（制冷及低温工程专业论文）hc290含油混合物水平微肋管内凝结过程的换热及流阻特性实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 由于c f c ，、h c f c 。类制冷荆对环境的破坏，寻找新的环保替代工质并把其推广 应用成为目前一项较为迫切的工作。纯天然工质丙烷( h c 2 9 0 ) ，是一种很有前途 的制冷剂替代物，已往的文献中对它进行了不少的研究，但将这种新型绿色环保 工质推广应用，目前的研究成果还远远不够。 本文在分析研究国内外有关替代工质、制冷工质及其含油混合物管内凝结性 能研究现状的基础上，对纯天然工质丙烷( 1 c 2 9 0 ) 与润滑油s u n i s o3 g s 的混合 物饱和温度、水平微肋管内凝结过程的传热及流阻特性进行了实验研究分析。实 验的工况范围：含油率= 1 9 5 5 2 8 ，质量流率g = 4 0 2 2 0 k g m 2 s ，凝结 温度t = 4 0 4 5 ，实验段入口于度为l ，出口干度0 1 o ，2 5 。得出以下结论： ( 1 ) 制冷剂h c 2 9 0 含油混合物的饱和温度高于相同压力下纯工质的饱和温度， 这个温度差，也就是文中所谓的制冷剂含油混合物的过热温度随混合物质量含汽 率、含油浓度的增加而增加，丽饱和压力对过热温度的影响不大。文中应用混合 物液相中油浓度的变化对这一现象进行了解释。 ( 2 ) 关于h c 2 9 0 含油混合物水平微肋管内的冷凝换热特性的研究表明： a ) 随着质量流率的增加，混合物微肋管内冷凝平均换热系数增加。 b ) 不同含油率下，冷凝平均换热系数随着质量含油率的增加而降低。 c ) 同一含油率下，冷凝温度对平均换热系数几乎没有影响。 ( 3 ) 由于制冷剂含油混合物过热温度的存在，使其具有两种不同的饱和温度 定义，一种是所测实际温度，另一种是所测压力对应纯工质的饱和温度，文中就 这两种饱和温度定义下的冷凝平均换热系数进行了比较，发现后者大于前者。 ( 4 ) 将实验所得冷凝平均换热系数和已往经验关系式比较，得出了适用于本 宴验的相应经验关系式，实验数据点均落在关系式预测值3 0 内。 ( 5 ) h c 2 9 0 含油混合物微肋管内凝结过程阻力性能实验表睨，润滑油浓度的增 加对混合物凝结压降影响不大。 关键词：h c 2 9 0 合油混合物，过热温度，含油率，质量含汽率，换热系数 重庆大学硕士学位论文 a b s 扛a d a b s t r a c t o w i n gt ot h en e g a t i v ei n f l u e n c eo fc f ca n dh c f cr e f r i g e r a n to ne n v i r o n m e n t ， s e e k i n ga n du s i n gn a t u r a ls u b s t i t u t e sf o rc f ca n dh c f cr e f r i g e r a n th a sb e c o m em o l e a n dm o r eu r g e n t p r o p a n e ( h c 2 9 0 ) ，at l e wn a t u r a l r e f r i g e r a n t ，i so n eo ft h em o s t p r o m i s i n gs u b s t i t u t e s m u c hi n f o r m a t i o nc o n c e r n i n gh c 2 9 0i sa v a i l a b l ei nt h ep r e s e n t l i t e r a t u r e ，h o w e v e rag r e a td e a lo fw o r ki ss t i l ln e e d e dt od of o ru s i n gi tp r o p e r l y o nt h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i o no nt h er e l a t e dl i t e r a t u r eo fn e wr e f r i g e r a n t s u b s t i t u t e s ，t h ei n t u b ec o n d e n s a t i o no fr e f r i g e r a n ta n dr e f r i g e r a n t - o i lm i x t u r e s ，t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e st h es a t u r a t e dt e m p e r a t u r eo fh c 2 9 0 一o i