水平微細管內CO2流動沸騰壓降特性

姜林林，柳建華，張良，趙越

（1上海理工大學制冷技術研究所，上海 200093；2上海市計量測試技術研究院，上海 200093）

水平微細管內CO2流動沸騰壓降特性

姜林林1，柳建華1，張良1，趙越2

（1上海理工大學制冷技術研究所，上海 200093；2上海市計量測試技術研究院，上海 200093）

對CO2在內徑1.5 mm水平微細管內流動沸騰換熱摩擦壓降特性進行了實驗研究。實驗工況：熱通量(7.5～30 kW·m-2)、質量流率(300～600 kg·m-2·s-1)、飽和溫度(-40～0℃)。實驗結果表明：熱通量的增加對摩擦壓降影響很小，幾乎為零；質量流率是影響摩擦壓降的最主要因素；隨著飽和溫度的升高摩擦壓降減小；干度對摩擦壓降影響主要由管內流型變化導致。將實測摩擦壓降變化趨勢繪制于CO2流態圖中，比較發現理論預測摩擦壓降最大值落在環狀流末端區域。實驗過程中對各個工況管內流態進行可視化研究，理論分析所采用的流態形式與實際CO2在微細通道內所具有的流態類型基本一致。

CO2；微細管；流動沸騰；摩擦壓降；流態

引 言

微細通道換熱器具有結構緊湊、較大單位體積接觸面積與較小制冷劑充注量等優點，對于目前廣泛使用的HFC、HCFC制冷劑而言，雖然隨著換熱器管徑的減小可以顯著提高其傳熱系數，但隨之而來的問題是換熱過程中摩擦壓降大幅上升。如果采用CO2作為制冷劑用于微細通道換熱器內其摩擦壓降要小得多，主要由于CO2飽和溫度所對應的蒸發壓力要比傳統制冷劑高得多，且具有較高的蒸氣密度、較低的液體黏度與表面張力。Zhao等[1]研究表明飽和溫度10℃時，CO2在0.86 mm水力直徑矩形通道內流動沸騰換熱的摩擦壓降僅為R134a摩擦壓降的60%，且在不同工況下類似；Pamitran等[2]的研究數據顯示同樣在飽和溫度 10℃且相同熱通量工況下，CO2在直徑1.5 mm管內流動沸騰換熱的摩擦壓降僅為R22摩擦壓降的16%；Yun等[3]測得1.53 mm矩形管內 5℃飽和溫度時，在相同熱通量與質量流率工況下，R134a的流動沸騰換熱摩擦壓降是CO2的 4.5倍。流動沸騰換熱過程導致的摩擦壓降會引起制冷過程中產生溫度滑移，由于CO2蒸發壓力較高，因此摩擦壓降變化所引起蒸發壓力變化對于飽和溫度的影響較小，對于給定摩擦壓降CO2所產生的溫度滑移要遠小于傳統制冷劑。

綜合國內外近年來關于CO2微細通道中流動沸騰換熱過程中摩擦壓降特性實驗研究：CO2流動沸騰換熱摩擦壓降隨著熱通量和質量流率的增加而增加，隨著飽和溫度的上升而減小，CO2具有較低的壓力損失且小于傳統制冷劑[4-13]。但是對于 CO2摩擦壓降定量研究在現有文獻中還沒有理想的理論預測模型或經驗關聯式。針對上述現象，本文對CO2在低溫工況下水平微細管內流動沸騰摩擦壓降特性進行實驗研究，結合理論預測流態圖分別分析熱通量、質量流率、飽和溫度、干度、流態對摩擦壓降的影響，通過實際觀測的流態驗證理論流態圖可靠性，為獲得一個可靠、精確的CO2沸騰換熱過程壓降預測方法提供理論基礎與數據支持。

1 實驗裝置與數據處理

1.1 實驗系統介紹

本實驗系統由3部分組成：CO2循環系統、脈管制冷機系統和數據采集系統。實驗系統原理圖如圖1所示，實驗系統主要設備配置如表1所示。

表1 實驗系統主要設備配置Table 1 Main equipment of experimental system

圖1 實驗系統原理圖Fig.1 Schematic of test system

1.2 可視化與干度測量

為了驗證理論預測流態圖的可靠性，本實驗系統在測試段進出口位置設計了用于觀測測試段流態的可視段。在測試段流態觀測時，為了避免外界環境與可視段熱量傳遞對可視段內流態產生影響，實驗系統將可視段置于封閉空間內，實驗過程中采用真空泵抽空該封閉空間的空氣，維持有機玻璃管外部處于真空環境，避免可視段與外界環境的熱交換。

