R1234ze（E）水平管外沸腾传热模拟研究

摘 要：本文采用数值计算的研究方法对R1234ze（E）在水平光管和强化管外不同工况下核态沸腾传热性能进行研究，得到了R1234ze（E）管外核態沸腾流场分布，并对比了在不同翅密度和不同翅高度下的管外沸腾换热特性。研究表明：在饱和温度为6℃，热流密度为50kW/m2工况下，R1234ze（E）在强化管翅密度为50fpi时，管外传热系数最大;在翅密度为50fpi时，翅高为0.6mm时管外传热系数达到最大。

关键词：R1234ze（E）;强化管;数值模拟

Abstract：In this paper，the nucleated boiling heat transfer performance of R1234ze（E）under different operating conditions outside the horizontal light tube and reinforced tube is studied by numerical calculation，and the nucleated boiling flow field distribution outside the tube of R1234ze（E）is obtained，and the boiling heat transfer characteristics outside the tube under different fin densities and different fin heights are compared.The study shows that：at the saturation temperature of 6℃ and heat flow density of 50 kW/m2 working condition，R1234ze（E）has the maximum heat transfer coefficient outside the tube at the reinforced tube fin density of 50 fpi;the maximum heat transfer coefficient outside the tube is reached at the fin height of 0.6mm at the fin density of 50 fpi.

Keywords：R1234ze（E）;enhanced tube;numerical simulation

随着改革开放的深入，现阶段能源无论是在日常生活还是在工业领域都扮演着重要角色。目前我国的碳减排工作已经进入总量控制阶段，而建筑作为能源消耗的三大“巨头”之一，是温室气体排放的重要来源[1]，所以如何降低空调、采暖等方面的能耗成为了当前研究学者的热门课题。

制冷剂作为组成空调系统的重要组成部分，研究其如何在尽可能地降低环境污染的前提下提高传热效率更是成为了许多研究学者的重点研究领域。Gorgy等[2]通过对制冷剂R1234ze（E）、R1233zd（E）、R123、R134a、R-450A在光滑铜管以及外表面有翅片内表面有螺纹的强化管的传热性能进行实验分析，结果表明：在热流密度为10～60kW/m2时，强化管的传热性能是光管的5.5倍，在低热流密度时，几乎接近10倍。Vakili-Farahani等[3]以R245fa、R1234ze（E）为研究对象，采用实验的研究方法研究了这两种制冷剂的沸腾传热性能，分析了热流密度等因素对传热性能的影响，并对两种制冷剂的沸腾传热系数的沸腾传热系数关联式做了预测。目前对R1234ze（E）制冷剂的管外沸腾大多以实验的研究方法进行，以数值模拟的方法对新型制冷剂R1234ze（E）在不同结构换热管外沸腾传热性能的研究相对较少，本文通过数值模拟的方法研究R1234ze（E）在光管和不同结构参数的强化管外核态沸腾传热特性，为R1234ze（E）在制冷空调领域的应用、优化提供参考。

1 数值计算模型

1.1 物理模型

本文以R1234ze（E）制冷剂为研究对象，研究其在光管和强化管外表面核态沸腾传热特性，物性参数由软件REFPROP提供。考虑到相变模拟的复杂性，对于光滑铜管采用二维模型对其进行简化。对于强化管选择强化管的一个强化传热单元即两翅间为研究对象，对于强化管采用三维模型，强化管的结构如图1、图2所示，光管与强化管的管型参数如下表1所示。

1.2 物理模型简化及假设

在使用计算流体力学软件进行计算时，为了在有限的计算资源下更快地得到稳定的收敛结果，需对计算过程的次要因素进行简化。本课题对两种制冷剂在水平光滑管和强化管外侧沸腾进行数值模拟，对其简化和假设如下：

（1）由于管外沸腾传热以吸收制冷剂的潜热为主，管外制冷剂温度变化较小，所以假设制冷剂物性参数不变[4]。

（2）核态沸腾流动是湍流且是瞬态的[5]。

（3）由于制冷剂在管外的核态沸腾流动速度较小，气液相的分布受重力影响不可忽略，因此考虑重力对模拟的影响[6]。

（4）制冷剂在管外的气相和液相的接触角是恒定6.5°[5]。

（5）对于光滑管忽略管壁厚度对数值模拟结果的影响[7]。

1.3 网格划分

考虑到管壁处流体的流场分布变化较大、强化管的外表面翅尺寸较小，为观测到管壁附近流体细微变化且得到精确的计算结果，靠近管壁处的网格需要进行加密处理。加密后光管的网格划分如图3所示，越靠近壁面网格尺寸越小。强化管的网格划分如图4所示，翅片处网格尺寸最小，从翅片处到管内部和流体域网格尺寸逐渐增大，强化管外翅处网格划分如图5所示。

1.4 边界条件

在网格导入数值计算软件之前，在软件ICEM中共设置了四个part：入口（Inlet）、出口（outlet）、墙面（wall）、管壁（pipe），光管和强化管入口边界条件类型为压力入口，光管和强化管出口边界条件类型均为压力出口，管壁的边界条件类型设置为恒热流加热壁面，材料为铜。

1.5 求解设置

本文选取双精度解算器。本文采用了瞬态和基于压力的求解器，压速耦合采用体积分数耦合方案。在对计算空间离散时，使用Least Squares Cell Based算法，气液相界面体积分数方程求解采用Modified-HRIC方法，对于方程采用二阶迎风格式对方程进行求解，亚松弛因子设置范围为0.2～0.5，瞬态方程采用一阶隐式格式。

对于流体域的初始化，流体域中充满了具有相应饱和温度的制冷剂。建立了管壁平均温度的表面监视器，瞬态模拟计算一直持续到得到收敛的管壁温度，当管壁温度变化较小时停止计算。

