷劑循環(huán)回路、冷卻系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。其中含油制冷劑循環(huán)回路包括葉片泵、過(guò)冷段、質(zhì)量流量計(jì)、預(yù)熱段、觀(guān)察段、實(shí)驗(yàn)段和冷凝段等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由 Agilent 34970A和 SIEMENS S7-200組成，其中前者采集實(shí)驗(yàn)段上20個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)的溫度參數(shù)，而后者則采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的鉑電阻、質(zhì)量流量計(jì)、壓力傳感器和壓差傳感器等的信號(hào)。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1　Schematic diagram of experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)段為水平布置的紫銅管，外徑9.52 mm，內(nèi)徑8 mm，壁厚0.76 mm。實(shí)驗(yàn)段總長(zhǎng)度2.5 m，有效加熱段 2.4 m，以便于測(cè)定充分發(fā)展段的沸騰換熱，同時(shí)可消除出口效應(yīng)（L/D>60）。測(cè)試段采用電加熱的形式，由穩(wěn)壓電源供電。圖2顯示了實(shí)驗(yàn)段電加熱帶和溫度測(cè)點(diǎn)的布置形式。在實(shí)驗(yàn)段外壁的5個(gè)等截距斷面上布置了20個(gè)熱電偶（CHINO T型），每個(gè)斷面布置4個(gè)熱電偶，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)段上、下和中間兩側(cè)的壁面溫度，外纏絕熱膠布。

圖2　實(shí)驗(yàn)段加熱帶和溫度測(cè)點(diǎn)布置Fig. 2　Layout drawing of heater band and temperature measuring location on test section(unit: mm)

1.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況

實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況的選擇主要是考慮在小型制冷系統(tǒng)中含油制冷劑的實(shí)際運(yùn)行工況，同時(shí)考察不同納米顆粒含量對(duì)沸騰換熱的影響。實(shí)驗(yàn)研究在質(zhì)量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，純R600a、含油R600a（1:99）以及含納米石墨粒子（0.05%、0.1%、0.2%）的冷凍機(jī)油與R600a混合物（1:99）在水平光滑圓管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性。其中實(shí)驗(yàn)段的入口干度控制在0～0.9間隔0.1，實(shí)驗(yàn)段的干度變化為0.1。同時(shí)為了讓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中含油制冷劑能進(jìn)行充分地循環(huán)流動(dòng)，每次實(shí)驗(yàn)前都運(yùn)行葉片泵2 h，使納米冷凍機(jī)油和R600a能充分均勻互溶。

表1　實(shí)驗(yàn)工況及主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍Table 1　Experimental conditions and scope of main experimental parameters

2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和誤差分析

2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

含納米油制冷劑的干度是關(guān)鍵性參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中需要控制測(cè)試段的進(jìn)出口干度。測(cè)試段進(jìn)、出口的R600a/納米冷凍機(jī)油混合物的比焓可表示為

式中，h為比焓，kJ·kg-1；w為混合物中制冷劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x為干度；下角標(biāo)in和out分別表示測(cè)試段的進(jìn)、出口；下角標(biāo)r、NRO、V和L則分別表示制冷劑、納米冷凍機(jī)油、氣相和液相。

根據(jù)預(yù)熱器和測(cè)試段的熱平衡，測(cè)試段進(jìn)、出口的R600a/納米冷凍機(jī)油混合物的比焓可表示為

式中，hr,NRO,f為R600a/納米冷凍機(jī)油混合物經(jīng)過(guò)流量計(jì)時(shí)的焓值，kJ·kg-1，由NIST REFPROP8.0求出；Qpre為預(yù)熱段上的總加熱量，W；Qtext為測(cè)試段上的總加熱量，W；為納米冷凍機(jī)油流量，kg·s-1；為制冷劑流量，kg·s-1；由式(3)和式(4)求出hr,NRO,in和hr,NRO,out，并代入式(1)和式(2)中即可求出xin和xout。測(cè)試段的平均干度取兩者的算術(shù)平均值。