lm i x t u r e s ，c o n d e n s a t i o nh e a t t r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c si nah o r i z o n t a lm i c r o - f i l lt u b ef o ri t t h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：t h eo i lc o n c e n t r a t i o ni s1 9 5 v p 5 2 8 ，m a s sf l u x i s4 0 2 2 0k g m 2 s ，a n dt h ec o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r ei sf r o m4 0 t o4 5 c ，t h ev a p o r q u a l i t yi sla tt h ei n l e to f t h et e s ts e c t i o na n d0 1 0 2 5a tt h eo u t l e to f t h et e s ts e c t i o n t h ec o n c l u s i o n sr e a c h e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es a t u r a t e dt e m p e r a t u r eo fr e f r i g e r a n t - o i lm i x t u r ei sh i g h e rt h a nt h a to fp u r e r e f r i g e r a n ta t as a m ep r e s s u r e t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，w h i c hi sc a l l e ds u p e r h e a t t e m p e r a t u r eo fr e f r i g e r a n t o i lm i x t u r e ，i n c r e a s e sa st h eo i lc o n c e n t r a t i o na n dt h ev a p o r q u a l i t ya r ei n c r e a s e da tac e r t a i ns a t u r a t e dp r e s s u r ea n dp r e s s u r eh a sn e g l i g i b l ee f f e c to n t h es u p e r h e a tt e m p e r a t u r eo ft h em i x t u r e t h i si se x p l a i n e dw i t ht h ev i e w p o i n to fo i l c o n c e n t r a t i o nc h a n g ei nt h el i q u i dp h a s eo ft h er e f r i g e r a n t - o i lm i x t u r e ( 2 ) t h ei n v e s t i g a t i o no nt h e c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si na h o r i z o n t a lm i c r o f i nt u b ef o rh c 2 9 0 o i lm i x t u r es h o w s ： a ) t h cc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h en l i x t u r , ei n e r e a , h e sw i t ht h e i n c r e a s i n go f t h em a s sf l u x b ) t h em e a nc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h eo i lc o n c e n t r a t i o n c ) t h ec o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r eh a sn e g l i g i b l ee f f e c to nt h em e a nh e a tt r a n s f e r c o e m c i e n ta tas a m eo i lc o n c e n t r a t i o n ( 3 ) t h es a t u r a t e dt e m p e r a t u r eo fr e f r i g e r a n t o i l m i x t u r eh a sd i f f e r e n td e f i n i t i o n s b e c a u s eo ft h es u p e r h e a tt e m p e r a t u r eo ft h em i x t u r e o n ei st h er e a ls a t u r a t e d i l 重庆大学硕士学位论文 a b s t r t t e m p e r a t u r eo ft h em i x t u r ea n dt h eo t h e ri st h es a t u r a t e dt e m p e r a t u r eo fp u r er e f r i g e r a n t c o r r e s p o n d i n gt ot h et e s t e dp r e s s u r eo ft h em i x t u r e nt h i sp a p e r , t h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t sb a s e do nt h et w od i f f e r e n ts a t u r a t e dt e m p e r a t u r e sa l ec o m p a r e da n dt h e r e s u l t ss h o w e dt h el a t t e ri sl a r g e r ( 4 ) ah e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o ni sd e v e l o p e db yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a w i t ht h ep a s tc o r r e l a t i o n s a n dt h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h ep r e d i c t e da n de x p e r i m e n t a l v a l u e si s3 0 ， ( 5 ) t h ee x p e r i m e n to nt h ec o n d e n s a t i o nr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fh c 2 9 0 ，o i l m i x t u r es h o w st h eo i lc o n c e n t r a t i o nh a sn e g l i g i b l ee f f e c to i lt h ep r e s s u r ed r o po ft h e m i x t u r e k e y w o r d s ：h c 2 9 0 o i lm i x t u r e ，s u p e r h e a tt e m p e r a t u r e ，o i lc o n c e n t r a t i o n ，v a p o rq u a l i t y h e a tt r a n s f e rc o e 侬c i e n t 重庆大学硕士学位论文主要符号说明 爿 管截恧积 b 肋高 ，l c p 定压比热容u ( k g k ) d 管径 m c肋厚 川 r 摩擦因子 g 重力加速度 m l s 2 g 质量流率 k g i ( m 2 s ) h 换热系数w l ( m 2 k ) i 汽化潜热k j t 培 k 导热系数w l ( m t ) l管长m m 质量置g 廊 质量流量堙j ” 肋数 p 压力朋 p 。临界压力p 口 p 。，对比压p i p 。 p 换热量舢 ，温度 u传热系数w ( m2 於 x 干度 缸干度变化 准则数 _ v 。：丝 r e ：丝 “ 主要符号说明 p r ：! v 希腊字母 口肋螺旋角 s 空隙率 6 壁厚m p 密度姆3 含油率 动力粘度k g i ( m s ) v 运动粘度m2 s 脚标 。 平均 。 等效 入口 润滑油 。液体制冷剂 。最大 。 出口 制冷剂 。 制冷荆台油混合物 。总的 。 壁 ， 水 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 本课题进行的是绿色环保制冷荆h c 2 9 0 含油情况下在微肋管内的凝结换 热及压降实验研究。使用的换热元件是微肋管( m i c r o f i nt u b e ) ，它是一种 内扩展表面强化换热管。