測試段總長300 mm，外徑6 mm，內徑1.5 mm，加熱段 150 mm。實驗系統在測試段處采用加熱絲均勻纏繞于測試管上，對測試段所施加電功率由功率計直接測得，在加熱段前后布置引壓管測試總壓差，測試段布置如圖2所示。

圖2 實驗段布置Fig.2 Experiment section layout

1.3 數據處理及不確定度

制冷劑進入預熱器時為過冷狀態，制冷劑從過冷直至飽和時溫度由能量平衡方程得出，飽和后制冷劑溫度由飽和壓力換算而得[式(1)]。加熱段焓值的變化由加熱段中間位置計算獲得，局部干度計算見式(2)、式(3)。

根據相關文獻研究[14]選擇 Thome等[15]提出的空隙率關聯式，該關聯式在Rouhani等[16]提出的漂移流模型基礎上進行了更新，在較大實驗條件跨度下仍具有較高的精確度和適用性，且參數少、易于計算，如式(5)所示。

將測試段進出口干度值代入，即可得到加速壓降，最終的摩擦壓降計算見式(6)。

數據采集系統對所有測量數據均采用多次測量取平均值的方式獲得，為了對實驗結果分析獲得較高概率的置信區間，依據技術規范《JJF1059—1999 測量不確定度評定與表示》對測試數據進行不確度A類評定，合成不確定度評定以及擴展不確定度評定。依據不確定度計算公式可得摩擦壓降不確定度為 6.7%～11.3%，干度不確定度為 5.2%～9.5%，含氣率不確定度為8.6%～14.3%。

2 實驗結果與分析

2.1 熱通量對壓降的影響

如圖3所示，在熱通量7.5～30 kW·m-2范圍內進行了摩擦壓降實驗對比研究。實驗結果表明：不同熱通量下摩擦壓降對干度的變化趨勢是一致的，在低干度區域摩擦壓降隨著干度的增加快速增加，在高干度區域摩擦壓降的增速放緩，在高干度區域出現極值，隨后摩擦壓降回落，在整個干度范圍內熱通量大小對摩擦壓降影響較弱，幾乎為零。對此解釋為：無論熱通量如何變化，在相同質量流率相同干度相同飽和溫度下，氣液兩相相對速度沒有變化，CO2物性也沒有變化，故熱通量對摩擦壓降幾乎沒有影響。通過理論分析隨著熱通量的增加，管內液體蒸發越發劇烈，流態也提前進入高速的環狀流，故達到摩擦壓降極值所對應的時間會變小，這是熱通量對摩擦壓降最大影響之處。

圖3 飽和溫度-10℃、質量流率 400 kg·m-2·s-1、不同熱通量時管內CO2實驗摩擦壓降和傳熱系數Fig.3 Experimental frictional pressure drop and heat transfer coefficient for CO2 at Tsat=-10℃ with initial mass flow rate G=400 kg·m-2·s-1 at different heat flux

與CO2流動沸騰換熱特性研究實驗結果對比來看，摩擦壓降極值點一般都出現在環狀流區域，而傳熱系數最大值大都出現在環狀流向霧狀流轉變的區域[17-18]，如圖3所示，在同一工況下壓降極值點所對應的干度比傳熱系數極值點所對應的干度要小。對此解釋為：隨著干度的增加，工質流型在逐漸發生變化，在中高干度區域大部分工質處于環狀流流態，環狀流的形成增強了環形液膜與管壁面以及氣液兩相分界面的擾動，摩擦壓降值達到最大，隨著干度繼續增大，環形液膜逐漸變薄直至蒸干，在此過程中管內工質開始部分干涸，此時液膜與壁面的應力以及氣液兩相分界面的擾動雙雙下降，因此摩擦壓降值逐漸開始下降；而對于傳熱系數而言，隨著工質干度的增大甚至是部分干涸，中心高速氣流使得液滴夾帶現象增加，部分干涸區域仍然有較高的概率重新濕潤，因此傳熱系數還有繼續上升的空間。理論分析和實驗結果表明在同樣工況下壓降極值點的出現優先于傳熱系數極值點。