含納米油制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)可由式(5)導(dǎo)出

式中，Tin為測(cè)試段管內(nèi)壁的平均溫度，℃；Tr,sat為測(cè)試段內(nèi)流動(dòng)的含油制冷劑的飽和溫度，℃；q為實(shí)驗(yàn)管壁的熱通量，可由式(6)計(jì)算得出

式中，Qtest為測(cè)試段上的總加熱量，W；A為測(cè)試段的有效加熱區(qū)域的內(nèi)壁面積，m2。

由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試段的管壁較薄，約為0.76 mm，故近似認(rèn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)試段管壁內(nèi)部的導(dǎo)熱過(guò)程為沿半徑方向的一維導(dǎo)熱。同時(shí)測(cè)試段外壁面保溫性能優(yōu)異，可認(rèn)為是絕熱邊界條件。故內(nèi)壁面的平均溫度可由式(7)一維導(dǎo)熱方程得出

式中，do和di分別為測(cè)試段圓管的外徑和內(nèi)徑，mm；λ為圓管材料紫銅的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；L為測(cè)試段的有效加熱長(zhǎng)度，m；Tout為圓管外壁的平均溫度，由于測(cè)試段的溫度測(cè)點(diǎn)布置比較均勻，故取Tout為5個(gè)斷面（圖2）所有20個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的算術(shù)平均值

2.2測(cè)量參數(shù)的誤差分析

本文實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誤差主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一是預(yù)熱段和測(cè)試段的漏熱引起的誤差；二是測(cè)量?jī)x表引起的誤差。針對(duì)第一類(lèi)誤差，主要采用對(duì)預(yù)熱器和測(cè)試段進(jìn)行標(biāo)定和熱平衡實(shí)驗(yàn)，以扣除這部分誤差。而對(duì)于第二類(lèi)誤差，則采用 Gungor等[16]提出的誤差傳遞分析方法，計(jì)算傳熱系數(shù)的相對(duì)誤差，分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。傳熱系數(shù)的相對(duì)誤差傳遞方程為

在沸騰換熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)熱量工況最大時(shí)，圓管內(nèi)壁與混合物的換熱溫差為2.9℃，此時(shí)沸騰傳熱系數(shù)的最大相對(duì)誤差最大，為5.42%。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1含油R600a的沸騰傳熱系數(shù)

圖3（a）～（d）分別是質(zhì)量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，純R600a和R600a/冷凍機(jī)油混合物在水平光滑圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨干度的變化趨勢(shì)。由圖可知，隨著干度的升高，R600a的沸騰傳熱系數(shù)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。當(dāng)入口干度到達(dá)0.7左右時(shí)，R600a的沸騰傳熱系數(shù)達(dá)到最大。當(dāng)入口干度達(dá)到0.8左右時(shí)傳熱系數(shù)開(kāi)始下降。此外，隨著質(zhì)量流速的升高，R600a的傳熱系數(shù)也逐漸提高。添加冷凍機(jī)油后R600a的沸騰傳熱系數(shù)在低干度下有一定的提高，而整體的變化規(guī)律與純 R600a相同。Akhavan-Behabadi[12]和Wen等[17]對(duì)純R600a在不同管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，也得到了相近的結(jié)果。

圖3　R600a/3GS流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨干度的變化Fig.3　Flow boiling heat transfer coefficient of R600a/3GS mixture versus vapor quality

3.2含納米油R600a的沸騰傳熱系數(shù)

圖4（a）～（d）分別是質(zhì)量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米石墨冷凍機(jī)油和R600a混合物在水平光滑圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨干度的變化趨勢(shì)。添加納米石墨粒子后，3GS/R600a混合物在管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)明顯增大。在低干度下（＜0.3），納米粒子的作用效果比較明顯，主要是由于納米粒子的添加，會(huì)明顯降低基液的表面張力[18]，使加熱表面的汽化核心處產(chǎn)生的氣泡變小，同時(shí)氣泡的數(shù)量變多，增強(qiáng)加熱表面的擾動(dòng)，最終引起沸騰傳熱系數(shù)的升高。

