技术:小管径下R32和R290的沸腾压降和传热特性

国内外对小直径制冷剂R32和R290的压降和传热特性的研究主要是针对其中一种,缺乏对两种替代制冷剂的对比研究。通过搭建5mm小直径铜管水平单管沸腾传热实验平台,比较了R32和R290在不同干度和质量流量下的沸腾摩擦压降和传热特性。

1.沸腾传热实验

1.1台实验设备

设计了流动沸腾传热特性实验台,如图1所示。试验台包括两个循环回路:制冷剂循环回路和冷却水循环回路。

实验对象是一根总长为1 000 mm的5 mm内螺纹铜管,以及两层厚度为20mm、导热系数小于0。07w/(mk)铺设在试验段及其接头处。管螺纹接头采用多层原带密封,避免实验段散热对测试结果的影响。为避免入口效应对沸腾传热系数的影响,在距入口350 mm处设置测温截面,截面上每隔90设置一个热电偶,测量管外壁温度。三个温度测量部分以相等的间隔设置,如图2所示。

制冷剂循环回路的主要部件有储液罐、过滤器、柱塞计量泵、电磁流量计、冷凝器和过冷器。冷却水循环回路的主要设备有恒温水箱、循环水泵和旁通阀。在实验中,可以通过调节冷却水的流量和温度来控制饱和蒸发温度。

1.2数据处理

1.3误差分析

考虑到实验中使用的测量仪器存在测量误差,测量数据与真实数据存在差异,且不同的测量数据相互关联,测量仪器产生的误差相互叠加。因此采用Moffat [11]]方法对实验系统进行误差分析,具体计算结果如表1所示。

2.结果和分析

通过测量不同工况下R32和R290在5 mm内螺纹铜管中的沸腾摩擦压降和传热数据,绘制了不同工况下摩擦压降和沸腾传热系数随干度的变化曲线。沸腾传热实验的工况数据见表2。

2.1摩擦压降

如图3所示,干度为0的两种制冷剂的摩擦压降变化。当热流密度为25 kW/m 2,饱和蒸发温度为20,质量流量为100、200和300kg/(m2s)时,传热系数为10.9。从图3可以看出,随着质量流量的增加,两种制冷剂的摩擦压降显著增加。当干度为0时,质量流量从100kg/(m2s)增加到300kg/(m2s)时。5,R32和R290的摩擦压降增加了63。1%和39。分别为1%。分析表明,质量流量的增大导致气液两相速度差增大,形成较大的壁面剪应力和气液界面剪应力,流动波动性增强,沿程阻力损失增大,两者共同作用导致摩擦压降显著增大。

比较相同质量流量下R32和R290的摩擦压降,可以发现R290的摩擦压降为59。摩擦压降之差随着干燥度的增大而增大。主要原因是R290的气液两相密度只有41。2%和52。在实验条件下,R290的流量远大于R32的流量,摩擦压降与流量的平方成正比,导致两种制冷剂的摩擦压降差异明显。随着干燥度的增加,R290的气相速度远高于R32,气液界面剪切力的差异会越来越大,因此摩擦压降的差异会增大。

2.2沸腾传热系数

热通量为25 kW/m 2,饱和蒸发温度为20,质量流量分别为100、200和300 kg/(

可以发现,在0。1 ~ 0.6.根据陈[1]提出的沸腾传热机理,在中低干燥度区以核态沸腾传热为主,传热的强化主要依靠气泡的扰动和热边界层的分离。在相同的工作条件下,汽化潜热和表面张力较低的制冷剂会产生更多的汽化核心。在实验条件下,R290的表面张力接近R32,但其汽化潜热为22。比R32高8%。因此,R32产生的汽化核心数和气泡扰动比R290强,导致R32在中低干燥度区的沸腾传热系数明显高于R290。

在干燥度大于0的高倩地区,对流沸腾传热占主导地位。6,传热系数主要受气相速度和液相导热系数的影响。当饱和温度为20时,R290的气相密度为41。比R290低2%。在相同质量流量下,R290的气相速度高于R32。但考虑到R32在液相中的导热系数高于R290,其传热性能明显优于R290。以上因素的综合作用导致R32的沸腾传热系数略大于R290。

3.相关模型验证

由于现有关联式建立时制冷剂、实验条件、通道尺寸、管型存在差异,需要对现有模型进行进一步修正。

压降关联式基于Sun & Mishima [2]从18篇文献中收集了2 092个摩擦压降数据,包括12种实验工质。渠道的水力直径为0。069 5 ~ 6.22 mm,质量流量50 ~ 2000kg/(m2s),具有较强的适用性。但关联式并没有按照两相雷诺数Retp来划分气液流型,在选择相应的公式时也没有考虑流型的影响,因此预测值与实验值的平均相对偏差为-67。4%.在将模型乘以修正系数1之后。451,可以达到很好的预测效果。如图5( a)所示,89%以上的实验值与预测值的偏差在20%的误差带内,平均相对偏差仅为15。93%.

李[3]传热关联式是在陈[1]关联式的基础上,引入韦伯数We来反映管径的影响。考虑对流换热对核态沸腾的影响,在核态沸腾抑制因子s中引入了沸腾数Bo和两相雷诺数Re tp,但由于没有考虑管道内流型变化的影响,模型需要乘以修正系数0。879.如图5( b)所示,经过修正后,实验值与预测值的偏差有91%以上在20%误差带内,平均相对偏差仅为16。71%.

4.结论。

(1)随着质量流量的增加,R32和R290的摩擦压降显著增加,但R290的摩擦压降为59。摩擦压降差随着干燥度的增大而增大。

(2)在以核态沸腾传热为主的中低干度区,R32的沸腾传热系数明显高于R290,而在以对流沸腾传热为主的高倩区,R32的沸腾传热系数仅为9。比R290高8%,两者数值接近。

(3)通过修正孙-三岛的压降关联式和李的传热关联式,提高了关联式的精度,预测结果与实验结果吻合较好。压降和沸腾传热系数的平均相对偏差为15。93%和16。71%。

(4)在实验条件下,制冷剂R32的流动性能和传热性能优于R290。但考虑到R290优异的环保性能,在选择替代制冷剂时要综合考虑。

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