微通道内非共沸混合制冷剂的流动沸腾特性

吕凤勇，马虎根，何红萍，齐鲁山

（上海理工大学热工程研究所，上海 200093）

研究开发

微通道内非共沸混合制冷剂的流动沸腾特性

吕凤勇，马虎根，何红萍，齐鲁山

（上海理工大学热工程研究所，上海 200093）

采用了3种不同组分比例的R32/R134a工质在0.86 mm的微通道中进行了传热特性和阻力特性的实验研究，考察了非共沸工质不同组分比例对微通道换热特性的影响。实验结果表明：在组分质量分数比为35%/65%时，核态沸腾在小干度下换热效果最好；干度较大时，组分比例对换热的影响效果降低。在大质量流量下传热阻力效应的影响不再明显。在压降方面，组分比为15%/85%的相对压降最大，其它两种组分的压降较小。

流动沸腾；非共沸；组分比；微通道

非共沸混合工质换热性能的一大特点是传热系数的退化（degradation），即流动沸腾传热系数低于相同工况下相应组分纯工质按质量分数线性分布的理想值[1]。非共沸混合工质和单组分工质相比，具有相变过程中温度在一个区域内发生变化的特点，减少蒸发或冷凝过程中的传热温差及传热的不可逆性，提高热力效率，因此研究非共沸混合工质的流动沸腾换热具有节能和发展新型制冷剂的双重意义。混合工质配比将直接影响系统的效率和制冷温度。选取混合工质各组分时要满足相容但不共沸，各组分需有较大的沸点间距，一般沸点差在40～80 ℃，并具有环境可接受性，制冷剂的臭氧破坏指数（ODP）和温室效应指数（GWP）应尽可能小或为零。

魏珍等[2]对不同浓度水/乙醇混合工质在5种不同尺寸梯形硅基微通道中的流动与换热进行了研究。由实验结果得出了摩擦常数和平均Nusselt数的实验关联式；并且发现微流体的流动与换热特性受通道的几何尺寸影响非常显著，随乙醇溶液浓度的

变化，流动特性保持不变，而换热呈现不同的特性；还发现入口段效应对流动与换热的影响都十分显著。赵耀华等[3]采用混合工质thylpentane与甲醇，对大功率芯片散热的微槽群相变散热器的散热性能进行实验研究，其研究与前人所作的工作相比，该研究能使表面温度降低7～9 ℃。赵力等[4]研究了非共沸混合工质蒸发过程中的传热温差，发现非共沸混合工质在相变时存在明显的温度滑移，在蒸发过程中焓值随温度的变化有可能是非线性的，这使得此类非共沸混合工质不可能实现Lorenz循环。李志坚等[5]对多元非共沸混合物池内核态沸腾传热进行了实验研究，指出在三元混合物中高沸点工质对传热系数曲线变化趋势具有重要影响，相同热流下混合物的池内核态沸腾传热系数随着系统压力的增加而增加，沸腾传热系数曲线变化趋势与混合物气液相组分浓度差曲线变化趋势正好相反。本文作者考察了非共沸工质不同组分比例对微通道换热特性的影响。

1 实验系统

图1为实验系统示意图。实验台由实验工质循环系统和制冷循环系统组成，实验工质循环系统由储液罐、屏蔽泵、质量流量计、预热段、可视段、试件段、循环管路等组成。循环流程为：屏蔽泵将储液罐内的制冷剂混合物液体泵出，经质量流量计、预热段，在可视段及试件入口处形成接近沸点的单相液体制冷剂，流经实验段时被加热气化，变成两相混合物或过热蒸气后流入盐水箱的储液罐内，与过冷液体混合，从而形成循环流动。整个系统包括管路及各实验器件保温措施良好。

