CO2水平管外池沸腾换热的实验研究

刘圣春 李兰 宁静红 刘江彬

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

CO2水平管外池沸腾换热的实验研究

刘圣春 李兰 宁静红 刘江彬

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

对自然工质CO2在不同沸腾压力下的光管、机械加工表面强化管(Turbo-EHP)水平单管管外电加热池沸腾进行了实验研究。从核态沸腾的角度分析了光管、强化管管外沸腾换热系数随热流密度、沸腾压力的变化规律，通过对热流密度在10～50 kW/m2、蒸发压力在2～4 MPa范围内的换热数据分析拟合得出光管时CO2在该范围下的换热关联式，拟合关联式的计算值和实验值的误差在±8.73%以内。新的拟合关联式的计算值与已有关联式的预测值的偏差在±15%之内。在热流密度范围内强化管的强化倍率在1.50～1.72之间。研究结果对进一步深入研究CO2池沸腾换热及蒸发器的设计具有指导意义。

CO2；池沸腾；传热系数；强化传热

CO2由于其蒸发压力高(2.0～6.0 MPa)及容积换热量大，更适于小管径的换热器。但是CO2在管内流动时，容易发生干涸现象，导致换热效果恶化[1－2]。mKatsuta等[3]与丁睿等[4]通过研究得出，制冷剂中存在润滑油，会对小管径的沸腾换热产生重大影响，使得换热系数剧烈下降。而对于满液式蒸发器，换热壁面浸泡在制冷剂中，不会出现干涸现象；同时，CO2表面张力小，在相同蒸发温度下，更容易发生沸腾，所以CO2池沸腾换热系数明显增大。蒸发强化换热管是满液式换热器的一种重要管型。在一定热流密度范围内，其换热效果可达普通换热管的几倍。19世纪50年代以后，蒸发强化换热管的研究受到了广泛关注，对沸腾换热的研究获得了一系列重要的成果[5－8]。目前，沸腾换热的机理开始进行了新的研究，主要是换热系数与压力和热流密度的关系，通过实验数据确定管内外换热关联式，强化换热管与普通光管之间的性能比较等方面的研究[9－11]。国外研究学者Dieter G等[12]对CO2池沸腾换热进行了理论和实验研究，并进行了简单的可视化观察；文献[13]指出在相同压力、热流密度和相似粗糙度条件下，壁面材料对CO2池沸腾传热系数的影响。Kotthoff S 等[14]的实验结果考虑热流密度、对比压力、表面粗糙度等的影响，拟合出热流范围为泡点形成至100 kW/ m2，蒸发压力在2～4.5 MPa范围内的换热关联式。Ribatski S J[15]对R134a和R123进行了池沸腾换热实验，研究了壁体材料和表面粗糙度对核态池沸腾换热的影响，并在Cooper公式[16]基础上提出了一种修正后的换热关联式。

分析众多研究者的研究内容，对于换热关联式都力求多个参数拟合，对于其工程应用，尚有局限。本研究对CO2在光管、机械加工强化管水平单管管外电加热池沸腾进行了实验研究，分析不同压力下，换热系数随热流密度及沸腾压力的变化规律，提出了简化的CO2池沸腾换热关联式，并比较了强化管的强化倍率，对进一步研究CO2池沸腾换热及其工程应用具有指导意义。

1 实验系统

1·1 CO2电加热池沸腾实验装置

本文在原有的CO2跨临界循环实验台基础上，添加了电加热池沸腾换热实验段，组成CO2电加热池沸腾实验装置。实验系统原理图如图1所示。本实验采用的是传统有回热的CO2制冷循环。工作过程为:压缩机排出的高温高压的CO2气体首先进入油分离器，分离出压缩机排气中携带的润滑油后，进入气体冷却器，与冷却水换热后进入回热器与来自出集液器的低温低压的CO2气体进行换热，经过节流阀，进入电加热池沸腾实验段，吸收电加热的热量进入集液器，再进入回热器，最后进入压缩机，完成一个循环。

