R170、R600a二元混合工质池内核态沸腾换热实验研究

张雪东 吴玉凤 公茂琼 吴剑峰

(1 华北电力大学动力工程系 保定 071003; 2 中国科学院理化技术研究所 北京 100190)

R170、R600a二元混合工质池内核态沸腾换热实验研究

张雪东1吴玉凤2公茂琼2吴剑峰2

(1 华北电力大学动力工程系 保定 071003; 2 中国科学院理化技术研究所 北京 100190)

进行了R170/R600a二元混合工质池内核态沸腾换热的实验研究，获得了在0.3 MPa饱和压力下，不同热流密度、不同浓度配比的池内核态沸腾传热数据。实验结果表明：在各浓度配比下，壁面过热度和池内沸腾换热系数都随着热流密度的增加而增大；泡露点温差和气液相浓度差都随着R170液相组分浓度配比的增加，先增大后减小，而池内沸腾换热系数则先减小后增大。通过对沸腾换热系数实验数据与相应的经验关联式计算值的比较分析发现，Inoue关联式能够比较好的关联各浓度配比下的沸腾换热系数，其平均绝对偏差为17.3%。

池内核态沸腾换热；R170/R600a；二元混合工质；关联式

所谓池内沸腾，是指加热面浸没在具有自由表面的液体中所发生的沸腾，此时产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由表面进入容器空间。核态沸腾指的是汽化核心对传热起着决定性影响的沸腾。核态沸腾有着温差小、传热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。

节流制冷技术是利用实际气体的焦耳-汤姆逊效应发展起来的一种非常成熟的制冷技术。采用纯质的低温节流制冷机虽然具有结构简单、冷端无震动、噪音小、易于微型化等优点，但是由于其热效率低，且运行压力高，因而在要求效率高、长时间使用的场合没有竞争优势。自从Alfeev发现部分互溶的低温混合工质以来，人们发现使用低温混合工质具有纯质不可比拟的优点，如可增大制冷量，降低工作压力，提高节流循环的效率。因此低温混合工质的出现，使这种被动局面得到了根本的改变[1]。这些促使研究者对多种混合工质进行了深入的研究[2-3]。随着信息技术、生物工程、半导体-电子工业、医药医学、军事工业、化工工业、新材料和洁净能源等广泛领域的迅速发展，对80～310 K温区的制冷技术需求越来越大。而采用单级压缩机驱动的多元非共沸低温混合工质回热式节流制冷机就是在该温区内的一种高效、可靠、应用方便的制冷方式。经过几十年的发展，现在已经成为80～310 K温区范围的主要制冷机，也成为低温领域和普冷领域研究的热点[4]。

低温混合工质节流制冷技术还有着如下方面的应用。在液氮温区，低温混合工质节流制冷机目前主要应用于红外器件及高温超导器件的冷却。此外，低温混合工质节流制冷机也可以应用在低温电子器件的冷却[5]。目前，混合工质节流制冷技术在天然气液化领域也得到了应用，与传统多级系统相比，使用混合工质单级压缩节流制冷技术有着更高的效率，且成本较低。在120～150 K温区，低温混合工质节流制冷技术的应用前景更加广阔，该温区的真空及冷冻干燥在国民生产中已占有重要的位置。混合工质制冷机在低温生物及低温医学方面也有广阔前景，如低温生物组织的中长期储存设备，低温医疗器械等。

多元混合工质节流制冷系统中的换热器是最为关键的部件之一，其性能直接影响到制冷机的整机性能[6]。混合工质逆流换热器内同时存在着冷凝和沸腾传热过程，这是一个十分复杂的汽液两相的流动和传热过程。混合工质池内核态沸腾换热的研究将有助于这一过程的准确描述进而有助于分析多元混合工质节流制冷的热工特性。