3.3納米油對(duì)流動(dòng)沸騰換熱的影響

為了定量分析納米粒子的添加對(duì)含油制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性的影響，將含納米油制冷劑與含油制冷劑沸騰傳熱系數(shù)的比值定義為強(qiáng)化因子EFHT

式中，α為管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；下角標(biāo)r,NRO和r,RO分別為R600a/納米冷凍機(jī)油混合物和R600a/冷凍機(jī)油混合物。

圖5（a）～（d）分別是質(zhì)量流速為150、200、250、300 kg·m-2·s-1工況下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米石墨粒子對(duì) R600a/納米冷凍機(jī)油混合物沸騰傳熱系數(shù)的強(qiáng)化因子隨干度的變化規(guī)律。在 150 kg·m-2·s-1下，換熱強(qiáng)化因子在1.026～1.19之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數(shù)的平均強(qiáng)化率分別為3.8%、11.6%和15.8%。在200 kg·m-2·s-1下，換熱強(qiáng)化因子在1.008～1.132之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數(shù)的平均強(qiáng)化率分別為2.4%、6.4%和8.4%。在250 kg·m-2·s-1下，換熱強(qiáng)化因子在1.012～1.153之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數(shù)的平均強(qiáng)化率分別為3.6%、7.2%和9.9%。在300 kg·m-2·s-1下，換熱強(qiáng)化因子在1.044～1.128之間，添加0.05%、0.1%和0.2%的納米粒子后，傳熱系數(shù)的平均強(qiáng)化率分別為 5.8%、8.9%和9.3%。

圖4　R600a/納米石墨冷凍機(jī)油混合物流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨干度的變化Fig.4　Flow boiling heat transfer coefficient of R600a/nano-refrigeration-oil mixture versus vapor quality

圖5　納米粒子對(duì)含油制冷劑流動(dòng)沸騰換熱的強(qiáng)化因子Fig. 5　Coefficient of nanoparticles on flow boiling heat transfer of R600a/refrigeration-oil mixture

從圖5可以看出，在相同的質(zhì)量流速下，隨著納米粒子濃度的提高，沸騰換熱強(qiáng)化率不斷升高，而隨著質(zhì)量流速的上升，納米粒子的強(qiáng)化效果有一定的減弱。在低干度下，由于納米石墨粒子的添加，減小了含油制冷劑的表面張力，使其在管內(nèi)流動(dòng)沸騰時(shí)，氣泡變小，有利于強(qiáng)化換熱性能。另外，納米制冷劑管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，在固體壁面形成納米尺度多孔質(zhì)層，納米顆粒表面產(chǎn)生了流體分子吸附層，同時(shí)納米顆粒對(duì)黏性底層擾亂而減小邊界層厚度等，這些因素都會(huì)使換熱增強(qiáng)[19]。而當(dāng)干度提高時(shí)，含油制冷劑本身的流型發(fā)生變化，形成霧狀流，因表面張力的變化帶來(lái)的影響變小，納米流體強(qiáng)化傳熱的效果只體現(xiàn)在熱導(dǎo)率的提高上，所以強(qiáng)化程度有所減弱。

4　含油納米制冷劑流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式

目前，關(guān)于納米冷凍機(jī)油/制冷劑的流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式還未見(jiàn)報(bào)道。本文在Gungor-Winterton關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)納米粒子的綜合影響因子ξnp，可描述納米冷凍機(jī)油/R600a流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為

式中，hsp,NRO和hnb,NRO分別為R600a/納米冷凍機(jī)油混合物的對(duì)流沸騰傳熱系數(shù)和核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)；E和S分別為對(duì)流沸騰和核態(tài)沸騰的影響因子，可表示為