2.2 質量流率對壓降的影響

如圖4所示，對質量流率300～600 kg·m-2·s-1范圍內進行了摩擦壓降實驗對比研究。實驗結果顯示：微細通道內摩擦壓降隨質量流率的增加而增大，且增幅較為明顯；隨著干度逐漸增加，質量流率對摩擦壓降提升效果更加明顯，這與高干度區流型轉變為環狀流有很大的關系；當質量流率較小時，摩擦壓降隨著干度的增加略微增加，質量流率越大，摩擦壓降值隨干度變化速率越快。實驗結果表明：隨著質量流率的增大，摩擦壓降最大值有左移的趨勢。對此解釋為：隨著換熱的進行中心氣流速度加快，質量流率增大使得流態提前向高速環狀流轉變，摩擦壓降極大值提前出現；與此同時由于過高的流速造成液滴夾帶現象增加，對管壁面液膜造成了破壞，受液滴沖擊形成的干涸現象提前發生，摩擦壓降值下降。通過數據分析可得：在相同干度下，隨著質量流率的增大，摩擦壓降明顯增大，其原因在于質量流率的增加使管內兩相平均流速的增加，摩擦壓降數值顯著增大；而同樣質量流率情況下，隨著干度的增大，壓降的變化主要受兩相流流型轉變所帶來的影響。

圖4 飽和溫度-10℃、熱通量30 kW·m-2、不同質量流率時管內CO2實驗摩擦壓降Fig.4 Experimental frictional pressure drop for CO2 at Tsat=-10℃ with initial heat flux q=30 kW·m-2 at different mass flow rate

對于兩相流而言，氣相和液相各自的速度是影響摩擦壓降的另一個重要因素。氣相與液相速度分別由式(7)、式(8)計算獲得。

則兩相相對速度由式(9)計算獲得

如圖5所示，CO2兩相相對速度隨著質量流率增大而增大，且增幅隨著干度增大而增大。兩相相對速度與摩擦壓降梯度的關系與質量流率的趨勢是一致的，因此可以判斷質量流率和干度對摩擦壓降的影響還體現在氣液兩相相對速度的改變，相對速度的改變使得兩相流壓降中重要的組成部分-兩相流氣液分界面摩擦壓降改變，最終導致摩擦壓降值的變化。

圖5 飽和溫度-10℃、熱通量30 kW·m-2、不同質量流率時管內CO2實驗兩相相對速度Fig.5 Experimental gas-liquid phase relative speed for CO2 at Tsat=-10℃ with initial heat flux q=30 kW·m-2 at different mass flow rate

結合CO2流動沸騰換熱特性研究實驗結果，質量流率對傳熱系數的影響不大，但質量流率的增加導致干涸出現干度有所降低，減小高效換熱區域，影響整體平均傳熱系數[19-20]。基于上述理論研究針對CO2微細通道換熱器設計適用于低質量流率運行工況且能維持較高的傳熱系數，降低壓降損失，有利于換熱器均勻補液。

2.3 飽和溫度對壓降的影響

如圖6所示，對飽和溫度-40～0℃范圍內進行了摩擦壓降實驗對比研究。實驗結果表明：飽和溫度對CO2摩擦壓降特性具有顯著的影響，隨著飽和溫度的升高摩擦壓降變小，且較高飽和溫度下摩擦壓降隨干度上升的斜率明顯低于低飽和溫度下上升的斜率。對此解釋為：飽和溫度的變化改變了CO2熱物性，隨著飽和溫度的上升，一方面氣相密度升高，使得兩相流內氣液相流速和平均流速雙雙下降，最終導致摩擦壓降下降，另一方面飽和壓力的上升使得液體黏度降低、在中干度區域強烈的核態沸騰使管內壁面液膜變薄更易破裂，流體表面張力作用減弱，使得流體與壁面之間的摩擦壓降減小，故總摩擦壓降減小。