中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室对工质池内核态沸腾换热进行了大量的实验研究。Sun Z H等[7]对R600a、R290和R134a纯质及其混合物的池内核态沸腾传热进行了实验测量，并根据实验结果分别拟合出了纯质及其混合物的沸腾换热关联式。Gong M Q等[8]对甲烷及其烷烃类混合物在0.13 MPa饱和压力下、不同热流密度的池内核态沸腾传热进行了实验研究。丁黎[9]对R14、烷烃类及其混合物在不同热流密度、不同压力和不同组分配比的池内核态沸腾传热进行了实验研究。

在现有的80～310 K温区混合工质节流制冷系统中，R170、R600a是混合工质的重要组元。然而目前对于R170、R600a二元混合工质的池内沸腾换热特性的研究，在公开发表的文献中还没有看到。本文在前人研究成果的基础上，对R170、R600a二元混合工质沸腾换热特性进行了实验研究，这对混合工质节流制冷机中换热器的设计和整机优化具有非常重要的意义。

1 实验系统图

图1为实验系统示意图。沸腾容器是一个圆筒状不锈钢容器，直径为75 mm，高为100 mm。为便于清洗，容器上下端均以法兰连接，以四氟垫圈密封。无氧铜加热棒直径30 mm，长280 mm，安装在沸腾容器底部，以四氟垫圈进行隔热与密封，其上端面作为加热面。在无氧铜加热棒沿纵轴方向上距离加热面40 mm、80 mm、120 mm和160 mm的位置上打通孔，安置了4支Pt100不锈钢铠装铂电阻温度计，用于测量无氧铜加热棒上不同点的温度以确定加热热流密度。沸腾容器圆筒壁上离底面20 mm和40 mm处打孔并安置紫铜盲管，用以安置2支同样精度的Pt100不锈钢铠装铂电阻温度计来测量混合工质液体的温度，其温度值为2支温度计测量的温度的平均值。沸腾容器顶部法兰上开小孔以插入3根Φ2×0.5 mm的不锈钢毛细管，其中两根分别对工质进行采样，然后与气相色谱仪连接进行组分浓度测量，采用热导检测池方式分析测量；另外一根连接压力变送器以测量容器内压力。整个沸腾容器以及电加热部分均在真空罩内，与外界真空绝热，在加热器外部裹有铝箔用以防止辐射散热。

实验系统的加热装置是由一个主加热器和一个辅助加热器组成。主加热器和辅助加热器是通过在无氧铜棒底部和冷凝蒸发器底部分别紧密地缠绕上镍铬加热器线，该加热器线由美国Cryocon公司生产，直径0.241 mm，外表有绝缘漆保护，电阻率在77 K时为33.4 Ω/m，适合在低温环境下使用。通过DH1720A-5型直流稳压稳流电源提供加热功率。实验过程中，通过调节直流电源的加热功率来改变无氧铜棒上的热流密度和辅助加热量。

实验之前，在沸腾容器内部先用石油醚浸泡，去除杂质，然后内部经过抽真空再充入工质。沸腾实验时，保证工质储罐以及工质不受污染，并且工质储罐中的工质量在满足实验需求的同时需预留一部分在平衡罐中以保证平衡罐中保持正压。往沸腾容器中充入的工质要保证有30～60 mm的液量，少了会影响沸腾的测试效果，多了会对压力测量产生波动影响，并且浪费工质。为了避免沸腾滞后效应，应采取热流密度逐渐降低的方法，分别测量沸腾换热实验数据。实验的热流密度和壁面温度是通过加热棒上四点的温度值依照傅立叶定律推导计算出来的。当实验工质为混合工质时，采用称重法测量出各个组分的初始配比，使用精度为0.1 g的精密天平称量。使用气相色谱仪测量组分浓度时，保证重复性的精度在1%以内[10]。压力变送器采用Druck公司生产的0.04级绝压型压力变送器，实验范围内压力测量的不确定度为0.0016 MPa。所采用的Pt100不锈钢铠装铂电阻温度计的测温范围为80～310 K，不确定度为 ± 0.1 K。