图1 实验系统图Fig·1 SchematiCdiagramof experimental apparatus

CO2电加热池沸腾换热实验管段示意图如图2所示，电加热池沸腾实验段的电加热管由两根管挤压而成，内管为电加热棒，外管为实验管，两者之间加入焊锡。电加热池沸腾实验段的外管为Φ89 mm×10 mm的不锈钢管。CO2流体在实验管和外管间的环形空间流动，实验管浸没在制冷剂中，故称池沸腾。为了便于更换实验管，两端采用法兰连接。为了观察CO2池沸腾换热特性，在不锈钢管外管中间安装有一对视镜，分别为采光视镜和观察视镜。两者呈90°放置。

图2 实验管段示意图Fig·2 Detail of test section

电加热池沸腾换热实验段的参数测量装置主要包括温度测量，压力测量，流量测量和电加热功率测量装置。实验用的热电偶和压力传感器在使用前已经过标定。温度校准设备精度范围为±0.1℃。压力传感器采用多功能校验仪进行标定，内置INT160压力模块，量程为0～16 MPa，分辨率为0.0001；精度为0.005%FS＋0.0125%RDG。

实验管件为光管和某公司提供的机械加工表面强化管Turbo-EHP，实验光管的有效长度为1.2 m，直径为22 mm，机械加工强化管的尺寸参数如表1所示，有效长度为1.2 m。实验用光管和强化管的实物图如图3、图4所示。

表1 强化管尺寸参数表Tab·1 Geometry parameters of enhanced tube

图3 实验光管实物图Fig·3 Physical figure of smooth tube

图4 强化换热管实物图Fig·4 Physical figure of enhanced tube

1·2 CO2电加热池沸腾温度测量装置

为了计算传热温差，池沸腾换热需要测量管外CO2饱和液体的温度及电加热管外壁面温度。为了准确测量CO2饱和液体的温度，电加热池沸腾实验段共有12个测温点，热电偶的末端放置于内管和外管环形空间的中间位置，取12个测温点的平均值作为CO2液体的饱和温度。通过挤压在电加热棒和电加热外管间的K型热电偶可测量电加热内管的温度。外管12个热电偶通过高压流体密封装置解决密封要求。密封装置原理图如图5所示。

图5 密封装置原理图Fig·5 SchematiCdiagramof sealing device

2 数据处理及分析

2·1 数据处理

1)电加热池沸腾实验段换热量计算

电加热池沸腾实验管段及管路外面均包裹保温材料，实验过程中忽略与外界空气的热交换，认为电加热管的加热功率等于制冷剂的吸热量。电加热光管和强化管的内部电阻值均为12Ω，则电加热管的功率为:

2)电加热池沸腾实验段热流密度的计算在稳定工况下，电加热管的热流密度为:

3)电加热管外壁面温度计算

要将热电偶的测量温度转化成电加热管的外壁面温度，换算方法依据为圆筒壁的导热公式:

4)CO2饱和液体温度的计算

CO2饱和液体温度采用文献[17]提出的方法进行采集。通过沿电加热管轴向布置的12温度测点获得，取12个测点的平均值作为CO2饱和液体的温度:

5)CO2沸腾换热系数的计算

每一个工况在稳定后测量，共测十组数据，以平均值作为该工况的数据，对于所测定的压力工况，通过调节节流阀及气体冷却器冷却水的流量来实现。

2·2 数据分析及讨论

1)拟合换热关联式计算值和实验值的对比分析

图6表示光管情况下，CO2在 2.6 MPa、2.9 MPa、3.2 MPa、3.6 MPa四个蒸发压力下，沸腾传热温差随着热流密度的变化关系。从图6中可以看出:随着热流密度增加，在四个蒸发压力下沸腾传热温差随着热流密度的变化趋势基本一致。随着热流密度的增加，沸腾传热温差逐渐增大。在同一热流密度条件下，蒸发压力越高，沸腾传热温差越小。