图1 实验系统示意图

系统采用活塞式压缩机冷却乙二醇水溶液，储液罐放在乙二醇箱中，制冷剂在加热段吸收的热量被乙二醇冷却，制冷剂温度维持在－20 ℃以下。制冷系统的冷凝器采用自来水冷却。每次实验首先保证盐水箱温度冷却到－20 ℃以下，才能保证泵出的制冷剂为单相液体。试件采用内直径为0.86 mm、长度为200 mm的不锈钢单圆管。

工质流量是由美国Fisher-Rosemount公司生产的F025型质量流量计进行测量，其精度为0.15级，绝对精度为 0.00525 kg/m in。实验中的温度、流量和压力信号都采用Agilent公司的34970 A型数据采集仪自动采集。通道进出口温度采用φ0.2 mm的铜-康铜热电偶测量，精度为0.1 ℃。通道进出口压力采用美国 Setra公司生产的压力传感器进行测量，精度为0.25级，绝对精度为2.5 kPa。换热系数的最大和最小不确定度按误差传递公式[6]可算得分别为19.20%和3.40%。

2 实验结果分析与讨论

2.1 数据处理

局部对流换热系数如式（1）。

式中，twz是沿程壁面温度；tfz是非共沸混合工质的平衡温度，单向流动时由热平衡方程计算；两相流动时，tfz为局部饱和温度，根据压力由饱和蒸气压方程计算。

2.2 组分对换热系数的影响

由非共沸混合制冷剂的配比要求，气相中低沸点组分较多，液相中高沸点组分相对较多的原则[7]，R32和 R134a的标准沸点分别为－51.7 ℃（0.1 MPa）和－26.2 ℃（0.1 MPa）。因此本文主要对R32和 R134a质量组分比为 35%/65%、15%/85%和25%/75%三种配比方案进行分析。

非共沸混合工质在相变传热过程中温度滑移和比焓值随温度的非线性变化[8]是其独特的特点，但是这一特性将影响非共沸混合工质在通道内的传热性能。在传热过程中，非共沸混合制冷剂与传热流体间存在温差，其变化在一定程度上造成有用能的损失。混合工质的温度匹配特性可以减少系统的有用能损失，提高系统的热力学性能。然而，温差又是传热的动力，针对非共沸混合工质和换热流体之间的沿程温差变化规律的研究，对换热器的合理设计以及系统优化具有一定的指导意义。

图2 不同组分换热系数比较

图3 不同组分换热系数比较

由图2和图3可知，在热流密度较小时，组分比为35%/65%的换热系数呈单调增加趋势，核态沸腾仍起着重要作用。热流密度小于200 kW/m2时，组分比为 15%/85%和组分比为 25%/75%的换热系数先下降，大于200 kW/m2时持续上升，组分比为35%/65%的换热系数高于其它两种组分比的换热系数，且随热流密度的变化趋于稳定。3种组分都是在较小干度下进行比较，可知，单就换热效果来讲，在小干度下组分比为 35%/65%的核态沸腾换热效果最好，组分R32沸点下的蒸发潜热390.5 kJ/kg大于R134 a沸点下的蒸发潜热216 kJ/kg，所以当R32组分在一定范围内增加是有利的。组分比分别为15%/85%、25%/75%的混合物大约在200 kW/m2时出现换热效果最低点，说明此时的换热现象较为复杂，这一转折既有微尺度效应带来的不稳定性，也有由于工质混合带来的混合效应。两图中稍有一点区别的是，在图3中，没有如图2中较小热流密度时换热系数的变化，这是图3所对应的工质质量流量增加而引起的差异。

图4为质量流量为G=1291 kg/(m2·s)、热流密度q=153 kW/m2、不同干度下，组分对换热系数的影响。由图4可知，质量组分比为15%/85%时换热效果最好。而质量组分比为25%/75%和35%/65%时换热效果没有明显的变化，可见此组分区间为换热效果受组分影响较小的区间。图 5为质量流量为G=5164 kg/(m2·s)、热流密度q=153 kW/m2时换热系数随组分变化关系。由图5可知，大质量流量下组分对换热系数的影响并不明显，各组分对应的变化点所呈现的趋势较为相似，这可能是干度区间较小，且大质量流量下传热阻力效应的影响不再明显。

