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技术:R717 在小管径内流动沸腾换热特性

2022-05-20 15:17:07


本文我们将搭建氨制冷剂管内流动沸腾换热及压降测试实验装置,对氨制冷剂在小管径水平光管内的流动沸腾换热及压降进行测试,分析干度、质量流速及热流密度对传热及压降特性的影响。

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氨(R717) 是一种天然制冷剂,它应用于大型工业制冷系统中已经超过一个世纪。氨具有极好的热物理性质和环境友好性,因此在小型制冷系统中的应用也引起了广泛关注。


但由于氨制冷剂存在一定的可燃性和毒性,减小其在制冷系统中的充注量极为重要。小管径换热管通常可以提供更高的表面传热系数,因此它的应用可以提升换热器的紧凑性,同时减少系统中制冷剂的充注量。


1 、实验装置


图 1 所示为实验系统原理。


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实验系统共包括 4 个循环:


制冷剂主循环


过冷器和冷凝器的冷却循环


预热器的加热循环


控制加热器的加热循环




(备注:具体实验步骤及设计在这里不做过多阐述,如有需要可在文后留言,留下您的联系方式,小编私下发您全文)


 


2、数据处理



2. 1 干度计算


预热器中的加热量计算:


 


2. 2 表面传热系数计算


局部表面传热系数:


2. 3 摩擦压降计算


2. 4 不确定度分析



由于测量仪器的限制、实验条件的影响、测量方法的问题,实验中不可避免会产生误差。不确定度是 指由于测量误差的存在,对实验结果不能肯定的程度。本文根据 R.J. Moffat的误差传递分析方法对实验数据的不确定度进行分析。测量参数不确定度如表 2 所示,计算可得表面传热系数的不确定度为 ± 8.3% 。


3、实验结果


3. 1 表面传热系数


图 3 所示为在 4 mm 管内饱和温度为 - 5 ℃工况下,流动沸腾表面传热系数在不同质量流速和热流密度下随干度的变化。


由图 3 可知,流动沸腾表面传热系数随着干度的增加而增加。且质量流速越大,表面传热系数越大,这是由于对流蒸发换热增大导致。表面传热系数从质量流速为50 kg /( m2 ·s) 到 80 kg /( m2 ·s) 的增长幅度远大于从 80 kg /( m2 ·s) 到 100 kg /( m2 ·s) 的增长幅度。


该特性可以通过不同质量流速下流型的转变解释。质量流速为 50 kg /( m2 ·s) 时,流型在全干度范围内主要为分层波状流。当质量流速增至80 kg /( m2 ·s) 和100 kg /( m2 ·s) 后,流型将在一定干度下从分层波状流转变为环状流,且质量流速越大, 转变时的干度越小。


随着干度的增加,对流蒸发增强,而核态沸腾被抑制。且质量流量越大,核态沸腾抑制发生的越早,导致不同质量流速下的流动沸腾表面传热系数在高干度区域相接近。


对比图 3( a) 和 3( b) 可知,热流密度增大可以增大流动沸腾表面传热系数,同时可以减弱对核态沸腾的抑制。这是因为高热流密度可以激活更多的成核点,加速气泡的产生和从壁面的脱离,强化了核态沸腾换热。


此外,根据 K.E.Gungor 等的预测模型可知,热流密度越大,沸腾数 Bo = q /( GHlv ) 越大,而沸腾数的增大使对流蒸发换热的强化因子变大,进而强化对流蒸发换热。热流密度对流动沸腾表面传热系数的影响是这两者共同作用的结果。


3. 2 摩擦压降   


图 4 所示为在 4 mm 管内饱和温度为 - 5. 5 ℃ 时,两相摩擦压力梯度在不同质量流速下随干度的化。由图 4 可知,对于不同质量流速,两相摩擦压降均随干度的增加而增大,这是由于随着干度的增加, 管内的流速增大造成的。但两相摩擦压降增大的速率在低干度区域要高于高干度区域。此外,在固定干度下两相摩擦压降呈现出随质量流速增大而增大的趋势。这是由于质量流速增大会引起气相和液相的 速度显著增大导致。


4、结论


本文得到以下结论:


1) 流动沸腾表面传热系数随着干度的增加而增大。且质量流速越大,流动沸腾表面传热系数越大,但当流型转换到环状流后,表面传热系数的增大趋势减缓。增大热流密度可使流动沸腾表面传热系数增大,同时可以减弱对核态沸腾的抑制。


2) 随着干度的增大,两相摩擦压降增大,但在高干度区域两相摩擦压降增大的速率减缓。干度相同时,两相摩擦压降随质量流速的增大而增大,这是由于质量流速增大会引起气相和液相的速度显著增大导致。


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