制冷剂二氧化碳流动沸腾过程换热性能分析

1、文章编号 : 1005 0329(2004 01 0041 05制冷空调制冷剂二氧化碳流动沸腾过程换热性能分析马一太 , 杨俊兰 , 卢 苇 , 管海清(天津大学 , 天津 300072摘 要 : 制冷剂 C O 2在蒸发器内的流动换热性能受许多因素的影响 , 比如 :质量流速 、 热流密度以及蒸发温度等参数 。 由于 C O 2特殊的热物性和传输性 , 使得其蒸发换热和两相流特点有别于传统制冷剂 。 这也决定了其蒸发换热管适合设 计成小管径 , 而蒸发器的型式以紧凑型为发展方向 。关键词 : 制冷剂 ; 二氧化碳 ; 沸腾换热 ; 干涸现象 ; 蒸发器中图分类号 : T B64 文献标识码

2、: AAnalysis of Flow Boiling H eat T ransfer Perform ance of R efrigerant C arbon DioxideM A Y i 2tai ,Y ANGJun 2lan , LU Wei , G UAN Hai 2qing(T ianjin University ,T ianjin 300072,China Abstract : The boiling heat trans fer performance of refrigerant carbon dioxide in evaporators is in fluenced by m

3、any factors ,such as the mass flux ,heat flux and evaporation temperature ,etc. . Because of its special therm o -physical and transport properties ,the heat trans fer and tw o -phase flow characteristics are very different from conventional refrierants. The evaporating heat trans fer tube of carbon

4、 dioxide is suitable to use small diameter. Therefore ,developing compact evaporator is very competitive.K ey w ords : refrigerant ;carbon dioxide ;boiling heat trans fer ;dry 2out ;evaporator符 号D 水力直径E 加强因子G 质量流量g 重力加速度k 导热系数h 两相流换热系数 S 抑制因子 密度 表面张力i 剪切力 液膜厚度x 干度 动力粘度Pr 普朗特数Re 雷诺数下 标l 液相v 气相i 入口o 出

5、口pro 干涸前post 干涸后pool 池沸腾1 前言近几十年 , 对 C O 2跨临界制冷循环的研究主收稿日期 : 2003 04 01基金项目 : 高等学校博士学科点专项科研基金项目 (D0200105 142004年第 32卷第 1期 流 体 机 械 要针对汽车空调 、 热泵热水器以及干燥器等的应 用展开 。 但多数针对系统而很少针对部件的优化 设计 ; 对 C O 2流动和换热性能的研究还不成熟 , 没 有通用的经验关联式 , 部分流动和换热的机理尚 不明了 1。作为 C O 2跨临界循环系统的换热器 , 其重量 和体积在整个系统中占有很大的比重 , 其传热效 果的优劣影响着整个系统

6、的性能 。因此 , 对换热 器的优化设计十分重要 ; 对换热器内的传热过程 进行研究 , 得出有使用价值的关联式 , 将为换热器 的进一步设计提供依据 , 对今后 C O 2的推广应用 、 设计最优化的蒸发器很有意义 。2 C O 2蒸发换热过程分析C O 2跨临界循环过程如图 1所示 。从图 1可 看出 , 蒸发吸热过程与传统蒸汽压缩式制冷循环 一样 , 处于两相区 , 蒸发温度低于临界温度 , 换热 过程主要依靠潜热来完成 。 但是典型的 C O 2蒸发 器的工作压力处于 2. 06. 0MPa 之间 (饱和温度 在 -2020 之间 , 该压力是传统制冷剂压力的 10倍左右 , 因此 C

7、 O 2的蒸发流动特性和最佳质量 流量 , 以及压力降与传统制冷剂有很大的不同 2 。图 1 C O 2跨临界循环过程 T S 图由于 C O 2特殊的热物性和传输性 , 使得其蒸 发换热和两相流特点有别于传统制冷剂 。 表 1列 出了在不同蒸发温度下 , C O 2与其它制冷剂的参 数比较 。 主要表现为 :表 1 不同蒸发温度下 , C O 2与其它制冷剂的参数比较制冷剂 C O 2(R 2744 R22R134a饱和温度 ( -10010-10010-10010饱和压力 (MPa 2164931485415020135401497201680301200701293014148表面张力

8、(103N/m 6. 1514. 452. 713. 2711. 7410. 2513. 0311. 5710. 15饱和气体密度 (kg/m 3 71. 1897. 65135. 215. 321. 2128. 810. 114. 5320. 37饱和液体密度 (kg/m 3 982. 9927. 4861. 1131812851250132712951261密度比率 (液 /气 8. 9489. 4986. 37186. 1560. 5843. 41131. 489. 1761. 92饱和气体粘度 106kg/(m s 13. 1314. 7416. 011. 5812. 0712. 58