图4 换热系数随组分变化关系

图5 换热系数随组分变化关系

非共沸混合工质在强制对流蒸发区换热系数低于按纯工质各质量分数线性分布的理想值。换热系数下降的主要原因是混合工质物性的非线性变化和传质阻力效应[9]。非共沸混合工质由于沸点差异大，挥发性不同，沸腾时将出现局部浓度差，从而形成质量扩散。这是非共沸混合工质沸腾换热与纯工质相比的主要差别，这一特点使十分复杂的沸腾换热变得更加复杂。

在蒸发过程中，传质阻力对换热系数的影响[10]：一是由于质量扩散本身对液膜对流换热的影响，当泡点较低的工质在某一点处蒸发形成气泡，使该点附近的该种工质浓度降低，由于浓度差带来的压力差使周围流体的同种工质向该点扩散，从而带来沸腾延迟，造成传质阻力效应；二是液相沸点升高引起壁面过热度损失。双组分非共沸混合工质蒸发时，由于浓度变化引起的气液界面温度不像纯组分那样是饱和的，而是变化的温度，而传热阻力效应与气液相摩尔组分有关，不同的混合物配比是影响气液相摩尔组分相对大小的根本原因。

非共沸混合工质水平单管内流动沸腾换热除了受工质性质的影响外，还存在着另一个特点，即在分层流情况下传热的复杂性。但是研究表明在微通道内的流型较为稳定并未出现分层流效应，因此，微通道流动中，组分对换热效果的影响主要体现在由非共沸带来的传质阻力效应和相变温度滑移区间带来的传热温差的变化上。

2.3 压降特性

图6 压降随热流密度的变化

图7 压降随质量流量的变化

图8 压降随热流密度的变化

图9 压降随质量流量的变化

图10 压降随热流密度的变化

不同比例混合物，不同质量流量下压降随热流密度的变化关系如图6～图11所示。

如图 6，几种质量流量下，都是随着热流密度的增加，压降不断增大，实验过程中，随着热流密度的增加，想要达到同样的质量流量需要更大的泵功率，这和压降增大的现象是相吻合的。因为随着热流密度的增加，混合物的核化沸腾现象加剧，阻力随之增大，想要达到相同的质量流量则需要更多的泵功率，压降自然就会增大。由图6中也可以看出，这和流量增加、压降增大的理论相吻合。在大质量流量下，流体阻力增加的同时，随着热流密度的增加，液体气化现象加剧，阻力进一步增大。从而可以得出结论：流量增加，热流密度增大，换热效果增强，压降增大。同图6一致，如图7，在相同热流密度下，随着质量流量增大，压降不断增大，并且同种质量流量下，呈现递增趋势，这是因为热流密度增加，泵功率增加，阻力增大，微通道的尺度效应是影响阻力的重要因素。如图8～图11，同样，在混合物比例为 25%/75%以及混合物比例为35%/75%时，相同质量流量下随着热流密度的增加，微通道内流体压降增加，相同热流密度下，随着质量流量的增加，压降增大。就压降而言，相同情况下混合物比例为 35%/65%时相对压降最小，25%/75%时压降次之，15%/85%的压降最大。

