CO2微細(xì)通道流動沸騰換熱干涸特性

吳昊，柳建華，張良，姜林林，丁楊，梁亞英

（上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所，上海 200093）

引 言

當(dāng)前在制冷研究領(lǐng)域如何提高制冷系統(tǒng)效率與避免其對環(huán)境的污染是備受研究人員關(guān)注的共同課題，采用高效換熱器與環(huán)保制冷劑是解決上述問題的最主要手段。CO2作為一種無毒不可燃的天然制冷劑，不僅具有良好的熱物性且ODP 值為0，其應(yīng)用于制冷系統(tǒng)的微細(xì)通道換熱器中不需加大換熱器壁厚與額外耗材即能滿足其高壓的運(yùn)行特性；同時與常規(guī)制冷劑相比，相同工況時CO2受換熱器壓降導(dǎo)致的蒸發(fā)溫度變化更小，微細(xì)通道換熱器能夠更加高效與緊湊，根據(jù)行業(yè)發(fā)展分析，在未來的5年微細(xì)通道換熱器的市場份額將會從目前的3%上升到40%。以CO2熱泵熱水器為例，至2009年10月底在日本國內(nèi)的銷量已經(jīng)達(dá)到兩百萬臺，日本政府預(yù)計到2020年CO2熱泵熱水器銷量將達(dá)到一千萬臺[1]。我國對于CO2制冷技術(shù)的研究主要處于理論與實驗階段，例如CO2壓縮機(jī)等核心部件仍依靠進(jìn)口，因此對該領(lǐng)域的研究急需獲得突破性進(jìn)展[2]。

CO2制冷劑傳熱系數(shù)高于常用的傳統(tǒng)制冷劑，但從制冷系統(tǒng)的傳統(tǒng)尺度換熱器管內(nèi)沸騰換熱效果來看，CO2制冷劑在總體效果上不盡理想?，F(xiàn)有的研究表明，在制冷劑的低干度區(qū)域，由于CO2有較大的氣體和液體熱導(dǎo)率、較小的表面張力、較小的氣液密度比和黏度比，將產(chǎn)生更多的汽化核心，提高了CO2的傳熱系數(shù)[3]。Yun 等[4]研究了CO2沸騰傳熱系數(shù)隨制冷劑干度的變化趨勢，在中低干度區(qū)，CO2沸騰傳熱系數(shù)隨熱通量的增加而增加，受質(zhì)量流率的影響不大，認(rèn)為在CO2流動沸騰中核態(tài)沸騰占主要作用。Hashimoto 等[5]給出了在不同的加熱條件下，不同的質(zhì)量流率和飽和溫度下的平均傳熱系數(shù)，在特定的質(zhì)量流率下可以得到最高的平均傳熱系數(shù)，高于這一質(zhì)量流率，平均傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流率的增加而減小。Oh 等[6]實驗觀察了CO2、R22 和R134a 不同制冷劑的流動沸騰傳熱系數(shù)和飽和溫度、質(zhì)量流率和制冷劑干度的相互關(guān)系。在相同的實驗條件下，CO2的傳熱系數(shù)比較高，且隨飽和溫度的提高，其傳熱系數(shù)增大；而在定質(zhì)量流率、飽和溫度和熱通量條件下，CO2流動沸騰特性與R22及R134a 等傳統(tǒng)制冷劑有所不同，隨干度增加，其傳熱系數(shù)呈下降趨勢。Yoon 等[7]的研究表明，在低干度區(qū)CO2沸騰傳熱系數(shù)隨熱通量的增加而增加，當(dāng)干度高于某一特定值后傳熱系數(shù)下降，這種趨勢是由于CO2表面張力和黏度較低容易發(fā)生干涸現(xiàn)象造成的[8]。

