蒸發溫度對強化換熱管管外核態池沸騰換熱性能的影響

歐陽新萍 包琳琳 邱雪松

(上海理工大學制冷與低溫工程研究所 上海 200093)

蒸發溫度對強化換熱管管外核態池沸騰換熱性能的影響

歐陽新萍 包琳琳 邱雪松

(上海理工大學制冷與低溫工程研究所 上海 200093)

對R134a在水平強化管(Φ25 mm)外核態池沸騰進行了實驗研究。通過Wilson圖解法求得管內換熱準則關系式，通過改變蒸發溫度(5.6 ℃，0 ℃，-2 ℃，-4 ℃，-6 ℃，-8 ℃)和熱流密度(4～55 kW/m2)，得到了管外沸騰換熱系數隨熱流密度和蒸發溫度變化的規律。實驗表明，管外沸騰換熱系數隨著熱流密度和蒸發溫度的升高而增加。結合實驗數據，提出了一個新的管外池沸騰換熱關聯式， 該關聯式與實驗數據點的偏差顯示，95%的數據點的相對誤差在±20%以內。

關聯式；威爾遜圖解法；強化管；核態池沸騰

核態池沸騰是對流傳熱現象中影響因素最多、最復雜的傳熱過程。在制冷、化工等行業有廣泛的應用。但是，實驗關聯式與所依據的實驗數據間的離散度以及不同關聯式間的分歧仍然很嚴重[1]。多年來，很多學者對核態池沸騰傳熱進行了大量的實驗和理論研究。

蒸發溫度是水平強化管外核態池沸騰換熱性能影響因素之一，李芳明等[2]討論了沸騰換熱系數隨不同蒸發壓力(蒸發溫度)的變化，結果表明蒸發壓力升高時，沸騰換熱系數有所增加，給出了強化管外沸騰換熱系數關聯式。Sun Zhaohu等[3]也研究了蒸發溫度對換熱性能的影響，認為蒸發壓力(蒸發溫度)對池沸騰換熱的影響可以看作對制冷劑物性的影響。HFC134a，HC290，HC600a三種制冷劑的沸騰換熱系數均隨蒸發壓力增大而增大，HFC134a，HC290在低熱流密度時蒸發壓力對換熱影響很小，隨著熱流密度增大，蒸發壓力對換熱系數影響逐漸增大。閆秋輝等[4]研究了蒸發壓力、熱流密度對管外沸騰換熱系數的影響，得出了蒸發壓力、熱流密度對管外沸騰換熱系數影響的綜合實驗關聯式。劉文毅等[5]也得到了相似的結論。A Sathyabhama等[6]認為隨著蒸發壓力升高，沸騰換熱系數增加；Gherhardt Ribatski等[7]則認為蒸發壓力對沸騰換熱系數的影響可以忽略。

本文針對R134a在水平強化管外核態池沸騰的換熱特性進行了實驗研究，得到了水平強化管外沸騰換熱系數和蒸發壓力(蒸發溫度)之間的關系，并結合實驗數據，提出了一個新的管外池沸騰換熱關聯式，該關聯式和實驗數據吻合良好。

1 實驗設備及方法

本課題研究的蒸發溫度會低于零度，所以管內加熱流體采用體積濃度為30%乙二醇水溶液。輔助用冷凝管管內采用體積濃度為45%的乙二醇水溶液作為冷卻介質。

實驗系統主要包括：乙二醇水溶液循環回路和制冷劑R134a循環回路。實驗系統圖如圖1所示。實驗系統包含2個連通的蒸發桶和冷凝桶。被測試的蒸發管安放在蒸發桶內，兩根串聯；實驗輔助用冷凝管安放在冷凝桶內，4根串聯。

實驗所用測試管管長為1.55 m，管徑為25 mm，兩根串聯，換熱面積0.243 m2。管外為制冷劑R134a的沸騰換熱，管內為30%濃度的乙二醇水溶液的對流換熱。管子的微觀表面結構如圖2所示。

本實驗采用的蒸發溫度分別為：5.6 ℃，0 ℃,-2 ℃,-4 ℃,-6 ℃,-8 ℃。同時，在每一個蒸發溫度下，管內乙二醇水溶液的進口溫度也不相同，主要在12 ℃到-6 ℃之間。實驗的管內流速分別為：1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s。

2 數據處理方法

2.1 換熱量計算

通過測量蒸發、冷凝管管內乙二醇水溶液的進出口溫度和體積流量，可以計算出蒸發管內乙二醇水溶液的放熱量Q1和冷凝管內乙二醇水溶液的吸熱量Q2，兩者的相對誤差小于5%為合格的實驗工況點。將Q1和Q2的平均值作為蒸發換熱量Q的值，即：

(1)

2.2 總傳熱系數和管內、管外表面傳熱系數的計算

總傳熱系數K的計算為：

(2)

式中：Ao為換熱管外名義表面積(按光滑面計算)，m2；ΔTLMTD為對數平均溫差。

管內外傳熱各部分熱阻與總熱阻之間關系如下：

(3)

式中：hi、ho為管內、管外表面傳熱系數；Ai、Ao為管壁內、外表面積；Rw為換熱管管壁熱阻；Rf表示污垢熱阻。

根據式(3)，在一組實驗工況中，保持管外的表面傳熱系數不變(恒定蒸發溫度和熱流密度)，改變管內流體的流速，即可根據Wilson圖解法[8-10]獲得管內的表面傳熱系數，通過式(3)進行熱阻分離，求得管外表面傳熱系數。

管內表面傳熱系數關聯式通常整理成齊德-泰特(Sieder-Tate)準則式形式[11]：

(4)