圖6 熱通量 30 kW·m-2、質量流率 300 kg·m-2·s-1、不同飽和溫度時管內CO2實驗摩擦壓降梯度Fig.6 Experimental frictional pressure drop for CO2 at G=300 kg·m-2·s-1 with initial heat flux q=30 kW·m-2 at different saturation temperature

2.4 干度對壓降的影響

實驗結果表明：CO2水平微細通道內流通沸騰摩擦壓降隨干度變化趨勢基本一致，在中低干度區域摩擦壓降梯度隨著干度增大而增大，在高干度區域增速放緩，摩擦壓降在某個干度存在極值，越過極值后摩擦壓降隨干度增大而緩慢減小；摩擦壓降在質量流率較高的條件下增速較快，在對于低質量流率工況下，當干度增大時，摩擦壓降的增大速度趨于平緩；在飽和壓力較低的條件下摩擦壓降隨著干度呈正相關增長，當達到極大值后摩擦壓降出現明顯下降，高壓力條件下摩擦壓降梯度增長平緩。究其原因主要是管內流型的改變引起的，在核態沸騰開始階段，管內流型大多為塞狀流，在管內壁面不斷生成的氣泡擾動下，兩相流動摩擦壓降顯著增加；此外隨著內部液態工質不斷蒸發，生成的氣泡聚合作用使得對液膜的擠壓作用力增大，易形成較為穩定的環狀流，促使摩擦壓降增加，直至部分干涸現象開始出現，引起摩擦壓降增大的擾動作用達到最大，此后管內壁面生成的氣泡擾動作用有限，壓降趨于平穩。當流型由環狀流向霧狀流轉變時，氣相變成連續相，液態CO2以滴狀的形式彌散在中心高速氣流中，此時流體與壁面的摩擦阻力相對于環狀流時會有所下降。

3 流態圖對比驗證

實驗結果表明摩擦壓降值的變化與管內流態具有密不可分的聯系。圖7所示為實驗中觀察到穩態條件下氣液兩相流流型匯總，分別為泡狀流（bubbly flow）、塞狀流（slug flow）、間歇流（intermittent flow）、層流（stratified-wavy flow）、波狀流（wavy flow）、環狀流（annular flow）、霧狀流（mist flow）共7種流型。通過對同一工況不同干度下流態的分析，推演出流態發展過程：流體受熱在管壁面生成氣泡，隨著氣泡逐漸生長脫離壁面形成一個個直徑小于管截面的圓形或細長形氣泡懸浮于管內，形成泡狀流，氣泡的形狀隨質量流率與熱通量而變化。隨著換熱持續進行，氣泡生成速度加快，大量的氣泡聚并在一起氣泡直徑充滿管內徑，形成間歇流或塞狀流，當換熱使大量液體氣化導致管內流速迅速增加時管內流態演變為中間具有快速流動的蒸汽核心，管壁附著一層薄液膜，液膜與蒸汽界面表現為波狀，形成波狀流。在這其中分層流出現過，由于換熱過程極快，所以出現時間極為短暫。隨著干度繼續增大管內中心氣流速度繼續加快，液體被擠壓到管內壁兩側形成環狀流。環狀流過程中蒸汽流流動時夾帶著不規則的液滴，同時薄液膜與管壁間的核態沸騰受到抑制，當管壁液膜隨換熱過程由薄變干直至消失后整個換熱流態進入霧狀流。實驗結果表明理論分析所采用的流態形式與實際 CO2在微細通道內所具有的流態類型基本一致。

圖7 管內CO2流動沸騰換熱流態Fig.7 Flow pattern of CO2 during flow boiling heat transfer

研究流態圖的目的就是揭示熱通量、質量流率、飽和溫度等參數對流態的影響，用于解釋換熱特性和壓降特性變化趨勢。Cheng等[21-22]通過對流態的研究獲得了CO2流態預測模型，該流態圖反映了隨流體干度和質量流率變化所對應的流態轉變曲線，具有重要的實際意義，通過確定CO2流動沸騰換熱過程中不同質量流率所對應的轉變干度即可獲得其流態圖。圖8～圖11為不同換熱工況下實測摩擦壓降與對應理論預測流態，圖中流態轉變曲線為泡狀流-間歇流轉變曲線(G bubble)、波狀流-環狀流轉變曲線(G wavy)、層流-波狀流轉變曲線(G strat)、間歇流-環狀流轉變曲線(X IA)、環狀流-干涸轉變曲線(G dryout)、干涸-霧狀流轉變曲線(G mist)。