9、10. 510. 9511. 42饱和液体粘度 106kg/(m s 123. 8104. 586. 42205. 6190. 4181. 0371. 1300. 6294. 2饱和气体比热 k J/(kg K 1. 491. 8252. 4570. 6850. 7230. 7660. 8570. 9030. 955饱和液体比热 k J/(kg K 2. 3062. 5392. 9861. 1331. 161. 1871. 2681. 3081. 346饱和气导热系数 103W/(m K 17. 3219. 6622. 899. 1539. 89510. 6811. 1212. 1113. 0

10、9饱和液导热系数 103W/(m K 123. 7111. 598. 72105. 0100. 195. 15104. 199. 4294. 78潜热 (k J/kg 258. 6230. 9197. 1213. 1205. 4197. 0204. 6197. 4189. 6分子量 44. 0186. 48102临界温度 ( 30. 9896. 02101临界压力 (MPa 713774197641059 (1 较高的饱和压力 , 较低的表面张力 , 而高 压和低表面张力对沸腾换热特点有很大的影响 ; (2 蒸气密度比传统制冷剂高 , 饱和液体和饱 和气体的密度比率远低于传统制冷剂 , 更有利

11、于 两相流介质在蒸发器中均匀分布 ;(3 C O 2的饱和液体粘度相对较小 , 比热较 高 , 这样可减少制冷剂在系统中的流动阻力 , 以及 制冷剂的充注量 ;(4 C O 2的导热系数大 , 可提高蒸发器的传热 系数 , 减少传热面积 , 使系统更加紧凑 。总之 , 由于 C O 2独特的热物性 , 对其蒸发换热 性能的影响也很特别 。3 影响 C O 2在管内沸腾换热的因素C O 2在管内流动沸腾换热受许多因素的影 响 。 从许多文献的研究情况来看 , 彼此间存在很 大的差异 , 如 :管径管长不同 ; 饱和温度 、 质量流 速 、 热流密度 、 干度等参数的范围不同 ; 干涸出现 的范围

12、不同 ; 加热的方式不同 ; 换热系数与关联式24 F LUI D M ACHI NERY Vol 132,No 11,2004的偏差不同等 317。有些文献除对 C O 2的换热 性能进行研究外 , 还研究了干涸现象 ,C O 2流动沸 腾可能出现的流型 , 以及主要流型存在的机理 。 311 质量流速对换热的影响制冷剂管内沸腾换热系数除与液体的物性 、表面粗糙度 、 液体对传热面的润湿能力等有关外 , 还与质量流速 、 热流密度 、 蒸发温度 、 管径 、 管长以 及流动方向等因素有关 。在不同的实验条件下 , 出现不同的传热机理 。 表 2列出了有关文献中的 实验参数范围 。表 2 不同

13、文献中 C O 2蒸发换热实验参数范围实验条件管向 管径 (mm 管长 (m 质量流速kg/(m 2 s 热流密度 (kW/m 2蒸发温度( 干度Hihara E 6水平1. 003601440936150. 10. 9Pettersen J 等 5水平 0. 79200600520020Sun Z 等 8水平 4. 5721. 350016701050-21000. 95Y un R 等 10水平 2. 050035707485. 10Y un R 等10水平 0. 98100020002040010Pettersen J12水平 0. 80. 51905705200250. 20. 8Ch

14、oi J B 等 13垂直4. 551. 93006002060-510 当 C O 2在管内流动沸腾时 , 在发生干涸之前 , 质量流速对换热性能的影响很小 , 即使在质量流 速非常大时 , 核沸腾也明显占主导地位 , 而对流换 热的作用不大 。当发生干涸现象后 , 换热系数开 始下降 , 质量流速越高 , 这种下降趋势出现得越 早 5,6。 这是由于当 C O 2质量流速越高 , 液膜越 易被撕掉 , 并从壁面蒸发消失 , 壁面失去液体冷 却 , 壁温升高 , 传热能力下降 。 文献 6、 7中指出 , 出现干涸时的干度受质量流速的影响很大 , 随质 量流速的增大临界干度降低 。 为了避免

15、干涸现象 发生 ,C O 2蒸发器可按低质量流速来设计 。但由于 C O 2独特的热物性 , 当质量流速和蒸 发温度较高时 , 有可能在中等干度区就出现干涸 现象 , 而其它制冷剂在较高的干度区才发生干涸 。 这是由于 C O 2较低的表面张力 , 较小的液体粘度 , 当质量流速很高时 , 介质冲击力很强 , 较厚的液膜 也会被撕破脱落 , 形成液滴 , 被夹带进入气流中 。 被夹带的液滴 , 由于惯性作用 , 又会返回液面 , 形 成沉降 。 Z. Sun 等人的研究表明 :CO 2沸腾换热最 主要的机理就是液滴夹带和沉降 7。312 热流密度对换热的影响C O 2不论是在水平管内 , 还是