近年來研究人員開始對微細(xì)通道沸騰傳熱特性進(jìn)行研究，確認(rèn)干涸現(xiàn)象的產(chǎn)生會使換熱效果急劇降低，在采用內(nèi)部微翅管實驗中，發(fā)現(xiàn)能夠提高干涸現(xiàn)象出現(xiàn)的干度[9]，但沒有從干涸現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理以及影響干涸現(xiàn)象產(chǎn)生的因素方面進(jìn)行深入研究。Ducoulombie 等[10]研究認(rèn)為隨質(zhì)量流率的增大，換熱表面出現(xiàn)干涸現(xiàn)象對應(yīng)的制冷劑干度增大，增大制冷劑的質(zhì)量流率對提高沸騰傳熱系數(shù)有利。Bredesen 等[11]的研究結(jié)果是，當(dāng)飽和溫度較低時（-25℃），傳熱系數(shù)隨著干度的增加幾乎不變，但當(dāng)飽和溫度為5℃時，傳熱系數(shù)隨著干度的增加而下降，他們通過實驗數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，相對于其他傳統(tǒng)制冷劑，CO2流動沸騰中核態(tài)沸騰占主導(dǎo)作用。Jeong 等[12]對兩根螺旋直徑分別為32和81 mm的螺旋盤管進(jìn)行了實驗研究。他們的實驗數(shù)據(jù)表明，CO2沸騰傳熱系數(shù)隨熱通量和飽和溫度的增加而提高，但是與質(zhì)量流率幾乎無關(guān)。與沸騰傳熱系數(shù)的研究相比，對沸騰換熱過程中干涸現(xiàn)象的研究相對比較少，沒有深入分析干涸現(xiàn)象的機(jī)理以及干涸現(xiàn)象的影響因素[13-15]。

本文針對CO2在微細(xì)通道內(nèi)的流動沸騰換熱特性及其過程中發(fā)生的干涸特性進(jìn)行研究，分析質(zhì)量流率和管徑對于傳熱系數(shù)與干涸的影響，為制冷系統(tǒng)中的微細(xì)通道換熱器設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗系統(tǒng)設(shè)計

本實驗系統(tǒng)主要由3 部分構(gòu)成：（1）CO2循環(huán)系統(tǒng)；（2）低溫載冷劑循環(huán)系統(tǒng)；（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理Fig.1 Principle diagram of experimental system

CO2循環(huán)系統(tǒng)主要由測試段、冷凝器、儲液器、過冷器、預(yù)熱器、膨脹容器、閥件以及連接管路構(gòu)成，系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)流動采用CO2液體柱塞泵提供循環(huán)動力。實驗系統(tǒng)運(yùn)行時儲液器中液態(tài)CO2經(jīng)過冷器冷卻后由柱塞泵輸送至測試段內(nèi)，其間經(jīng)過預(yù)熱器時通過調(diào)節(jié)輸入預(yù)熱量功率可以控制測試段入口CO2液體焓值。CO2液體循環(huán)流量采用Coriolis 質(zhì)量流率計測得，通過調(diào)節(jié)柱塞泵的行程調(diào)節(jié)旋鈕可以精確地控制系統(tǒng)測試時所需的CO2流量。實驗系統(tǒng)在測試段處采用大電流、低電壓直接施加于測試段不銹鋼鋼管兩端，根據(jù)焦耳效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)所施加的電壓用于控制測試段管路輸入的熱通量，對測試段所施加電功率由功率計直接測得，由測試段排出的高干度CO2氣體進(jìn)入套管式換熱器中被冷凝成液體后再次進(jìn)入儲液器完成一個測試循環(huán)。

低溫載冷劑循環(huán)系統(tǒng)主要由冷凝器、過冷器以及低溫制冷機(jī)組構(gòu)成，其中低溫制冷機(jī)組有壓縮冷凝機(jī)組、恒溫溶液箱、載冷劑循環(huán)泵、蒸發(fā)器板式換熱器、溫度控制系統(tǒng)等主要部件，能夠?qū)崿F(xiàn)-20～0℃恒定溫度、變流量乙二醇載冷劑供液，其主要作用是為實驗系統(tǒng)提供較低溫度的冷源。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要為了實現(xiàn)對實驗過程中實驗參數(shù)的監(jiān)測、采集、存儲、實時顯示以及數(shù)據(jù)分析等功能，系統(tǒng)由硬件及軟件兩部分構(gòu)成。硬件主要由傳感器、計算機(jī)以及采集儀構(gòu)成。系統(tǒng)測試所需的溫度采用熱電偶獲取，分別在實驗段外壁沿管長方向每相隔20 mm 共16 個位置的上、下、左、右4 個等間距方向上各布置4 個T 型熱電偶。實驗采集儀為Agilent34970，沿測試管管長方向，對測試管軸向和徑向布置的多組熱電偶進(jìn)行溫度值的實時采集，最后由管壁面溫度及施加熱通量等參數(shù)計算獲取傳熱系數(shù)。實驗測試軟件采用VB 編制。

