張定才, 黃軍亞, 梁 冰, 冀文濤, 鄭惠敏, 王長通

(1.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院, 河南 鄭州 450007; 2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西 西安 710049; 3.中原工學(xué)院 圖書館, 河南 鄭州 450007; 4.中原工學(xué)院 學(xué)報(bào)編輯部, 河南 鄭州 450007)

制冷劑替代是目前面臨的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。為了替代有危害的HFCs(氫氟烴)制冷劑,人們開始選擇那些ODP(消耗臭氧潛能值)為零的制冷工質(zhì)來減少對(duì)臭氧層的破壞。此前,國內(nèi)外許多研究者對(duì)不同制冷劑的換熱性質(zhì)進(jìn)行了研究[1]。Fernandez等研究了Cu/Ni Turbo-C管混合制冷劑R417A、R422A和R422D等替代R22的管外凝結(jié)傳熱特性[2]。Zhao等對(duì)R134a和R404A在具有二維和三維翅片結(jié)構(gòu)的單水平增強(qiáng)管外的凝結(jié)傳熱的研究表明,在增強(qiáng)低導(dǎo)熱管的冷凝傳熱方面,三維翅片表面比二維翅片表面更合適[3]。Ji等在飽和溫度為36 ℃的條件下,研究了R134a、R1234ze(E)和R1233zd(E)在三維增強(qiáng)管上的冷凝傳熱特性[4]。Li等研究了R410A在光滑管、人字管等增強(qiáng)管外的兩相傳熱問題,并對(duì)光滑管外冷凝傳熱的努賽爾方程進(jìn)行了改進(jìn)[5]。Mostafa等通過實(shí)驗(yàn),分析了R134a在水平光滑管和翅片增強(qiáng)管上的冷凝液淹沒對(duì)冷凝傳熱的影響[6]。Kumar等在40 °C的飽和溫度下,對(duì)R134a的流動(dòng)冷凝過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,比較了光滑管和強(qiáng)化管下的平均傳熱系數(shù)和壓降[7]。張定才等對(duì)R417A與R22的凝結(jié)換熱特性進(jìn)行比較,并分析了R134a/R125混合工質(zhì)水平管外的凝結(jié)換熱特性[8-9]。

通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外對(duì)不同制冷劑在同一管外的對(duì)比研究還不夠充分。本文在40 ℃工況下,針對(duì)R134a、R134a/R125(其中R125占比分別為6%、12%、18%)、R417A(R134a、R125、R600濃度分別為50%、46.6%、3.4%)幾種不同的制冷劑,進(jìn)行光管與強(qiáng)化管外部的凝結(jié)換熱試驗(yàn),分析對(duì)比它們的換熱特性,并用Wilson熱阻分離法從總傳熱熱阻中分離出管外凝結(jié)換熱系數(shù),以進(jìn)一步充實(shí)制冷劑管外凝結(jié)傳熱的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在相變傳熱試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,其原理可參考文獻(xiàn)[8-9]。將制冷劑在蒸發(fā)筒內(nèi)加熱至沸騰,使蒸汽進(jìn)入冷凝筒,被冷凝后再流入蒸發(fā)筒。采用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量筒內(nèi)制冷劑溫度和冷卻水加熱水的溫度。

本文對(duì)光管和C33強(qiáng)化管進(jìn)行了試驗(yàn)。該強(qiáng)化管為三維強(qiáng)化管(見圖1)。試驗(yàn)用管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)中選取長度為1 500 mm的光管和強(qiáng)化管,并將它們放在水平的冷凝筒內(nèi)。

表1 試驗(yàn)用管的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 C33強(qiáng)化管剖面

2 數(shù)據(jù)處理

總傳熱系數(shù)按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

針對(duì)光管計(jì)算時(shí),其內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)根據(jù)Gnielinski[10]公式來計(jì)算。

針對(duì)強(qiáng)化管計(jì)算時(shí),選定管的外表面面積后,管外凝結(jié)換熱系數(shù)采用Wilson熱阻分離法從總傳熱熱阻中分離出來,如式(2)所示。

(2)

采用“二次冪法”[11-12]進(jìn)行分析,得到的總傳熱系數(shù)不確定度為4.3%,凝結(jié)換熱系數(shù)的不確定度為13.2%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證

Nusselt理論解是驗(yàn)證管外凝結(jié)換熱的可靠關(guān)系式。可將R134a作為試驗(yàn)對(duì)象,利用光管在40 ℃工況下進(jìn)行凝結(jié)換熱試驗(yàn),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與Nusselt值繪制圖2,進(jìn)行比較。

圖2 光管理論解與試驗(yàn)結(jié)果的比較

在本文的測(cè)試范圍內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果稍大于理論解,大了5%左右,最大偏差未超過10%,且試驗(yàn)結(jié)果與理論解的變化趨勢(shì)是一致的。因此,可認(rèn)為試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試結(jié)果是可靠的。