圖8 飽和溫度-10℃、質量流率400 kg·m-2·s-1、熱通量7.5 kW·m-2時CO2實測摩擦壓降梯度與對應流態Fig.8 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-10℃，G=400 kg·m-2·s-1，q=7.5 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

從理論流型圖與實驗值對比可以看出，熱通量對干涸區和霧狀區有決定性作用，熱通量越大，代表環狀流區域的面積越小，包括橫掠干度和縱掠質量流率都對應減小。通常來說隨著熱通量逐漸增大，干涸區的起始干度減小，但干涸區和霧狀區的干度跨度增大，這嚴重影響CO2流動沸騰換熱特性。雖然熱通量對高干度區域的流型轉變影響重大，但是熱通量對摩擦壓降影響較小，摩擦壓降值不會發生突變，且間歇流、環狀流對摩擦壓降變化趨勢起最主要影響。實驗中不同質量流率對流型影響非常大，直接影響管內摩擦壓降。隨著質量流率增大干涸干度明顯減小，不同質量流率直接決定了其換熱過程中所經歷的流態。在低干度區域大多出現間歇流，此時摩擦壓降絕對值和壓降波動都相對較小，摩擦壓降小幅度上升；隨著干度增大流型向環狀流轉變，過度階段壓降發生一定的波動，出現時大時小的現象，絕大多數壓降最大值都落在環狀流末端區域。對此解釋為：環狀流流型時氣液兩相相對流速差值非常大，氣液兩相之間的摩擦壓降值很大，工質與壁面之間摩擦壓降值也一直上升，這樣無論是工質與壁面之間的作用力還是工質氣液兩相之間作用力都達到最大；在高干度區域管內壁面附著的液膜越來越薄，中心氣流速度加快，液滴夾帶現象增強，管道上部開始出現部分干涸現象，此時摩擦壓降雖無大幅度波動，但絕對值已開始下降；隨著干度繼續上升，摩擦壓降一直減小。研究發現當流型從環狀流向霧狀流轉變過程中，并沒有明顯的壓降突變。這說明即使環狀流液膜變薄并發生干涸，壓降也不會有大的波動。飽和溫度對流型轉變有重要影響，隨著飽和溫度的降低，代表干涸區域的面積越小，包括橫掠干度和縱掠質量流率都相應減小。這主要是因為隨著飽和溫度的降低，液氣密度比、表面張力、液體黏度、液體熱導率增大，使得管內氣流速度加快，液相流體能夠更好地附著在管內壁面形成環狀流，在高熱通量該質量流率工況下，管內液滴夾帶現象比較明顯，管內流態直接由環狀流轉向霧狀流。

圖9 飽和溫度-10℃、質量流率400 kg·m-2·s-1、熱通量30 kW·m-2時CO2實測摩擦壓降梯度與對應流態Fig.9 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-10℃，G=400 kg·m-2·s-1，q=30 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

圖10 飽和溫度-10℃、質量流率600 kg·m-2·s-1、熱通量30 kW·m-2時CO2實測摩擦壓降梯度與對應流態Fig.10 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-10℃，G=600 kg·m-2·s-1，q=30 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

圖11 飽和溫度-35℃、質量流率300 kg·m-2·s-1、熱通量30 kW·m-2時CO2實測摩擦壓降梯度與對應流態Fig.11 Experimental frictional pressure drop data for CO2 at T=-35℃，G=300 kg·m-2·s-1，q=30 kW·m-2 and corresponding flow pattern map

通常情況下摩擦壓降隨著氣體和液體流速增加而增加。在相同的氣速下，表觀液速越大，流體與管壁的相對速度也越大，摩擦壓力降也就越大；而液相流速相當時氣速越高，液層越容易被排擠到兩側，與管壁接觸更加密切，液層與管壁的作用力也更強烈，從而摩擦壓力降隨氣速增大而增大。實驗結果顯示在間歇流、環狀流、干涸區、霧狀流流態轉變時摩擦壓降變化較為平緩，沒有發生突變，尤其是在干涸區和霧狀流區域，雖然干涸區的摩擦壓降值開始降低，但變化平緩，并沒有像傳熱系數一樣有突降[23-24]。