為了保證實驗研究的可靠性，依據(jù)技術(shù)規(guī)范《JJF 1059—1999 測量不確定度評定與表示》對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了不確定度分析，依據(jù)不確定度計算公式可得傳熱系數(shù)測試不確定度范圍為1.8%～7.9%，干度不確定度為1.2%～6.5%。

圖2 測試段及測試管Fig.2 Test section and test tube

為了定性觀測換熱過程，并進(jìn)行換熱過程研究，實驗系統(tǒng)對換熱過程中不銹鋼微細(xì)通道的管表面溫度場也設(shè)置了可視化監(jiān)測裝置?？梢暬瘻y試段及測試管實物如圖2所示。該可視化監(jiān)測裝置采 用FLUCK TI25 型紅外線熱成像儀分別對CO2流動沸騰換熱過程中不銹鋼管外壁上、下、側(cè)3 個面的溫度場進(jìn)行監(jiān)測，彌補(bǔ)了熱電偶表面式溫度測試方式監(jiān)測管外壁溫度不連續(xù)性的缺陷，又可用于輔助分析被測試不銹鋼管內(nèi)部流態(tài)變化。

2 CO2 換熱與干涸特性實驗分析

CO2在微細(xì)通道內(nèi)流動沸騰換熱過程中發(fā)生的干涸現(xiàn)象使其傳熱系數(shù)急劇下降，大量研究表明與傳統(tǒng)制冷劑相比，CO2更易發(fā)生干涸現(xiàn)象，本節(jié)基于可視化的實驗研究基礎(chǔ)，對不同管徑內(nèi)CO2的流動沸騰換熱性能與干涸特性進(jìn)行了理論與實驗結(jié)果對比分析。

2.1 質(zhì)量流率對傳熱系數(shù)與干涸的影響

在CO2微細(xì)通道流動沸騰換熱過程中，質(zhì)量流率（m）對傳熱系數(shù)的影響雖然已經(jīng)有了一定數(shù)量的研究，由于僅根據(jù)有限的傳熱系數(shù)測試，很少能夠得到其對CO2流動沸騰換熱性能與干涸影響的明確結(jié)論。針對質(zhì)量流率對傳熱系數(shù)、干涸影響的研究，本文進(jìn)行了不同質(zhì)量流率下的實驗，其范圍為50～1350 kg·m-2·s-1。當(dāng)實驗過程中維持熱通量（q）恒定，增加系統(tǒng)CO2質(zhì)量流率時，測試段內(nèi)流體整體干度下降，圖3所示為飽和溫度T=5℃，熱通量q=32.4 kW·m-2，不同質(zhì)量流率時2 mm 測試管表面溫度紅外圖，可以看出測試管表面溫度隨質(zhì)量流率增加而降低，圖中黑色圈內(nèi)標(biāo)注為換熱過程中溫度的最低點(diǎn)，紅色圈內(nèi)標(biāo)注為干涸區(qū)域，可見隨流量逐漸增加，干涸區(qū)域存在擴(kuò)大趨勢(管內(nèi)流動方向為自左至右)。

上述實驗表明當(dāng)流量超過一定值時測試管內(nèi)無法達(dá)到干涸。如圖4所示測試管表面溫度紅外成像對比，當(dāng)質(zhì)量流率增加至1120 kg·m-2·s-1、飽和溫度降至-10℃時，同樣在2 mm 管內(nèi)隨著熱通量升高測試管表面溫度也相應(yīng)升高，測試管內(nèi)卻未出現(xiàn)溫度突升，由此可見，在實驗系統(tǒng)測試段中質(zhì)量流率與飽和溫度工況不同時，會影響干涸發(fā)生的臨界熱通量，當(dāng)熱通量小于臨界熱通量時就無法使其在測試段發(fā)生干涸。

圖3 不同質(zhì)量流率時2 mm 管表面溫度紅外圖Fig.3 Infrared image of 2 mm tube surface temperature in different mass flow rate

圖4 不同熱通量時2 mm 管表面溫度紅外圖Fig.4 Infrared image of 2 mm tube surface temperature in different heat flux