2 实验结果及讨论

利用上述实验装置获得了R170和R600a二元混合物在0.3 MPa饱和压力(或称泡点压力，其值等于各组分的饱和蒸气压与其摩尔分数乘积之和)下，不同热流密度、不同液相组分摩尔比的池内核态沸腾传热数据，结果及分析如下：

图2显示了R170/R600a二元混合物在0.3 MPa时，组分摩尔比为0∶1、1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1、9.5∶0.5、1∶0下热流密度随壁面过热度的变化关系，从图中可以看出在各组分下壁面过热度都随着热流密度的增加而增大；在同一热流密度下，纯质所需壁面过热度要远小于混合物且当摩尔比为7∶3时所需壁面过热度最大。

图3给出了R170和R600a不同组分浓度配比时池内沸腾换热系数随热流密度的变化关系。在各浓度配比下，其池内沸腾换热系数都随着热流密度的增大而增大，且在双对数坐标下成线性关系。因此沸腾换热系数与热流密度可表示成：h=Cqn。这表明该混合物处于核态沸腾区。还可以看出，在同一热流密度下，该混合物的池内核态沸腾换热系数要明显小于其纯质的沸腾换热系数。前人的研究也表明，对于非共沸混合物，混合物的沸腾换热系数都小于其组分纯质的换热系数，原因在于传质阻力和局部沸点的升高[11]。在微液层中易挥发组分率先蒸发，出现浓度梯度，从而使宏液层中易挥发组分向微液层扩散，这一过程比纯质多了传质阻力。且在近壁面处由于易挥发组分的减少，使微液层中局部泡点温度升高。

图4给出了R170和R600a在0.3 MPa压力下的相平衡图及池内核态沸腾换热系数、泡露点差(ΔTbp)、气液相浓度差(|y1-x1|)随二元混合物中R170液相组分浓度配比(x1)的变化曲线。其中，相平衡数据ΔTbp和|y1-x1|是根据软件Refprop V8.0计算得到的。从图中可以看出：R170/R600a混合物是典型的非共沸混合物。其泡露点差和气液相浓度差都随着R170液相组分浓度配比的增加，先增大后减小，而二元混合物的池核沸腾换热系数则先减小后增大。且在纯质附近，随着另一组分的加入，沸腾换热系数急剧下降；在R170液相摩尔浓度配比为0.3

3 混合物换热系数实验数据与关联式的比较

由于混合物池内核态沸腾换热的复杂性，其机理至今仍然没有完全弄清。目前对混合物沸腾换热的计算主要是通过经验半经验关联式进行，混合物的沸腾换热关联式近年来得到了很大发展。

本文将R170/R600a在各组分浓度配比下的池内核态沸腾换热系数分别同Palen & Small关联式(1964)、Stephan & Korner关联式(1969)、Calus & Rice关联式(1972)、Jungnickel关联式(1980)、Schlunder关联式(1983)、Thome关联式(1983)、Thome & Shakir关联式(1987)、林瑞泰、阎润生关联式(1993)、Fujita & Tsutsui关联式(1994)、Fujita & Tsutsui关联式(1997)、Inoue等关联式(1998)[12](由于篇幅所限，未列出各个关联式)计算值进行了比较，如图5～图10中所示。从图5可知：各关联式计算值都能比较好的吻合实验数据，相对偏差范围在±25%之内。图6为R170/R600a=3∶7时的沸腾换热系数实验数据和各关联式计算值的比较，从图中可知：只有Palen & Small关联式计算值与实验值偏差稍大，其它关联式计算值都在可以接受的吻合程度范围内。图7为R170/R600a=5∶5时的实验数据和各关联式计算值的比较，从该图中可知：Thome、Fujita & Tsutsui-2、林 & 阎、Jungnickel、Calus & Rice 关联式计算值都低于实验值。其它关联式计算值与实验值吻合得较好。

