压力对R134a流动换热特性的影响

逯国强，胡桂秋，胡　凯

(承德石油高等专科学校 热能工程系，河北　承德　067000)



压力对R134a流动换热特性的影响

逯国强，胡桂秋，胡凯

(承德石油高等专科学校 热能工程系，河北承德067000)

摘要：实验研究了压力参数对R134a在螺旋管内流动换热特性的影响，结果表明在液态单相对流换热阶段，换热系数随压力升高而减小，在流动沸腾换热阶段，换热系数随压力的升高而增大。从压力对定压比热容、气泡行为特性影响的角度解释了原因。实验结果可为应用于空调器的螺旋管式蒸发器设计计算提供基础数据。

关键词：压力；流动换热；定压比热容；气泡行为

R134a是空调设备目前常用的两种制冷剂之一，研究其在蒸发器内流动换热特性对于蒸发器设计和空调器性能提高有重要意义，因而成为当前研究的热点。螺旋管是一种强化换热管，它特有的弹簧状结构能自由膨胀，热应力小；工质管内流动时发生二次回流，能够强化换热，降低热阻；相比于直管，相同空间可以布置更长的管子，因而在工程领域获得了广泛应用。当前对螺旋管换热特性的研究主要以超临界压力锅炉的螺旋管圈水冷壁换热、高温气冷堆一回路换热为应用背景，多数以水作为工质[1-3]。以制冷剂为工质，应用于空调蒸发器的螺旋管换热特性研究鲜有报道。本文以制冷剂R134a为工质，通过电加热模拟控制热流密度工况，实验研究了压力参数对卧式螺旋管内流动换热特性的影响，分析了作用机理，可为螺旋管式蒸发器的设计及计算提供基础数据。

1实验装置简介

实验系统的循环示意图如图1所示。循环由计量泵1提供动力，液态工质被泵出后经质量流量计2进入实验段3被加热，发生从液态单相流动向流动沸腾的转变。实验段3与平衡段4均为卧式螺旋管，分别由两个相同的电源加热，实验段3每增加一定的加热量，平衡段4就相应地减小相同的加热量，从而保持整个实验系统输入总热量不变，以利于系统的平衡和稳定。从平衡段4出来的两相工质进入冷凝器9被冷凝成为具有一定过冷度的液体，继而进入储液罐10，再次被计量泵1泵送，完成一次循环。冷凝器9的冷量由冷水机组提供。

实验数据的处理主要求解不计轴向导热的具有内热源的一维稳态导热微分方程，得到内侧壁面温度、确定流动沸腾起始点、计算局部换热系数等，相关内容可参考文献[4]。

2实验结果及分析

本文在螺旋管流动方向上选取一个完整管圈上的五个等间距布置的测点(按照流体流经的先后顺序分别编号为1至5)，如图2所示，在质量流速G=150 kg·m-2·s-1，入口过冷度△Tsub=6.0 K条件下，研究了系统压力分别为0.412 MPa、0.567 MPa时，五个测点的局部换热系数分布情况。

2.1液态单相对流换热

图3是加热热流密度为q=1 000 W·m-2，工质在测试位置处于液态单相对流换热阶段时，不同压力下五个测点的局部换热系数分布情况。沿流动方向上看，同一压力下，五个测点的局部换热系数没有呈现单调变化的规律，这是螺旋管换热与直管换热的不同之处。原因在于各测点处于螺旋管的不同位置，由于沿流动方向上流体受到的重力及离心力的大小、方向、作用机制持续变化，局部换热系数主要受到这些因素的影响。

从图3可以看到，在单相对流换热阶段，工质压力越高，同一位置的局部换热系数越低。

在这一阶段，工质与壁面换热的机理为液体强制对流换热，在换热管几何条件相同的情况下，工质质量流速、入口过冷度、定压比热等物理参数对换热过程起决定性作用。在温度低于293 K范围内，压力越高，液态R134a的定压比热容Cp越低[5]，这就使得相同质量流速和工质入口过冷度下，高压工质从壁面带走热量的能力低于低压工质，换热能力弱，因而局部换热系数更小。