實驗研究獲得傳熱系數(shù)隨干度變化曲線如圖5～圖7所示，圖5、圖6所示在整個換熱過程中傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流率變化并不明顯，此時管徑分別為1 mm 和2 mm，然而圖7所示在3 mm 管中蒸發(fā)溫度T=-5℃、熱通量q=22.4 kW·m-2時，當(dāng)質(zhì)量流率由56 kg·m-2·s-1增加至73 kg·m-2·s-1使測試熱通量低于臨界熱通量，由于換熱過程中并沒有發(fā)生干涸，而對流換熱由于受管內(nèi)流速增加而得到強(qiáng)化，因此傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流率增加而顯著增加，由此可見質(zhì)量流率對傳熱系數(shù)影響與管徑密切相關(guān)。實驗中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流率不僅對干涸出現(xiàn)前的傳熱系數(shù)有影響，在干涸結(jié)束之后隨著質(zhì)量流率的變化其換熱特性也表現(xiàn)出不同趨勢，當(dāng)質(zhì)量流率小于臨界值時，干涸現(xiàn)象結(jié)束之后，傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流率增加基本維持不變，而當(dāng)質(zhì)量流率大于臨界值時，干涸現(xiàn)象結(jié)束之后，隨著質(zhì)量流率增加傳熱系數(shù)相應(yīng)增加。

當(dāng)管徑較小、質(zhì)量流率較大、流體表面張力較小時該現(xiàn)象更加明顯，對此解釋為由于質(zhì)量流率較高，使干涸換熱過程中液滴夾帶增加強(qiáng)化了對管內(nèi)壁的沖擊，在干涸結(jié)束后的較高干度區(qū)域傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流率增加而增加，當(dāng)干涸區(qū)域結(jié)束進(jìn)入霧狀流時較高的質(zhì)量流率也對換熱起了強(qiáng)化作用。

2.2 管徑對傳熱系數(shù)與干涸的影響

圖5 飽和溫度T=3℃、熱通量q=34.2 kW·m-2、不同 質(zhì)量流率時1 mm 管內(nèi)CO2 實驗傳熱系數(shù)Fig.5 Experimental heat transfer coefficients in 1 mm test tube for CO2 at T=3℃ with initial heat flux q=34.2 kW·m-2 at different flow rate

圖6 飽和溫度T=2.5℃、熱通量q=32.8 kW·m-2、不同質(zhì)量流率時2 mm 管內(nèi)CO2 實驗傳熱系數(shù)Fig.6 Experimental heat transfer coefficients in 2 mm test tube for CO2 atT=2.5℃ with initial heat flux q=32.8 kW·m-2 at different flow rate

換熱管徑的尺度效應(yīng)對于兩相流傳熱系數(shù)與 干涸具有重要的影響，本文研究的目的之一是基于機(jī)理研究與實驗數(shù)據(jù)分析管徑作為獨(dú)立的變化參數(shù)對CO2微細(xì)通道內(nèi)流動沸騰換熱過程的影響。本文針對管外徑6 mm，管內(nèi)徑分別為1、2、3 mm，內(nèi)表面粗糙度為16 μm 的不銹鋼管進(jìn)行了換熱性能與干涸實驗對比研究，分析了不同管徑對傳熱系數(shù)及干涸的影響。

圖7 飽和溫度T=-5℃、熱通量q=22.4 kW·m-2、不同質(zhì)量流率時3 mm 管內(nèi)CO2 實驗傳熱系數(shù)Fig.7 Experimental heat transfer coefficients in 3 mm test tube for CO2 at T=-5℃ with initial heat flux q=22.4 kW·m-2 at different flow rate

圖8 熱通量q=29 kW·m-2 時不同管徑實驗傳熱系數(shù)Fig.8 Experimental heat transfer coefficients for CO2 at q=29 kW·m-2 of different test tube

圖8所示為實驗分析了不同管徑對于傳熱系數(shù)及干涸的影響，在低干度區(qū)域由于管徑越小換熱介質(zhì)與管內(nèi)壁接觸表面增加更易形成核態(tài)沸騰換熱，因此管徑越小傳熱系數(shù)越高。由1 mm 與2 mm 管徑實驗對比發(fā)現(xiàn)，管徑越小由于傳熱系數(shù)的快速增加導(dǎo)致1 mm 管徑中流態(tài)提前轉(zhuǎn)變，換熱過程中干涸出現(xiàn)在更低干度。