从图8～图10中可以看出：在R170/R600a=7∶3、9∶1、9.5∶0.5 三个浓度配比下，Stephan & Korner关联式计算值远大于实验值，这主要是因为关联式中A0的取值，A0为二元系统的一个常数，需要对每一组二元混合物提出不同的合适值。因此，只要调整A0，该关联式可以很好的吻合各浓度配比下的实验值，只是每组都要提出不同的A0值，使关联式不具备广泛的适用性。在这三个浓度配比下，Thome、Fujita & Tsutsui-2关联式计算值都远小于实验值。

综合图5～图10可以发现：能够比较好的关联各浓度配比下的沸腾换热系数的关联式是Inoue关联式。通过对Inoue关联式计算值与实验值的比较发现，其平均绝对偏差为17.3%。图11给出了Inoue关联式和实验值的比较。可以看出，R170/R600a=1∶9和R170/R600a=3∶7这两个浓度配比下的关联式计算值和实验值吻合的比较好，其它几个浓度配比下关联式计算值稍小于实验值。从Inoue关联式的形式可以发现：该关联式着重考虑了泡露点差(ΔTbp)和热流密度q对沸腾换热系数的影响。认为混合物沸腾传热系数降低的主要原因是有效温差减小所致，且泡点温度是一个随热流变化的函数。

4 结论

在池内核态沸腾换热实验台上测量了R170和R600a二元混合物在0.3 MPa 饱和压力下，不同热流密度、不同浓度配比的池内核态沸腾传热数据，根据实验结果得出以下结论：

1)各组分下壁面过热度都随着热流密度的增加而增大；在同一热流密度下，纯质所需壁面过热度要远小于混合物。

2)在各浓度配比下，其池内沸腾换热系数都随着热流密度的增大而增大，且在双对数坐标下成线性关系，这表明该混合物处于核态沸腾区。

3)泡露点差和气液相浓度差都随着R170液相组分浓度的增加，先增大后减小，而二元混合物的池核沸腾换热系数则先减小后增大。

4)能够比较好的关联各浓度配比下的沸腾换热系数的关联式是Inoue关联式，其平均绝对偏差为17.3%。

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About the corresponding author

Zhang Xuedong, male, Ph. D. / candidate, the lecturer, Dept. of Power Engineering, North China Electric Power University,+86 10-82543737,E-mail: kouyizhinan@163.com. Research fields:refrigerants boiling and condensation heat transfer.

Experimental Research on Nucleate Pool Boiling Heat Transfer of R170 and R600a Binary Mixtures

Zhang Xuedong1Wu Yufeng2Gong Maoqiong2Wu Jianfeng2

(1. Dept. of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding, 071003, China; 2. Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190, China)

Experimental studies were carried out on the nucleate pool boiling heat transfer of binary mixtures of R170/R600a. The heat transfer data of binary mixtures of R170/R600a at 0.3MPa saturated pressure, various heat fluxes and different mixture concentrations were measured. The results showed that the wall superheat and nucleate pool boiling heat transfer coefficient increased with increasing heat fluxes at different mixture concentrations. The temperature difference between the dew and bubble point and gas-liquid phase concentration difference increased first and then decreased with increasing liquid phase concentration for R170, while the pool boiling heat transfer coefficient decreased first and then increased with increasing liquid phase concentration for R170. Some typical semi-empirical correlations were selected to compare with the measured data. As a result, the Inoue correlation showed the best predictions for the nucleate pool boiling heat transfer and yielded a 17.3% absolute deviation.

nucleate pool boiling heat transfer; R170/R600a; binary mixtures; correlation

0253- 4339(2015) 01- 0084- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.084

2014年6月21日

TB61+2; TB61+1

A

张雪东，男，在职博士研究生，讲师，华北电力大学动力工程系，(010) 82543737，E-mail: kouyizhinan@163.com。研究方向：制冷剂沸腾与凝结换热。