3.2 R125濃度對(duì)光管外凝結(jié)換熱的影響分析

針對(duì)光管進(jìn)行的凝結(jié)換熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 光管的凝結(jié)換熱系數(shù)

從圖3可以看出:隨R125濃度的增大,光管外表面凝結(jié)換熱系數(shù)呈逐步下降的趨勢(shì);在熱流密度為25 kW/m2時(shí),含6%、12%、18%R125的R134a混合工質(zhì)的表面換熱系數(shù)分別為R134a的91.1%、87.5%、79.8%;當(dāng)逐漸增大熱流密度時(shí),其管外凝結(jié)換熱系數(shù)是逐漸減小的。值得注意的是,隨著熱流密度的增加,管外凝結(jié)換熱系數(shù)隨R125濃度增加而下降的幅度呈減小趨勢(shì)。

3.3 R125濃度對(duì)強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱的影響分析

對(duì)于強(qiáng)化管C33,管外凝結(jié)換熱系數(shù)隨R125濃度的增大呈下降的趨勢(shì)(見圖4),與光管較為相似,在熱流密度為25 kW/m2時(shí),含6%、12%、18%R125的R134a混合工質(zhì)的表面換熱系數(shù)分別為純R134a的44.4%、32.9%、28.1%。與光管不同的是,對(duì)于強(qiáng)化管除R134a外,含R125的R134a混合工質(zhì)的管外凝結(jié)換熱系數(shù)隨熱流密度的增大而增大。這是因?yàn)闊崃髅芏容^低時(shí),沸點(diǎn)較低的成分尚未開始凝結(jié)或凝結(jié)速率較低,其聚集在管表面,在一定程度上起著不凝性氣體的作用,隨著熱流密度的增大,壁面溫差增大,低沸點(diǎn)成分凝結(jié)速率也隨之增大,從而使凝結(jié)換熱系數(shù)增大。

圖4 C33強(qiáng)化管的凝結(jié)換熱系數(shù)

3.4 光管與強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱的比較

綜合圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn),強(qiáng)化管C33凝結(jié)換熱系數(shù)始終高于光管,這是因?yàn)楣夤鼙砻婕永咛幚砗竽軌虺浞掷帽砻鎻埩?使肋頂處液膜變薄,于是表面?zhèn)鳠岬臒嶙栾@著降低。當(dāng)熱流密度為25 kW/m2時(shí),R134a及含6%、12%、18% R125的R134a混合物在強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱系數(shù)分別是相同熱流密度下光管的15.27倍、7.45倍、5.74倍、5.38倍,而強(qiáng)化管R417A管外凝結(jié)換熱系數(shù)相對(duì)于光管的強(qiáng)化倍率為6.69。

分析可知,相同管型的凝結(jié)換熱系數(shù)呈現(xiàn)出:一元工質(zhì)大于二元工質(zhì),而二元工質(zhì)大于含46.6%R125的三元工質(zhì)。R134a管外凝結(jié)換熱熱阻僅為凝結(jié)液膜熱阻,而二元混合工質(zhì)及R417在換熱過程中不僅會(huì)產(chǎn)生冷凝液膜熱阻,還會(huì)帶來蒸汽擴(kuò)散熱阻,導(dǎo)致了其管外凝結(jié)換熱熱阻大于R134a的結(jié)果。

4 結(jié)論

對(duì)制冷劑R134a、R134a/R125二元混合物以及R417A在光管和強(qiáng)化管外的凝結(jié)換熱試驗(yàn)研究表明:

(1) 隨著熱流密度的增大,凝結(jié)液膜會(huì)增厚,導(dǎo)致光管外凝結(jié)換熱系數(shù)減小;在強(qiáng)化管外,受混合物擴(kuò)散熱阻的影響,其凝結(jié)換熱系數(shù)隨熱流密度的增大而增大。含有不同比例R125的混合物管外凝結(jié)換熱系數(shù)均小于R134a,表明純工質(zhì)的凝結(jié)換熱性能好于混合物。

(2) 強(qiáng)化表面可以增強(qiáng)凝結(jié)換熱性能,其管外凝結(jié)換熱系數(shù)均高于光管,當(dāng)熱流密度為25 kW/m2時(shí),R134凝結(jié)換熱系數(shù)強(qiáng)化倍率為15.27;R134a/R125在R125占比分別為6%、12%、18%時(shí),在強(qiáng)化管外的凝結(jié)換熱系數(shù)分別是光管的7.45倍、5.74倍、5.38倍,R417A在強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱系數(shù)相對(duì)于光管的強(qiáng)化倍率為6.69。

(3) 制冷劑管外凝結(jié)換熱系數(shù)表現(xiàn)出純工質(zhì)高于二元混合物,而二元混合物又高于三元工質(zhì)的特點(diǎn)。