2.2流动沸腾换热

图4是加热热流密度为q=4 500 W·m-2，工质在测试位置处于流动沸腾换热阶段时，不同压力下五个测点的局部换热系数分布情况。可以看到，在流动沸腾换热阶段，工质压力越高，同一位置的局部换热系数越高。

在这一阶段，工质与壁面换热的机理为液态强制对流换热与沸腾相变换热的复合，且后者占据明显的主导作用，压力通过影响定压比热进而影响换热的作用已相对微弱。而压力对沸腾过程中的汽泡行为特性有明显影响，进而影响到换热特性。压力的作用可从两个方面分析：一方面，系统压力越大，单个蒸汽分子的能量越大，汽泡从壁面脱离的强度更高，脱离速度更快，从而可以更迅速地从壁面带走热量，相同时间内带走的热量更多。此外，汽泡从壁面脱离后进入管子中心，通过凝结放热的方式与液态工质进行热量交换，在汽液两相流动阶段，压力能够影响汽、液态工质密度，对蒸汽态工质的影响尤其显著，压力越高蒸汽密度越大，这样汽泡进入管子中心与液态工质接触碰撞换热的频率越高，热交换更为频繁，换热强度更高；另一方面，压力越高，蒸汽饱和温度越高，汽泡的表面张力随饱和温度的升高而降低，汽泡在壁面的滑行距离缩短[6]，脱离速度加快，不易形成阻碍传热的稳定汽泡膜，从而热阻更小，换热强度更高，局部换热系数更大。

3结论

系统压力对制冷剂R134a在卧式螺旋管内流动换热特性有显著影响，且对液态单相对流换热和流动沸腾换热的作用效果相反。在液态单相对流换热阶段，压力越高局部换热系数越小；在流动沸腾换热阶段，压力越高，局部换热系数越大。对于螺旋管式换热器，流动沸腾换热量远大于液态单相对流换热量，因而提高系统压力有利于整个换热器平均换热系数的提高。

参考文献：

[1]郭萌, 赵亮, 毛宇飞, 等. 高质量流速下立式螺旋管内汽液两相传热特性研究[J]. 工程热物理学报, 2008, 29(3): 423-428.

[2]朱宏晔, 杨星团, 居怀明, 等. 螺旋管内水和蒸汽局部传热特性研究[J]. 热科学与技术, 2012, 11(1): 27-33.

[3]陈听宽, 罗毓珊, 胡志宏, 等. 超临界锅炉螺旋管圈水冷壁传热特性的研究[J]. 工程热物理学报, 2004, 25(2): 247-250.

[4]邵莉. R134a 在卧式螺旋管内的两相流动与传热特性研究[D]. 济南：山东大学, 2009.

[5]朱明善, 韩礼钟, 李立, 等. 绿色环保制冷剂HFC-134a热物理性质[M]. 北京: 科学出版社, 1995.

[6]Prodanovic V, Fraser D, Salcudean M. Bubble behavior in subcooled flow boiling of water at low pressures and low flow rates[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2002, 28(1): 1-19.

Effect of System Pressure on R134a Flow Heat Transfer Characteristics

LU Guo-qiang， HU Gui-qiu， HU Kai

(Department of Thermal Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei， China)

Abstract:A research of system pressure effect on R134a flow heat transfer characteristics was experimentally performed, and the results indicate that the heat transfer coefficient decreases with the increasing of pressure under single liquid phase flow heat transfer condition, while under flow boiling heat transfer condition, the heat transfer coefficient increases with the increasing of pressure. An explanation from the point of pressure effect on the specific heat capacity and bubble behavior characteristics was given to analyze the phenomenon. The results can provide reference for the design and calculation of air conditioner helically-coiled evaporator.

Key words:pressure; flow heat transfer; specific heat capacity; bubble behavior

收稿日期：2015-12-03

作者简介：逯国强(1985-)，男，山东泰安人，承德石油高等专科学校热能工程系助教，硕士，主要研究方向为制冷剂流动沸腾换热、通风技术。

中图分类号：TB64

文献标识码：A

文章编号：1008-9446(2016)03-0025-03