上述研究結(jié)果表明，1～3 mm 管徑變化其流態(tài)與換熱已有明顯差異，按照當(dāng)前Kandlikar[16]依據(jù)水力直徑如表1劃分管徑尺度，而不考慮工況及制冷工質(zhì)物性，會使傳熱系數(shù)與干涸預(yù)測精度降低，實驗測試結(jié)果表明在1～3 mm 管徑區(qū)間流態(tài)變化仍很大。因此實驗研究除了現(xiàn)象觀測外，基于現(xiàn)有理論研究模型提出一些代表流態(tài)特性的量綱1 數(shù)進(jìn)行管徑影響特性判斷，Kew 等[17]從流態(tài)的角度解釋當(dāng)約束數(shù)Bd＜4 時具有微尺度效應(yīng)，見式(1)。圖9為本實驗研究工況依據(jù)Bd進(jìn)行的管徑尺度劃分，可見1 mm 管徑實驗工況均具有微尺度效應(yīng)，2、3 mm管徑內(nèi)則沒有，隨飽和溫度降低微尺度效應(yīng)對應(yīng)管徑增加，該現(xiàn)象與實驗觀測結(jié)果基本吻合。

表1 基于當(dāng)量直徑的管徑分類Table 1 Classification of channels based on equivalent diameter

圖9 基于Bd 的管徑分類Fig.9 Classification of channels based on Bd

Harirchian[18]通過微通道換熱研究提出依據(jù)管子對于氣泡形成是否具有限制作用作為微通道判斷準(zhǔn)則，并給出了獨(dú)立于熱通量的判斷公式，見式(2)，認(rèn)為當(dāng)Bd0.5Re＜160 時氣泡受管徑限制，流態(tài)成為受限流，如圖10所示本研究工況均未屬于受限流，因此本課題研究管徑僅屬于微細(xì)通道。通過管徑對于換熱的研究表明，對于傳熱系數(shù)與干涸預(yù)測時不僅需要考慮其幾何結(jié)構(gòu)的影響，同時應(yīng)與工質(zhì)熱物性相結(jié)合。

3 結(jié) 論

圖10 微通道限制流與非限制流轉(zhuǎn)變曲線Fig.10 Transition from confined flow to unconfined flow of microchannel

本文在設(shè)計搭建的實驗系統(tǒng)上針對質(zhì)量流率、管徑對傳熱系數(shù)與干涸的影響進(jìn)行了實驗研究與理論分析，獲得如下結(jié)論。

（1）質(zhì)量流率對于傳熱系數(shù)的影響較為復(fù)雜，實驗研究表明隨流量逐漸增加，干涸區(qū)域存在擴(kuò)大趨勢，當(dāng)質(zhì)量流率超過一定值時，測試管內(nèi)無法達(dá)到干涸；在實驗系統(tǒng)測試段中質(zhì)量流率與飽和溫度工況不同時，會影響干涸發(fā)生的臨界熱通量，當(dāng)熱通量小于臨界熱通量時，也無法在測試段發(fā)生干涸。質(zhì)量流率對傳熱系數(shù)影響也與管徑密切相關(guān)。質(zhì)量流率對干涸的影響表現(xiàn)在兩個方面，一方面質(zhì)量流率影響干涸的起始干度，隨質(zhì)量流率增加干涸起始干度有下降趨勢；另一方面質(zhì)量流率的增加提高了干涸過程后期及干涸結(jié)束后傳熱系數(shù)。

（2）對管徑的研究表明，在低干度區(qū)域，管徑越小，換熱介質(zhì)與管內(nèi)壁接觸表面增加更易形成核態(tài)沸騰換熱，傳熱系數(shù)越高。管徑越小，傳熱系數(shù)增加迅速，管徑中流態(tài)提前轉(zhuǎn)變，干涸出現(xiàn)在更低干度，同時CO2的物性對其在不同管徑時換熱特性影響極大，管徑對于換熱的影響并不能單純依據(jù)水力直徑進(jìn)行尺度劃分，管徑尺度效應(yīng)對于換熱影響必須與制冷工質(zhì)物性相結(jié)合，通過Bd判斷準(zhǔn)則可以有效進(jìn)行管徑尺度效應(yīng)劃分。

符 號 說 明

D——水力直徑，m

d——管徑，m

m——質(zhì)量流率，kg·m-2·s-1

q——熱通量，kW·m-2

Re——Reynolds 數(shù)

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

σ——表面張力，N·cm-1

下角標(biāo)

l——液體

v——?dú)怏w

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