图6 不同蒸发压力下CO2沸腾温差随热流密度的变化关系Fig·6 CO2boiling temperature difference versus heat flux under different evaporation pressure

图7为CO2池沸腾换热系数随热流密度的变化关系。从图7中可以看出CO2的沸腾换热系数随着热流密度增加而增加。热流密度增加使壁面过热度增大，会产生更多的气化核心，相应产生的气泡数目增多，换热系数增大。从图7可以看出相同热流密度条件下，蒸发压力越高，沸腾换热系数越大，沸腾换热系数与热流密度符合h∝qn的关系，本文在实验数据的基础上拟合出 CO2在蒸发压力的范围为2～4 MPa、热流密度为10～50 kW/m2的换热关联式:

式(6)中:h为换热系数，W/(m2·K)；q为热流密度，W/m2；p∗为对比压力。公式拟合过程中采用的数据是CO2的实验数据，在关联式简化过程中简化了CO2物性对池沸腾换热的影响，抓住了对池沸腾换热有重要影响的热流密度、压力。

图7 不同蒸发压力下CO2沸腾换热系数随热流密度的变化关系Fig·7 CO2boiling heat transfer coefficient versus heat flux under different evaporation pressure

图8 蒸发压力为2·6 MPa,3·2 MPa下拟合关联式计算值与实验数值的比较Fig·8 Comparison between fitting correlation values and experimental values under the evaporating pressure 2·6 MPa and 3·2 MPa

图8和图9为四组不同蒸发压力下实验数值与拟合换热关联式计算值的比较，从图中可以看出，拟合关联式很好的反映了给定蒸发压力下的实验数据的变化趋势，拟合关联式的计算值和实验值的误差在±8.73%以内，拟合公式能够较好的反映CO2在实验范围内的换热规律。

图9 蒸发压力为2·9 MPa,3·6 mPa下拟合关联式计算值与实验数值的比较Fig·9 Comparison between fitting correlation values and experimental values under the evaporating pressure 2·9 MPa and 3·6 MPa

3)CO2在水平光管和强化管管外沸腾换热实验研究分析

2)拟合换热关联式和已有关联式的对比分析

图10与图11分别表示压力为3.2 MPa和3.6 MPa时，CO2换热系数随热流密度的变化情形。可以看出CO2新的拟合公式值与各关联式的预测值符合的较好。在高热流密度下，新的拟合公式值比叶天震[18]的实验拟合值换热系数高，因为拟合公式所选取的数据是采用电加热恒热流池沸腾实验方法，而后者的实验拟合公式数据是选取的流动沸腾换热实验方法，后者的沸腾情况比较难控制，很难达到完全的满液沸腾。可以看出，不同的压力下，热流密度对池沸腾换热的影响程度不同。在较高压力下(3.6 MPa)，热流密度对沸腾换热的影响比低压力下(3.2 MPa)小。CO2新的拟合公式值与Cooper预测值的偏差在±15%之内，与Ribatski关联式预测值的偏差在±7%之内，与叶实验关联式预测值的偏差在±9%之内。比较结果表明新的拟合公式计算值与关联式的预测值的偏差在±15%之内。计算结果与已有的关联式间存在偏差，但是简化了公式的形式，具有一定的通用性。

图10 压力为3·2 MPa时关联式之间的误差分析Fig·10 Error analysis between correlations under pressure 3·2 MPa

图11 压力为3·6 MPa时关联式之间的误差分析Fig·11 Error analysis between correlations under pressure 3·6 MPa

图12表示CO2在2.6 MPa、3.2 MPa两个蒸发压力下，沸腾传热温差随着热流密度的变化关系。由图可知，强化管的沸腾传热温差明显小于光管所需的传热温差。强化管的表面与光管表面相比，增加了大量的气化核心，能吸附一定量的蒸气，因此可以明显降低产生气泡所需的沸腾传热温差。较低的沸腾传热温差意味着在同样温度下，可提高蒸发温度，这有利于提高制冷系统的效率。