随着热流密度的增加，压降不断增大，实际实验中，随着热流密度的增大，想要达到同样的质量流量需要更大的泵功率，这和压降增大的现象是相吻合的。

图11 压降随质量流量的变化

3 结 论

通过实验分析了二元非共沸混合制冷剂的组分对换热性能的影响。采用R32/R134a的3种不同配比15%/85%、25%/75%、35%/65%为例，考察了组分对微通道换热性能的影响规律，可以得出以下结论：在一定条件下，混合物的配比对微通道内换热效率的影响是明显的，应根据其特性选择合适的非共沸混合物。在小干度情况下，组分比为35%/65%的核态沸腾换热效果最好，大质量流量下，组分比对换热的影响变得不再明显，各组分对应的变化点所呈现的趋势较为相似。不同组分混合物，当流体在同干度同热流密度下沸腾时，质量扩散的大小及速率不同从而改变沸腾的剧烈程度，而传质阻力效应影响的大小直接导致换热的强弱。相同质量流量下随着热流密度的增加，微通道内流体压降增大，相同热流密度下随着质量流量的增加，微通道内流体压降增大。在同种情况下组分比为35%/65%的相对压降最小，组分比为 25%/75%次之，组分比为15%/85%的压降最大。

符 号 说 明

G——质量流量，kg/(m2·s)

ΔP——压降，kPa

t——温度，℃

h——换热系数，kW/(m2·K)

q——热流密度，kW/m2

x——干度

[1] Jung D，et al. Horizontal flow boiling heat transfer w ith a mixture of R22/R114[J].Int. J. Heat Mass.Transfer，1989，32 （1） ：131-135.

[2] 魏珍，吴慧英，吴信宇.水/乙醇混合工质在硅基微通道中的流动与换热[J].化工学报，2008，59（10）：2706-2712.

[3] 赵耀华，刘建荣，刁彦华，等. 微槽群散热器换热性能实验研究[J].北京工业大学学报，2009，35（1）：58-61.

[4] 赵力，刘惠. 非共沸混合工质蒸发过程中的传热温差探讨[J]. 暖通空调，2005，35（6）：118-121.

[5] 李志坚，孙兆虎，公茂琛，等. 多元非共沸混合物池内核态沸腾传热实验研究[J]. 真空与低温，2005，11（2）：90-97.

[6] 沙国定. 误差分析与测量不确定度评定[M]. 北京：中国计量出版社，2003：137-138.

[7] 张华俊. 制冷原理与性能[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2010：30-50.

[8] Venkatarathnam G，Mokashi G，Murthy S S. Occurrence of pinch points in condensers and evaporators for zeotropic refrigerant m ixtures[J].International Journal of Refrigeration，1996，19 （6） ：361-368.

[9] Jung D S，Radermacher R.Prediction of evaporation heat transfer coefficient and pressure drop of refrigerant mixtures in horizontal tubes[J].International Journal of Refrigeration，1993，16（3）：201-209.

[10] 秦蔚，李美玲，蔡祖恢. 非共沸混合工质水平管内环状流型下强制对流蒸发传热的分析模型[J]. 华东工业大学学报，1996，18（3）：14-17.

Investigation on flow boiling heat transfer of non-azeotropic refrigerant m ixture in m icrochannel

LÜ Fengyong，MA Hugen，HE Hongping，QI Lushan
（Institute of Thermal Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

The heat transfer characteristics in m icrochannel 0.86 mm in diameter for refrigerant m ixture R32/R134a w ith three different mass proportions were studied and the effect of non-azeotropic working media w ith different mass proportions on heart transfer in the microchannel was investigated. The experiment result showed that when mass proportion was 35%/65%，flow boiling heat transfer was the best at low dryness fraction，while the effect of mass proportion on heat transfer was not obvious at high dryness fraction. Heat transfer resistance effect was not obvious at a high mass flux. Pressure drop was the largest when mass proportion was 15%/85%，and for the other two mass proportions，25%/75% and 35%/65%，pressure drop was relatively smaller.

flow boiling；non-azeotropic；proportion；microchannel

TK 124

A

1000–6613（2012）07–1449–05

2011-01-06；修改稿日期：2011-02-13。

国家自然科学基金项目（50876068）。

吕凤勇（1984—），男，硕士研究生。E-mail FengyongLv@126.com.cn。联系人：马虎根，教授，研究方向为微尺度沸腾换热。E-mail mahugen406@hotmail.com。