式中，Bo和Xtt分別為沸騰數(shù)和Lochhart-Martinelli數(shù)[20]；量綱1參數(shù)Rer,NRO可由式(14)表示

式中，d為測(cè)試段圓管的直徑；G為混合物的質(zhì)量流速，kg·m-2·s-1；μr,NRO為混合物的黏度。

ξnp的具體形式如下

式中，φn為納米粒子的體積分?jǐn)?shù)；G0為制冷劑的質(zhì)量流速，kg·m-2·s-1；a、b、c為擬合參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的混合物流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)采用非線(xiàn)性最小二乘法擬合得到，3個(gè)系數(shù)分別為 86.7、12.5 和59.4。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果后表明，94.5%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值偏差在±15%以?xún)?nèi)，平均偏差7.17%。因此認(rèn)為該關(guān)聯(lián)式可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)納米冷凍機(jī)油/R600a混合物流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)。

5　結(jié)　論

（1）測(cè)得了純R600a、R600a/冷凍機(jī)油和不同濃度的納米石墨冷凍機(jī)油與R600a混合物在水平光滑圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)。結(jié)果表明：R600a/冷凍機(jī)油混合物的沸騰傳熱系數(shù)略大于R600a的沸騰傳熱系數(shù)，兩者都隨著干度的升高先升高后下降，且在相同干度下隨著質(zhì)量流速的升高而升高。添加納米石墨粒子后，管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)明顯增大，在實(shí)驗(yàn)工況下，添加0.2%納米冷凍機(jī)油的混合物流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)最大可提高19%。

（2）實(shí)驗(yàn)工況下，納米顆粒影響因子EF=1.008～1.19，當(dāng)質(zhì)量流速為150 kg·m-2·s-1、添加的納米石墨粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，傳熱系數(shù)的平均強(qiáng)化率最大，為15.8%。

（3）提出了基于含納米油制冷劑的混合物性和納米粒子綜合影響因子的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，用于定量描述相變流體流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)，誤差在±15%以?xún)?nèi)。

References

[1] Wu J M, Zhao Jiyun. A review of nanofluid heat transfer and critical heat flux enhancement—research gap to engineering application [J]. Progress in Nuclear Energy, 2013, 66: 13-24.

[2] Pankaj Sharma, Il-Hyun Baek, Taehyun Cho, et al. Enhancement of thermal conductivity of ethylene glycol based silver nanofluids [J]. Powder Technology, 2011, 208(1): 7-19.

[3] Yu Wei, Xie Huaqing, Chen Lifei, et al. Investigation of thermal conductivity and viscosity of ethylene glycol based ZnO nanofluid [J]. Thermochimica Acta, 2009, 491(1/2): 92-96.

[4] Yu Wei, Xie Huaqing, Li Yang, et al. Experimental investigation on thermal conductivity and viscosity of aluminum nitride nanofluid [J]. Particuology, 2011, 9: 187-191.

[5] Meng Zhaoguo, Wu Daxiong, Wang Liangang, et al. Carbon nanotube glycol nanofluids: photo-thermal properties, thermal conductivities and rheological behavior [J]. Particuology, 2012, 10:614-618.

[6] Ali Celen, Alican ?ebi, Melih Aktas, et al. A review of nanorefrigerants: flow characteristics and applications [J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 44: 125-140.

[7] Mahbubul I M, Fadhilah S A, Saidur R, et al. Thermophysical properties and heat transfer performance of Al2O3/R134a nanorefrigerants [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 57(1): 100-108.

[8] Sun Bin, Di Yang. Flow boiling heat transfer characteristics of nano-refrigerants in a horizontal tube [J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 38: 206-214.

[9] Mahbubul I M, Saidura R, Amalina M A. Heat transfer and pressure drop characteristics of Al2O3-R141b nanorefrigerant in horizontal smooth circular tube [J]. Procedia Engineering, 2013, 56: 323-329.

[10] SohelMurshed S M, Nieto de Castro C A, Louren?o M J V, Lopes M L M, Santos F J V. A review of boiling and convective heat transfer with nanofluids [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(5): 2342-2354.