图12 不同蒸发压力下CO2沸腾温差随热流密度的变化关系Fig·12 CO2boiling temperature difference versus heat flux under different evaporation pressures

图13为蒸发压力为2.6 MPa和3.2 MPa时，CO2在光管和强化管外沸腾换热特性的对比。从图中可知，在同一压力下，CO2在强化管外的沸腾换热效果明显强于光管。这主要是由于强化管外特殊的表面结构有利于气化核心的形成和保持，并能促进气泡的脱离。虽然光管和强化管的沸腾换热系数都随热流密度的增加而增加，但在同样的压力下，热流密度对强化管沸腾的影响要大于对光管的影响。根据实验结果，在蒸发压力为2.6 MPa和3.2 MPa时，在实验热流密度范围内，强化倍率为1.50～1.72。

图13 不同蒸发压力下CO2沸腾换热系数随热流密度的变化关系Fig·13 CO2boiling heat transfer coefficient versus heat flux under different evaporation pressures

3 结论

本文对CO2池沸腾换热进行了实验研究。通过对实验数据的分析和处理，得出CO2水平光管和强化管池沸腾换热过程中换热系数与热流密度和蒸发压力的关系，得到如下结论:

1)通过对大热流密度下的光管换热分析，得出CO2在热流密度范围为10～50 kW/m2，蒸发压力在2～4 MPa范围内的换热关联式。拟合关联式很好的反映了给定蒸发压力下的实验数据的变化趋势，计算值和实验值的误差在±8.73%以内。

2)通过新的公式拟合值和其他关联式的计算预测值进行对比，发现CO2新的拟合公式值与各关联式的预测值符合的较好，具有一定的通用性。

3)对CO2在水平光管和强化管外池沸腾换热的研究结果表明，在不同沸腾压力下，强化管中热流密度对沸腾换热的影响大于光管。强化管沸腾所需的壁面过热度低于光管，在蒸发压力为2.6 MPa和3.2 MPa时，在实验热流密度范围内，强化倍率为1.50～1.72。

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About the corresponding author

Liu Shengchun，male，associate professor，Tianjin University of Commerce，＋86 13920682426，E-mail:liushch＠tjcu.edu.cn. Research fields:energy saving for refrigeration system，natural refrigeration substitution.

Experimental Research on CO2Pool Boiling Heat Transfer outside Horizontal Tube

Liu Shengchun Li Lan Ning Jinghong Liu Jiangbin

(Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin，300134，China)

The pool boiling heat transfer of natural refrigerant CO2outside single horizontal tube is investigated experimentally under different boiling pressure.Smooth tube and enhanced tube(Turbo-EHP)are taken as the single horizontal tube with electrical heating.The relationshiPof boiling heat transfer coefficient along with the heat flux and the boiling pressure is analyzed，and the heat transfer correlation of smooth tube under heat flux of10～50 kW/m2and boiling pressure of2～4 MPa is obtained.Themaximumerror is 8.73%when the experimental values are compared with fitting formula.Compared with other existing heat transfer correlations，the new fitting formula of CO2ismatching verywell，and themaximumerror is15%.In the range ofexperimental heat flux and boiling pressure，the overallheat transfer coefficients of the enhanced tube are higher than that of the smooth tube，and its enhancement factors varies from1.50 to 1.72. This papermakes useful exploration of CO2pool boiling heat transfer and will benefit the design of evaporator.

CO2；pool boiling；coefficient of heat transfer；heat transfer enhancement

TB61＋1；TK124

A

0253－4339(2015)02－0034－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.034

简介

刘圣春，男，副教授，天津商业大学，13920682426，E-mail:liushch＠tjcu.edu.cn。研究方向:制冷系统节能及自然工质替代研究。

国家自然科学基金(51006073)资助项目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51006073).)

2014年7月8日