是制冷系统中常用的一种换热元件。本课题中使用 的润滑油也是制冷系统中应用较为广泛的一种润滑油s u n i s o3 g s 。另外，本 实验中的冷凝工作流体是绿色环保制冷剂h c 2 9 0 ，它是一种纯天然工质，是 目前制冷剂最有前途的替代物之一。因此，课题中涉及到了替代制冷荆，冷 凝过程的换热及流阻特性，润滑油对制冷剂换热性能及压降的影响等多方面 的内容。本章就上述几方面的内容，对目前国内外的研究现状作一个简要评 述，并说明本文的工程应用背景及其理论和实用意义，同时简述本文将要完 成的任务和目标。 1 1 替代工质的研究 1 1 1 制冷剂回顾 一个多世纪以来，制冷剂经历了一个不断发展的过程“1 。最早的人工制 冷实例之一是1 8 3 4 年获得专利，由美国人j a c o bp e r k i n s 研制采用挥发性液 体乙醚( r - 6 1 0 ) 作为制冷剂的蒸汽压缩制冷装置。而后于1 8 6 6 年实验成第一 台采用二氧化碳( r - 7 4 4 ) 作为制冷剂的蒸汽压缩机，1 8 7 3 年试制成以氨( r - 7 1 7 ) 为工质的蒸汽压缩机，1 8 7 6 年试制成用二氧化硫( r - 7 6 4 ) 为工质的蒸汽压缩 机。也就是说，这几十年里人们采用的都是天然制冷剂，相比之下氨和二氧化 碳较为理想，但二氧化碳需工作在非常高的压力下，而氨又具有毒性且在一定 条件下是可燃的，至于二氧化硫则比氨更具有毒性。因此由于缺乏理想的制 冷剂，人工制冷的发展在1 9 世纪受到了很大的限制。 2 0 世纪初，又有三种物质被用作制冷剂，它们分别是氯甲烷( r - 4 0 ) ，二 氯乙烯( r l13 0 ) 和异丁烷( r - 6 0 0 a ) 。1 9 2 8 年，m i d 9 1 e y 和h e n n e 等用s w a t t s 反应制得二氟二氯甲烷，1 9 3 1 年进行了工业化生产，从而揭开了人工合成制冷 剂的第一页。之后大量的人工合成制冷剂又相继出现，有r 一1 2 ，r 一1 l ，r 1 1 4 ， r 1 13 ，r - 2 2 ，r 一1 4 等，这些热力性能优良，无毒、不燃、能适应不同温度区 域的工作流体显著的改善了制冷机，大大促进了制冷与空调工业的发展。直到 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 8 0 年代c f c 问题正式被公认之前，以各种卤代烃为主体的制冷与热泵工质的发 展几乎已经达到了相当完善的地步。 1 1 2c f c 和h c f c 。对环境的破坏 随着人类社会的发展和进步，环境问题逐渐成为人们关注的焦点。1 9 7 4 年 美国加利福尼亚大学的莫利纳( m j m o l i n a ) 和罗兰( f s r o w l a n d ) 教授首先 撰文指出，卤代烃中的氯原子会破坏臭氧层，也就是著名的c f c 问题。研究表 明o ，当c f c 。物质受到强紫外线照射后，将会产生下列反应( 以c f c l 2 即r 一1 2 为例) ： c f 2 c 1 2 c f 2 c l + c l( 1 1 ) c l + 0 3 一 c l o + 0 2 ( 1 2 ) c i o + 0 c l + 0 2( 1 3 ) 可以看出。以上三个反应式构成了循环，循环反应产生的氯原子不断与臭 氧分子作用，产生连锁作用，从而使一个氯氟烃分子可以损耗成千上万个臭氧 分子。由于氯氟烃对臭氧层的破坏，使得臭氧层日趋稀薄，皮肤癌与白内障发 病率上升，农作物减产，特别是在南极上空，臭氧层的破坏非常严重，南极以 北，也存在着严重的臭氧层损耗。h c f c ；中，由于氢元素的存在，大大减弱了对 臭氧层的破坏作用，但同c f c ；一样，h c f c ，化学性质稳定，释放后能够积累， 从而最后导致明显的温室效应，加速全球气候变暖“1 。 1 1 3 减少臭氧层损耗的立法畸1 针对臭氧层日益被破坏的状况，1 9 8 5 年联合国环境署在维也纳会议上，签 订了保护臭氧层的维也纳公约，1 9 8 7 年3 6 个国家，1 0 国际组织在加拿大签 署了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，国际上正式规定了逐步削减 c f c 生产和消费的日程表。以后的一系列会议又多次修订了议定书的内容， 逐步扩大了对消耗臭氧层物质o d s ( o z o n ed e p l e t i o ns u b s t a n c e s ) 的范围， 除c f c 物质外还对h c f c 物质也规定了限用日程表，加快了它们逐步淘汰的步伐。 我国政府已于1 9 8 9 年9 月加入了保护臭氧层的维也纳公约，并于1 9 9 1 年6 月加入1 9 9 0 年经修订的蒙特利尔议定书，于1 9 9 3 年批准了中国消耗臭氧 层物质逐步淘汰国家方案。 