2 数值模拟结果及分析

R1234ze（E）在水平管外沸腾传热流场分布。在热流密度为60kW/m2、蒸发温度为6℃的条件下，R1234ze（E）在水平光滑铜管外的气相体积分数如图6所示，速度分布云图如图7所示。在B4660-3D管外的气相体积分数和速度场分布如图8所示。从图6可知，随着R1234ze（E）在管外的不断吸热蒸发，由于气相的R1234ze（E）密度较低，气泡沿管的外侧上浮，并在管的上端聚集，所以出现了如图所示的气相体积分数云图。从图7可知，在光滑管底部产生的气泡受浮力的和粘滞力的作用，沿管壁开始上浮，在管的左右两侧速度最大，随着气泡的汇集当气泡上升到管的上端，来自管壁左右两侧的气泡产生碰撞并汇集。图8为R1234ze（E）在热流密度为60kW/m2、饱和温度为6℃的工况下，B4660-3D管外气相体积分数分布云图，对比光滑和强化管的气相体积分数云图可知，在同一工况下，强化管外表面产生更多的气泡，对管外沸腾传热的扰动较大。

3 结果及分析

3.1 翅密度对管外沸腾传热特性的影响

在饱和温度为6℃，热流密度为50kW/m2工况下，R1234ze（E）在B3860-3D、B4260-3D、B4660-3D、B5060-2E、B5660-3D的管外沸腾传热模拟结果如图9所示，当翅密度为50fpi时沸腾传热系数达到最大值14.87kW/（m2·K）。

对比不同翅密度的沸腾传热系数值可知，在热流密度为50kW/m2工况下，R1234ze（E）在不同管型强化管外的沸腾传热系数随着翅密度的增加先增加后减小，在相同长度的传热管上，翅密度越大，翅间距越小，较小的翅间距具有更多的凹槽，具有很多的汽化核心数，对管壁外表面制冷剂传热扰动增强，但在高翅数下，较小的翅间距不利于气泡的分离，使得液态制冷剂得不到及时的补充，因此在翅密度为56fpi时，相比翅密度为50fpi时管外传热系数有所降低。

3.2 翅高对管外沸腾传热特性的影响

由上述分析可知，在饱和温度为6℃，热流密度为50kW/m2工况下，R1234ze（E）的管外沸腾传热系数在翅数为50fpi时达到最大，因此选择在翅密度为50fpi时，研究R1234ze（E）在不同翅高下的传热特性。在翅数为50fpi，热流密度为50kW/m2、60kW/m2和70kW/m2工况下，R1234ze（E）在B5040-3D、B5050-3D、B5060-3D、B5070-3D、B5080-3D管外沸腾传热模拟结果如图10所示。

对比R1234ze（E）在不同翅高的沸腾传热系数值可知，R1234ze（E）在三种工况下沸腾传热系数呈现出随着翅高的增加先增加后降低的趋势。在热流密度时50kW/m2和60kW/m2工况时，R1234ze（E）在翅高为0.6mm时的管外沸腾传热系数达到最大值。在热流密度为70kW/m2工况时，R1234ze（E）在翅高为0.6mm与0.7mm时相差不大。在翅高在0.4～0.6mm范围内，管外沸腾传热系数在热流密度为50kW/m2与热流密度为60kW/m2的差距明显，随着翅高的增加，管外沸腾传热系数在热流密度为50kW/m2与热流密度为60kW/m2的差距减小。分析其原因是由于当翅高较小时，翅高度的增加，使得传热面积增加，提高了强化管的传热效率[8]，当翅高度较大时，管壁翅高方向的温度逐渐降低，翅高的增加使得液体不能及时补充到过热度较大的翅根处，反而使得传热效率降低。

4 结论

本文对R1234ze（E）在水平光管和强化管外不同工况下核态沸腾传热特性进行数值模拟研究，得出以下结论：

（1）在饱和温度为6℃，R1234ze（E）在翅密度为38～56fpi的强化管外沸腾传热系数随翅密度的增加先增大后减小，翅密度为50fpi时，管外传热系数最大。

（2）在饱和温度为6℃，翅密度为50fpi时，R1234ze（E）在翅度为0.4～0.8mm的强化管外沸腾传热系数随着翅高的增大先增加后减小，在翅高为0.6mm时传热系数达到最大。

參考文献：

[1]中国建筑节能协会，2019中国建筑能耗研究报告[J].建筑，2020（07）：30-39.

[2]Gorgy E.Nucleate boiling of low GWP refrigerants on highly enhanced tube surface[J].International Journal of Heat & Mass Transfer，2016，96（May）：660-666.

[3]Vakili-Farahani F，Agostini B，Thome J R.Experimental study on flow boiling heat transfer of multiport tubes with R245fa and R1234ze（E）[J].International Journal of Refrigeration，2013，36（2）：335-352.

[4]王钰沛.异型管传热器壳侧对流传热数值模拟与实验研究[D].天津大学，2014.

[5]Mao S F，Ji W T，Chong G H，et al.Numerical investigation on the nucleate pool boiling heat transfer of R134a outside the plain tube[J].Numerical Heat Transfer Applications，2019（2）：1-20.

[6]田思瑶.R290在水平铜管内流动沸腾传热的数值模拟[D].南昌大学，2020.

[7]Huber G，Tanguy S，Sagan M，et al.Direct numerical simulation of nucleate pool boiling at large microscopic contact angle and moderate Jakob number[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017，113：662-682.

[8]田倩卉.粗糙表面管强化沸腾传热模拟研究[D].郑州大学，2020.

作者简介：周鸿飞（1996— ），男，汉族，河南新乡人，硕士，研究方向：强化传热。