式中：Nu為努塞爾數；c為不同表面的經驗數值；Re為流體的雷諾數；Pr為流體普朗特數、ηf為流體動力粘度，Pa·s；ηw為壁溫度下的流體動力粘度，Pa·s。對于光滑管，c=0.027，對于強化管，c通過實驗及相應的數據處理方法求出。

3 實驗結果與分析

實驗時，先定蒸發溫度和熱流密度、變管內流速，通過Wilson圖解法求得管內表面傳熱系數及其關聯式，再進行大量的變蒸發溫度和熱流密度的實驗。

通過Wilson圖解法得到如下管內表面傳熱系數的準則式:

(5)

式中的系數0.085與光滑管的系數0.027相比，可知管內的換熱系數的強化倍率為3.15。

蒸發溫度Ts分別取：-8 ℃、-6 ℃、-4 ℃、-2 ℃、0 ℃、5.6 ℃ 6個值。固定某一蒸發溫度，且固定管內乙二醇水溶液進口溫度，變化管內流體流速(熱流密度也相應變化)，可得到一組工況。本實驗共做了16組工況數據，如圖3所示。圖3顯示了總傳熱系數隨管內流體流速(熱流密度)、蒸發溫度等參數的關系。

根據圖3中的實驗數據，采用前述的數據處理方法，可求得各個工況點的管外表面傳熱系數(沸騰換熱系數)ho。ho與熱流密度q的關系圖如圖4所示。

一般認為，對于同種制冷劑和加熱表面，核態沸騰換熱系數(管外表面傳熱系數)ho可表達為熱流密度q和飽和壓力ps(ps與蒸發溫度對應)的函數[12-13]，因此管外核態沸騰換熱系數ho可表示為：

ho=X1qX2psX3

(6)

式中：X1，X2，X3為常數。

根據圖4所示的工況點，采用最小二乘法，通過多元線性回歸得到管外沸騰換熱系數計算關聯式：

ho=0.87q0.57ps0.33

(7)

式中：ho為管內外沸騰換熱系數，W/(m2·K)；q為熱流密度，W/m2；ps為飽和壓力，Pa。

實驗中數據范圍：熱流密度值：4 kW/m2

圖5是該關聯式的計算值與圖4中的工況點數值的偏差示意圖。關聯式平均偏差為9.5%，出現的最大偏差為29.6%。從圖中可以看出，計算數據和實驗數據之間的誤差：95%的數據點的誤差在±20%以內，關聯式有較好的置信度。

為了更好地觀察蒸發溫度和熱流密度對管外沸騰換熱系數的影響，在一定的熱流密度范圍內采用式(7)進行計算，將計算值示于圖6。圖6中的蒸發溫度對應ps的飽和溫度。

由圖可6以看出，管外換熱系數隨著熱流密度增大而增大，這是因為隨著熱流密度的增大，壁面過熱度增加，強化管外越來越多的汽化核心得到活化，使得更多的氣泡產生與脫離，這對管壁附近制冷劑的擾動增大，從而使換熱增強。

在同一熱流密度下，就總的趨勢而言，蒸發溫度越高，管外沸騰換熱系數越高，這是因為蒸發溫度變化會導致流體物性的改變。蒸發溫度升高時，流體的表面張力變小，對于一定尺寸的表面空穴來說，使之活化所需的壁面過熱度將減小，同時氣泡脫離時的直徑也變小，尺寸更小的空穴被活化，從而使得換熱系數提高；而且隨著熱流密度的增大，不同蒸發溫度下的管外換熱系數之間的差別越來越大，即在高熱流密度下，蒸發溫度對管外換熱系數的影響更大。

4 結論

1)同一蒸發溫度下，管外沸騰換熱系數隨著熱流密度增大而增大。在同一熱流密度下，蒸發溫度越高，管外換熱系數越高；而且隨著熱流密度的增大，不同蒸發溫度下的管外換熱系數之間的差別越來越大，即在高熱流密度下，蒸發溫度對管外換熱系數的影響更大。

2)依據實驗數據提出了管內換熱準則式和管外池沸騰換熱關聯式。池沸騰換熱關聯式表示了管外沸騰換熱系數與蒸發溫度和熱流密度的關系。池沸騰換熱關聯式的計算數據和實驗數據之間的誤差顯示，95%的數據點的誤差在± 20%以內，該關聯式有較好的置信度。

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About the corresponding author

Bao Linlin,female, master, Institute of Refrigeration& Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, +86 21-55273428, E-mail: baolinlinxh@126.com. Research fields: heat transfer enhancement, nucleate pool boiling heat transfer, falling film evaporation.

Effects of Evaporation Temperature on Nucleate Pool Boiling Heat Transfer Characteristics outside the Enhanced Tube

Ouyang Xinping Bao Linlin Qiu Xuesong

(Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)

Nucleate pool boiling outside the horizontal enhanced tube (Φ25 mm) with the refrigerant R134a was experimentally investigated. The inner heat transfer correlation has been obtained by using Wilson graphic method. Experiments were performed at evaporation temperatures of 5.6 ℃, 0 ℃, -2 ℃,-4 ℃,-6 ℃ and -8 ℃, heat fluxes from 4 kW/m2to 55 kW/m2. Experimental results show that the pool boiling heat transfer coefficient outside the tube increases with the increase of heat flux and evaporation temperature. A new heat transfer correlation of pool boiling has been put forward. By comparison with test data, the relative deviation of 95% of the correlation value is within ± 20%.

correlation; Wilson graphic method; enhanced tube; nucleate pool boiling

0253- 4339(2015) 01- 0097- 04

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.097

2014年3月29日

TB657.5； TB61+1

A

包琳琳，女，碩士研究生，上海理工大學制冷與低溫工程研究所，(021)55273428，E-mail：baolinlinxh@126.com。研究方向：強化傳熱，滿液蒸發換熱，降膜蒸發換熱。