1 1 4 新的绿色环保制冷剂 由于蒙特利尔议定书等一系列臭氧层消耗物质禁令的颁布促使各国 科学家寻求对臭氧层不起破坏作用，性能良好，工作稳定，生产成本低的新一 代绿色环保工质。目前人们对制冷剂替代和发展的方向十分关注，同时，也对 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 发展的方向提出了不同的看法，主要有以下几种：l 、采用h c f c 类物质( 如r 一2 2 ， r - 1 2 3 ) 作为制冷剂，并提倡研究重点应放在防止泄漏上。2 、采用h f c 类制冷 剂，如h f c l 3 4 a 。h f c 2 4 5 c a 等。3 、采用天然制冷剂，如烃类。 但h c f c 。和h f c 。对环境亦有害，h c f c 。对臭氧层仍有破坏作用，只是程度低 于c f c ，而且h c f c 。和h f c 。化学性质稳定，释放后能够积累，从而最后导致明 显的温室效应。正如国际制冷学会名誉主席劳伦曾教授曾经所说“人工合成制 冷剂，自然界的异物，排放到环境中，往往会产生一系列意想不到的问题”“。 因此，自然工质已成为最有前途的替代物之一”1 。表1 1 列出了r - 2 9 0 及一些 常用制冷剂的性能比较。 表1 1 常用制冷剂性能比 制冷剂r - 1 2r - 2 2r 一1 3 4 ar - 7 1 7 r 一2 9 0r - 7 4 4 分子量1 2 0 9 28 6 4 81 0 2 0 31 7 0 3 4 4 i4 4 0 1 是否天然 不是 不是 不是是是是 o d p1 00 0 5o000 g w p ( 1 0 0 年) 7 1 0 01 5 0 01 2 0 0 o01 g w p ( 2 0 年)7 1 0 04 1 0 03 1 0 000l 毒性 1 0 0 01 0 0 01 0 0 02 51 0 0 0 5 0 0 0 t l v 8 h ( p p m ) 可燃性 非非非是是非 或可爆性 爆炸极限 1 5 5 2 72 2 9 5 ( 空气中) 毒性或刺激性 有有有无无无 分解产物 i 斤似相对价格1l3 - 5o 20 1ol o c 时容积制 2 7 4 04 3 4 42 8 6 04 3 6 03 8 7 02 2 6 0 0 冷量( k j t a 3 ) 与系统材料需不同类型油不能用 好好好姐 相容性和干燥过滤器铜部件 将被淘 系统中存在水汽 使用严重受 其他禁用和污染是严重问 汰到毒性限制 题 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 纯天然物质丙烷( h c 2 9 0 ) ，作为大型制冷工厂的工质己使用多年，它具有 极好的热力学性质，而且与所有普通的机械材料和油都不发生作用，在实际应 用中极少出问题，丙烷系统采用当前制冷系统材料完全没有问题，标准r 一2 2 的膨胀阀换用丙烷也能工作良好，它对一般润滑油的回油效果任何卤代烃都无 法匹敌，而且压缩机捧气温度比r 一2 2 和r - 5 0 2 都低”1 。丙烷是一种可燃物，但 研究已经表明，现有的技术在商业制冷中应用丙烷是完全可能的，同时它也能 很好的符合安全标准0 1 ，而且很多欧洲国家如德国，意大利，英国，奥地利， 瑞士，包括中国的海尔已经推出了应用r - 6 0 0 a r - 2 9 0 的冰箱、空调、或冷水 机组“。因此，绿色环保工质丙烷是一种很有前途的替代物。正是基于以上的 背景，本课题的实验工质也就选择了r - 2 9 0 。 1 2 水平管内凝结过程的传热及流阻特性 对水平管内凝结过程的研究一直是研究者关注的内容。首先，管内凝结现 象在工业中广泛存在，如制冷设备的冷凝器，锅炉的凝汽器，化学工业中的各 种凝结换热器等，而在上述这些设备中，管子采用水平布置又十分常见，因此 研究人员在其实验与分析工作中也相应的选取水平方向作为实验管件的布置方 向。在水平方向流动的情况下影响凝结换熟性能的两大因素：重力和蒸汽剪 切力的作用方向相互垂直，而不是象竖管那样二者作用方向相互一致或平行， 从而使得凝结过程一方面从表象上看呈现多样性另一方面也给凝结过程的理 论分析带来了除相变外的进一步的复杂性。 1 2 1 水平管内凝结过程的换热研究 自从n u s s e l t 的工作开始，凝结换热现象就成为研究者用实验、分析等方 法不断研究的课题。 c a r p e n t e r 和c o l b u r n “在1 9 5 1 年完成了他们的凝结传热分析。在他们的 模型中，假设作用于凝结液膜匕的主要作用力是蒸汽切应力而不是重力。他们 的实验分析结果由以下公式总结出来，其局部换热系数为： ( 1 4 ) 式中，c 是经验常数，而为管壁上切应力，按原文分析式计算， 为导热系数， f 标1 表示液体。 