[11] Wen Dongsheng, Lin Guiping, Saeid Vafaei, Zhang Kai. Review of nanofluids for heat transfer applications [J]. Particuology, 2009, 7(2): 141-150.

[12] Akhavan-Behabadi M A, Nasr M, Baqeri S. Experimental investigation of flow boiling heat transfer of R600a/oil/CuO in a plain horizontal tube [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 58: 105-111.

[13] Henderson K, Park Y G, Liu L, et al. Flow boiling heat transfer of R134a-based nanofluids in a horizontal tube [J]. Int. J. Heat Mass. Transfer, 2010, 53: 944-951.

[14] Peng H, Ding D, Jiang W, et al. Heat transfer characteristics of refrigerant-based nanofluid flow boiling inside a horizontal smooth tube [J]. Int. J. Refrigeration, 2009, 32: 1259-1270.

[15] Lou Jiangfeng(婁江峰), Zhang Hua (張華), Wang Ruixiang(王瑞祥), Li Meng(李萌). Effect of particle morphology and concentration on density and viscosity of graphite nanolubricant [J]. CIESC Journal(化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(10): 3846-3851.

[16] Gungor K E, Winterton R H S. A general correlation for flow blowing in tubs and annuli [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1986, 29(3): 351-358.

[17] Wen Maoyu, Jang Kuangjang, Ho Chingyen. The characteristics of boiling heat transfer and pressure drop of R-600a in a circular tube with porous inserts [J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 64(1/2): 348-357.

[18] Chen Ruey-Hung, Phuoc Tran X, Martello Donald. Surface tension of evaporating nanofluid droplets [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, 54(11/12): 2459-2466.

[19] Peng H, Ding D, Jiang W, et al. Heat transfer characteristics of nanorefrigerant flow boiling inside tube [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China)(化工學(xué)報(bào)), 2008,59(S2): 70-75.

[20] Bennett D L, Chen J C. Forced convextive boiling in vertical tubs for saturated pure components and binary mixtures [J]. AIChE Journal, 1980, 26: 454-461.

Effect of graphite nanolubricant on R600a flow boiling heat transfer

CHEN Mengxun1, ZHANG Hua1, LOU Jiangfeng2
(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2Zhejiang DUN’AN Artificial Environmental Equipment Co., Ltd., Zhuji 311835, Zhejiang, China)

A test rig with a horizontal smooth tube was built to measure flow boiling heat transfer of nanolubricant/refrigerant. The experimental study on heat transfer characteristics of graphite-nanorefrigerant flow boiling inside a horizontal smooth copper tube, with total length of 2.5 m, outside diameter of 9.52 mm, inside diameter of 8 mm and wall thickness of 0.76 mm was performed. Influence of graphite on flow boiling heat transfer characteristics of nanorefrigerant/oil mixture was investigated. There were three kinds of fluid under experiment：R600a, R600a/oil and graphite nanorefrigerant/oil with different graphite mass fractions (0.05%, 0.1% and 0.2%). Flow boiling heat transfer coefficients of these fluid versus vapor quality were measured respectively in a horizontal smooth tube under the mass flow density of 150, 200, 250, 300 kg·m-2·s-1. The results indicated that the presence of graphite enhanced the flow boiling heat transfer. A correlation for predicting the flow boiling heat transfer coefficient of nanorefrigerant/oil mixture with graphite was proposed and it agreed with 94.5% of the experimental data within a deviation of ±15%.

nanoparticles；heat transfer；measurement；heat transfer coefficient；prediction；correlation

date: 2015-06-01.

Prof. ZHANG Hua，Zhanghua3000@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51176124) and the Shanghai Leading Academic Discipline Project($30503).

10.11949/j.issn.0438-1157.20150761

TB 61+2; TB 383

A

0438—1157（2015）11—4394—07

2015-06-01收到初稿，2015-08-03收到修改稿。

聯(lián)系人：張華。第一作者：陳夢(mèng)尋（1992—），女，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51176124)；上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目($30503)。