16、在竖直管内沸腾换热时 , 热流密度对其换热性能的影响都很大 。 一般来说 , 在低中干度区 , 随着热流密度的增加 , 换热性能被增强 。当热流增大到一定值 , 发生干 涸现象 , 换热系数突然下降 。这是由于液膜从壁 面消失 , 金属壁面呈蒸干状态 , 导致干涸现象发生的缘故 。 文献 13也表明 , 当饱和温度 (0 和质 量流速 (500kg/m 2 s 一定时 , 换热系数随热流密度的增加而增加 , 并且在一定的热流密度下 , 换热系数随干度的增加先上升 , 当干度到达某一值时 , 换热系数突然下降 (参见图 2 。图 2 热流密度对换热的影响 13显然 , 在出现临界干度之前 , 换

17、热系数随热流密度的升高而增大 。这说明 , 核沸腾起了主要的 作用 。 而发生临界干度后 , 热流密度对换热系数 的影响很小 9, 10。 313 蒸发温度对换热的影响 在 C O 2跨临界循环系统中 , 蒸发温度对换热 性能的影响不容忽视 。当质量流速和热流一定 时 , 换热系数随蒸发温度的增大而增大 。蒸发温 度越大对换热的影响也越大 , 当蒸发温度为 0 时 , 换热系数变化不大 ; 而蒸发温度升高时 , 换热 系数的变化很剧烈 5。图 3给出了这种变化趋 势 。 在出现干涸前 , 随蒸发温度的升高 , 换热系数 增加 , 也表明核沸腾在较高饱和压力下变得更加 明显 。 当干度较大时 ,

18、 换热系数随蒸发温度的升 高出现下降趋势 , 这可能是由于蒸汽和液滴之间 传热恶化而引起的非平衡效应所引起的 12。342004年第 32卷第 1期 流 体 机 械 图 3 蒸发温度对换热的影响蒸发温度对干涸的出现起重要作用 。 蒸发温 度较高时 , 在较低干度时就出现干涸 。而对于制 冷剂 R22, 饱和温度对出现干涸的影响很小 。因 此 , 在较高的蒸发温度下 , 二氧化碳蒸发器的总换 热性能会受到影响 , 可能需要强化传热 6。 314 管径对换热的影响由于 C O 2跨临界制冷循环比传统制冷循环存 在较高的操作压力 , 密度较高 , 粘度很小 , 产生的 压降相对较低 , 所以蒸发器换

19、热管适合设计成小 管径 , 甚至微型化 。 从近几年的发展趋势来看 , 许 多文献都对 C O 2在微通道管内的蒸发换热进行了 研究 5,6,10,12,18,19。 文献 10还比较了 C O 2在直 径为 2. 0mm 和 0. 98mm 管内的换热情况 。 当管径 为 0. 98mm 时 , 与 2. 0mm 管径相比 , 换热系数在临 界干度附近的变化不是太剧烈 。 这可能是由于液 膜 、 蒸汽以及液滴之间的相互作用阻碍了干涸斑 点的形成 。 随着管径的增大 , 蒸发温度对临界干 度附近的换热影响比较明显 。 由于随着蒸发温度 的增加 , 气泡的形成会增多 , 导致在管壁上出现较 多的

20、干涸斑点 。C O 2在小管径通道中流动沸腾换热 , 可承受 较高的压力 。通常管径越小 , 承压能力越大 。但 管径也不能太小 , 因为当介质在特别微小的管内 沸腾流动时生成的边界层很薄 , 所产生的大量气 泡将会阻塞管道 , 加大阻力 , 影响流动换热 。 从目 前研究看 , 微通道管径通常在 0. 71. 0mm 左右 。4 换热关联式的发展从 C O 2的流动沸腾换热研究状况来看 , 换热 关联式各式各样 。 许多文献中实验所测的蒸发换 热系数与现有关系式推导出的换热系数有很大的 偏差 。 文献 10研究了出现干涸前和出现干涸后 两种情况 , 分别给出了换热关联式 (1 和 (5 。作

21、 者主要考虑了液滴夹带 、 表面张力 , 小管径的限制 等因素对换热的影响 。但是 , 由于临界干度的数 值不够准确 , 实验数据与关联式之间存在偏差 。出现干涸前 :h pro =0. 33N w 0. 15(N e 0. 02Eh l +We l 0. 11Sh pool (1 N w =Dg (l -v /1/2(考虑了小管径的限制 (2 Ne =i /(考虑了液滴夹带的影响 (3 We l =G 2D/l (4 出现干涸后 :h post =0. 268Dl(x +l(1-x 0. 2174×Pr l 1. 387N w 1. 751N e 0. 4011(5 另外 , 在设

