CO2微細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

（上海理工大學制冷技術研究所，上海 200093）

引 言

當前在制冷研究領域如何提高制冷系統效率與避免其對環境的污染是備受研究人員關注的共同課題，采用高效換熱器與環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，其應用于制冷系統的微細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行特性；同時與常規制冷劑相比，相同工況時CO2受換熱器壓降導致的蒸發溫度變化更小，微細通道換熱器能夠更加高效與緊湊，根據行業發展分析，在未來的5年微細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月底在日本國內的銷量已經達到兩百萬臺，日本政府預計到2020年CO2熱泵熱水器銷量將達到一千萬臺[1]。我國對于CO2制冷技術的研究主要處于理論與實驗階段，例如CO2壓縮機等核心部件仍依靠進口，因此對該領域的研究急需獲得突破性進展[2]。

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

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

本文針對CO2在微細通道內的流動沸騰換熱特性及其過程中發生的干涸特性進行研究，分析質量流率和管徑對于傳熱系數與干涸的影響，為制冷系統中的微細通道換熱器設計提供理論基礎。

1 實驗系統設計

本實驗系統主要由3 部分構成：（1）CO2循環系統；（2）低溫載冷劑循環系統；（3）數據采集系統。實驗系統原理如圖1所示。

圖1 實驗系統原理Fig.1 Principle diagram of experimental system

CO2循環系統主要由測試段、冷凝器、儲液器、過冷器、預熱器、膨脹容器、閥件以及連接管路構成，系統內部介質流動采用CO2液體柱塞泵提供循環動力。實驗系統運行時儲液器中液態CO2經過冷器冷卻后由柱塞泵輸送至測試段內，其間經過預熱器時通過調節輸入預熱量功率可以控制測試段入口CO2液體焓值。CO2液體循環流量采用Coriolis 質量流率計測得，通過調節柱塞泵的行程調節旋鈕可以精確地控制系統測試時所需的CO2流量。實驗系統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，根據焦耳效應，通過調節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氣體進入套管式換熱器中被冷凝成液體后再次進入儲液器完成一個測試循環。

低溫載冷劑循環系統主要由冷凝器、過冷器以及低溫制冷機組構成，其中低溫制冷機組有壓縮冷凝機組、恒溫溶液箱、載冷劑循環泵、蒸發器板式換熱器、溫度控制系統等主要部件，能夠實現-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提供較低溫度的冷源。

數據采集系統主要為了實現對實驗過程中實驗參數的監測、采集、存儲、實時顯示以及數據分析等功能，系統由硬件及軟件兩部分構成。硬件主要由傳感器、計算機以及采集儀構成。系統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計算獲取傳熱系數。實驗測試軟件采用VB 編制。

為了保證實驗研究的可靠性，依據技術規范《JJF 1059—1999 測量不確定度評定與表示》對測試數據進行了不確定度分析，依據不確定度計算公式可得傳熱系數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，并進行換熱過程研究，實驗系統對換熱過程中不銹鋼微細通道的管表面溫度場也設置了可視化監測裝置。可視化測試段及測試管實物如圖2所示。該可視化監測裝置采 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3 個面的溫度場進行監測，彌補了熱電偶表面式溫度測試方式監測管外壁溫度不連續性的缺陷，又可用于輔助分析被測試不銹鋼管內部流態變化。

2 CO2 換熱與干涸特性實驗分析

CO2在微細通道內流動沸騰換熱過程中發生的干涸現象使其傳熱系數急劇下降，大量研究表明與傳統制冷劑相比，CO2更易發生干涸現象，本節基于可視化的實驗研究基礎，對不同管徑內CO2的流動沸騰換熱性能與干涸特性進行了理論與實驗結果對比分析。