4 結 論

本文針對CO2在水平微細通道管內流動沸騰換熱過程進行了實驗研究，分別分析熱通量、質量流率、飽和溫度、干度對壓降特性和流態轉變的影響，并將實驗結果與理論流態預測模型進行對比分析，得到如下結論。

（1）熱通量對摩擦壓降影響很小，幾乎為零，隨著熱通量的增加，達到摩擦壓降最大值所對應的時間會變短；質量流率是影響摩擦壓降最主要的因素，摩擦壓降隨質量流率增加大幅增加，與此同時摩擦壓降最大值所對應的干度值減小；CO2不同飽和溫度物性的改變是造成其不同溫度時壓降特性差異的主要原因，隨著飽和溫度的升高，摩擦壓降變小；摩擦壓降在低干度區域隨干度增速較快，在高干度區域增速放緩，在某個干度值存在極值，越過極值后摩擦壓降緩慢下降。

（2）通過理論計算CO2微細通道內流動沸騰流態圖，分析得熱通量對高干度區域流態轉變有顯著影響，熱通量越高，代表環狀流與干涸區面積越小；質量流率大小直接決定了換熱過程所經歷的流態,飽和溫度對流型轉變有重要影響，主要是由于不同飽和溫度對應的熱物性不同，改變了流型轉變特性。

（3）實驗拍攝到不同工況不同干度下CO2微細通道內流動沸騰換熱過程中流態，并與理論計算流態圖進行對比分析，實驗結果顯示觀測到的流態與理論預測流態較為吻合，理論模型預測摩擦壓降最大值大都落在環狀流末端區域。

符 號 說 明

cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1

D——水力直徑，m

G——質量流率，kg·m-2·s-1

h——焓，kJ·kg-1

k——熱導率，W·m-2·K-1

L——加熱段長度，m

M——摩爾質量，kg·kmol-1

m——質量流量，kg·s-1

q——熱通量，W·m-2

x——干度

α——空隙率

δ——液膜厚度，m

ρ——密度，kg·m-3

下角標

in——進口

l——液體

out——出口

pre——預熱

r——制冷劑

sul——過冷

tp——兩相

v——氣體

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date:2017-05-15.

Prof.LIU Jianhua,lwnlwn_liu@163.com

supported by the Capacity Building Plan for Some Non-military Universities and Colleges of Shanghai Scientific Committee(16060502600).

Flow boiling pressure drop characteristics of CO2in horizontal micro tube

JIANG Linlin1,LIU Jianhua1,ZHANG Liang1,ZHAO Yue2
(1Institute of Refrigeration Technology,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai200093,China;2Shanghai Institute of Metrology and Measurement Technology,Shanghai200093,China)

The study on flow boiling frictional pressure drop characteristics of CO2in horizontal micro tube which internal diameter is 1.5mm was made.Experimental conditions：heat flux(7.5—30 kW·m-2),mass flow rate(300—600 kg·m-2·s-1),and saturation temperature(-40～0℃).Experimental results show：The increase of heat flux makes little effect on frictional pressure drop,almost zero; mass flow rate is the main factor that affects frictional pressure drop; the frictional pressure drop decreases as the saturation temperature increases; the effect of vapor quality on the frictional pressure drop is mainly caused by the change of the flow pattern in the tube.The trend of the experimental measured frictional pressure drop is plotted in CO2flow regime chart and it is found that the theoretical prediction of the maximum value of the frictional pressure drop falls in the end of the annular flow region.Making visible study on flow regime change in each working condition during the experiment process and the theoretical pattern is consistent with the flow pattern of the actual CO2in the micro tube in general.

carbon dioxide; micro tube; flow boiling; frictional pressure drop; flow regime

TK 121; TB 61+2

A

0438—1157（2017）12—4576—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20170613

2017-05-15收到初稿，2017-09-19收到修改稿。

聯系人：柳建華。

姜林林（1990—），男，博士研究生。

上海市部分地方院校能力建設專項計劃（16060502600）。