22、计二氧化碳跨临界汽车空调系统 蒸发器时 20, 有的选用式 (6 计算 C O 2在管内的 蒸发换热系数 21。h =0. 018487Re l 0. 8X kf 0. 4k l /D (6 其中 X kf =h ly (x 0-x i /l (7 x m =(x 0-x i /2(8 Re l =G D/l (9 5 蒸发器的发展型式从 C O 2制冷系统换热器的发展趋势可以看 出 , 蒸发器的发展过程类似于冷却器 , 第一代为机 械扩管式管翅结构 , 第二代换热器由一些小直径 圆管组成 , 为解决耐压和小管径涨管加工困难等 问题 , 开发了第三代 “平行流” 微通道蒸发器 。采 用多个平板

23、组成传热管 , 平板被挤压出微通道管 , 管径在 0. 72mm 之间 。传热管插入垂直积液 管 , 折叠翅片安装在管中间 。图 4为蒸发器及其 积液管和传热微管的截面示意图 2 。图 4 蒸发器及其积液管和传热微管截面采用高流量密度小管径和微通道型换热器 , 既有利于提高换热系数 , 又可以承受较高的压力 。 挪威 、 德国 、 丹麦 、 日本的一些高等院校 、 研究机构 与工厂企业已经开发了各种 C O 2汽车空调用换热 器 , 大多是内径不到 1mm 的微型管式换热器 。6 结论影响 C O 2流动沸腾换热的因素很多 。 质量流 速 、 热流密度 、 蒸发温度等参数对换热的影响是相 辅相

24、成的 。 在低中干度区 , 质量流速和干度对换 热系数的影响不大 。在高干度区 , 随质量流速和 蒸发温度的增大 , 容易发生干涸现象 。在相同条 件下 ,C O 2发生干涸时的临界干度低于传统制冷 剂 。 所以在设计 C O 2紧凑式蒸发器时 , 可选择较 小的质量流速 , 既可以降低压降 ; 也可以避免过早 出现干涸现象 。另外 , C O 2沸腾换热性能还与管径 、 管长 、 流 动方向等因素有关 。 准确描述 C O 2蒸发器管内换 热的公式 , 以及调整现有的关系式使其与试验一 致的工作还有待深入研究 。 故应根据具体情况找 出最适合本身条件的换热性能和换热关联式 。 就 蒸发器的发

25、展型式来看 , “平行流” 微通道蒸发器 具有较高的性能 , 是今后的发展方向 。 另外 , 为了 降低高压介质对换热器的压力要求 ,U 型管式耐 高压换热器也具有发展潜力 。参考文献 :1 丁国良 1C O 2制冷技术新进展 J1制冷空调与电力 机械 ,2002,23(2 :12612 Pettersen J ,Hafner A ,Skaugen G 1Development of compact heat exchangers for C O 2air 2conditioning systems J1Int J. Refrig ,1998,21(3 :180219313 Bredesen

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37、ng Fluids at G uangzhou C 1China , September ,2002. 2532259.(下转第 28页 游喷嘴为直线型 后 ( 下游喷嘴为收缩 扩散型 冲蚀率的对比 。可见 , 改进后的最大冲蚀率大于 改进前的最大冲蚀率 , 而且改进后的最佳靶距小 于改进前的最佳靶距 。说明在振荡腔内诱发的空 泡经过收缩 扩散型下游喷嘴时 , 空泡长大得更 快 , 还可能诱发了新的空泡 。这就间接证明了理 论分析的结果 。 5 结论 通过以上对空化流通过收缩 扩散型喷嘴时 稳态解的分岔现象分析表明 : 即使是很小的入口 空隙率亦强烈地影响着流动特性 。当入口空隙率 等于临界值

38、 时 , 流动出现了分岔现象 , 在稳 s c 态解中展现出了两个完全不同的流动区域 ; 当 s < 时 , 流动是拟稳态的 , 空泡在喷嘴下游产生 c 大幅径向扰动 , 速度和压力也相应地扰动 ; 而当 > 时 , 流动变为拟非稳态流 , 在喷嘴下游空 s c 泡急剧增长 , 速度急剧上升 , 压力急剧下降 。这一 特性有利于增强收缩 扩散型喷嘴的空化效果 。 参考文献 : 1 Johnson V E , et al 1 Tunneling , Fracturing , Drilling and ( 上接第 45 页 18 Neksa P , Pettersen J . Heat

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