2.1 質量流率對傳熱系數與干涸的影響

在CO2微細通道流動沸騰換熱過程中，質量流率（m）對傳熱系數的影響雖然已經有了一定數量的研究，由于僅根據有限的傳熱系數測試，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論。針對質量流率對傳熱系數、干涸影響的研究，本文進行了不同質量流率下的實驗，其范圍為50～1350 kg·m-2·s-1。當實驗過程中維持熱通量（q）恒定，增加系統CO2質量流率時，測試段內流體整體干度下降，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量流率增加而降低，圖中黑色圈內標注為換熱過程中溫度的最低點，紅色圈內標注為干涸區域，可見隨流量逐漸增加，干涸區域存在擴大趨勢(管內流動方向為自左至右)。

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

圖3 不同質量流率時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隨質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 管中蒸發溫度T=-5℃、熱通量q=22.4 kW·m-2時，當質量流率由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生干涸，而對流換熱由于受管內流速增加而得到強化，因此傳熱系數隨質量流率增加而顯著增加，由此可見質量流率對傳熱系數影響與管徑密切相關。實驗中發現質量流率不僅對干涸出現前的傳熱系數有影響，在干涸結束之后隨著質量流率的變化其換熱特性也表現出不同趨勢，當質量流率小于臨界值時，干涸現象結束之后，傳熱系數隨著質量流率增加基本維持不變，而當質量流率大于臨界值時，干涸現象結束之后，隨著質量流率增加傳熱系數相應增加。

當管徑較小、質量流率較大、流體表面張力較小時該現象更加明顯，對此解釋為由于質量流率較高，使干涸換熱過程中液滴夾帶增加強化了對管內壁的沖擊，在干涸結束后的較高干度區域傳熱系數隨質量流率增加而增加，當干涸區域結束進入霧狀流時較高的質量流率也對換熱起了強化作用。

2.2 管徑對傳熱系數與干涸的影響

圖5 飽和溫度T=3℃、熱通量q=34.2 kW·m-2、不同 質量流率時1 mm 管內CO2 實驗傳熱系數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、不同質量流率時2 mm 管內CO2 實驗傳熱系數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對于兩相流傳熱系數與 干涸具有重要的影響，本文研究的目的之一是基于機理研究與實驗數據分析管徑作為獨立的變化參數對CO2微細通道內流動沸騰換熱過程的影響。本文針對管外徑6 mm，管內徑分別為1、2、3 mm，內表面粗糙度為16 μm 的不銹鋼管進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、不同質量流率時3 mm 管內CO2 實驗傳熱系數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及干涸的影響，在低干度區域由于管徑越小換熱介質與管內壁接觸表面增加更易形成核態沸騰換熱，因此管徑越小傳熱系數越高。由1 mm 與2 mm 管徑實驗對比發現，管徑越小由于傳熱系數的快速增加導致1 mm 管徑中流態提前轉變，換熱過程中干涸出現在更低干度。

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

表1 基于當量直徑的管徑分類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管子對于氣泡形成是否具有限制作用作為微通道判斷準則，并給出了獨立于熱通量的判斷公式，見式(2)，認為當Bd0.5Re＜160 時氣泡受管徑限制，流態成為受限流，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通道。通過管徑對于換熱的研究表明，對于傳熱系數與干涸預測時不僅需要考慮其幾何結構的影響，同時應與工質熱物性相結合。

3 結 論

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

本文在設計搭建的實驗系統上針對質量流率、管徑對傳熱系數與干涸的影響進行了實驗研究與理論分析，獲得如下結論。

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

（2）對管徑的研究表明，在低干度區域，管徑越小，換熱介質與管內壁接觸表面增加更易形成核態沸騰換熱，傳熱系數越高。管徑越小，傳熱系數增加迅速，管徑中流態提前轉變，干涸出現在更低干度，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水力直徑進行尺度劃分，管徑尺度效應對于換熱影響必須與制冷工質物性相結合，通過Bd判斷準則可以有效進行管徑尺度效應劃分。

符 號 說 明

D——水力直徑，m

d——管徑，m

m——質量流率，kg·m-2·s-1

q——熱通量，kW·m-2

Re——Reynolds 數

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

σ——表面張力，N·cm-1

下角標

l——液體

v——氣體

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