1 9 6 0 年a k e r se ta 1 “2 1 对r 1 2 和弱烷在水平管内的凝结过程进行了理论 分析和实验研究，考虑了蒸汽流速，温差，液体含量和液相的热物理性质对凝 4 0 而 p ( 一硒 0 r pc 1 l 口 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 结过程的影响，并引入了等效质量流率的概念，在3 0 0 多个实验数据点的基础 上提出了a k e r s - r o s s o n 经验关系式来计算局部冷凝换热系数： 在r e ， 5 0 0 0 时， n u , = 1 3 8 p ( 嘉) 6 r e 曩l o o o r c v 2 1 0 4 ； ( 1 5 ) n u , = 0 1 p ( 赤吣”，2 1 0 4 2 x 1 0 4 时，他们推荐如下关系式： 。：0 1 p r ，( 堕) ” ( 1 7 ) ， 其中g 。是等效质量流率，定义为： 瓯：g ，( 旦) + g ， p ， ( 1 8 ) 1 9 7 7 年a k e r s r o s s o n 关系式被a s h r a eh a n d b o o ko ff u n d a m e n t a l s 推荐 为冷凝器设计的计算关系式。 1 9 6 2 年，c h a t o 1 指出在低流速下，制冷剂在管内凝结时的换热系数可用 下式计算： 删s s s 塑去竽】4 ( 1 ，) 该方程的应用范围是r e 。：旦鱼 3 5 0 0 ，r c ，按进口状态计算。作者用r 一1 1 3 进 行实验，所得数据与他建议的分析计算式能很好的吻合。 1 9 7 1 年 。“e ta 1 “基于a b i s 对r - 1 2 管内凝结的实验数据，提出如下 关系式对局部n u s s e l t 数进行计算： 志= 0 0 3 9 。朋x 。9 一。( 等) ( 铲巾。 ( 1 1 0 ) 其中o 。= 1 + 10 9 x , ： ”。 1 9 7 3 年t r a y is se ta 1 j 对b a ee ta 1 ”的实验数据进行总结，得出如 下关系式预测冷凝局部挟热系数： 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ，：p r 。f r e 一。 9f ( ) ( 1 1 1 ) 其中： r = 0 7 0 7 p r ir e r e ， 5 0 ：( 1 1 2 ) 如= 5 p r l + 5 1 n 【l + 耽( 0 0 9 6 3 6 r e 7 5 9 5 - - l i ，5 0 r e ， 1 1 2 5 ：( 1 1 4 ) f ( x 。) = o 1 5 ( x ：1 + 2 8 5 x 4 6 ) ( 1 1 5 ) 1 9 7 6 年，j a s t e r 和k o s h y “”将水平管内凝结分为环状流、过渡流、分层流。 并分别提出了三个区域的凝结换热系数计算关系式： 环状流： 2 面蒜 o 1 6 ) 分层流： n u , , r = 0 7 2 5 出掣r 4 ( 1 1 7 ) 过渡流： n u n u 。f f 。 n u 。一n u 。ff 。一f 。， ( 1 1 8 ) 1 9 7 9 年，s h a h 1 8 】得出管内膜状凝结换热系数的一个简单无因次关系式。作 者从沸腾的公式入手，通过凝结与沸腾的相似关系，经分析得到： 叫= 警小蒡口，z 。 ( 1 1 9 ) 式中，口。为凝结换热系数口，为两相流中液相单独流动时的换热系数。 口，= 口，( 1 一 ，) o 8 ( 1 2 0 ) 式中，a 。为所有质量都以液体流动时的换热系数，其计算式为 ，0 0 2 3 r e ? 8p 丑， 口，= 。一 d 6 ( 1 2 1 ) 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 9 8 5 年t n t e n d o ne ta 1 1 9 l 对r 1 2 和r 2 2 在三段内径l o n u n ，外径 1 2 7 m m 长l m 的铜管内的冷凝换热进行实验研究，在实验数据的基础上归纳 出经验关系式： n u = 0 0 8 4 p r ”蠢“6 r c r e ，”1 0 4 ： ( 1 2 2 ) 1 9 9 1 年s j e c k e l s 和m b p a t e ”对r 1 3 4 a 、r 1 2 水平光管及微肋管 内的凝结换热进行了实验研究，实验所用管件的几何尺寸如下：光管外径 9 5 2 m m ，内径8 m m ，长3 6 7 m ：微肋管外径9 5 2 m m ，最大内径8 7 2 m m ，肋高0 2 m m ， 肋数6 0 ，螺旋角1 7 。：冷凝实验温度3 0 到5 0 ，制冷剂质量流率为 1 3 0 堙m2 s 到4 0 0 船m 2 5 。相同质量流率下，r 一1 3 4 a 光管内的冷凝换热系 数比r 1 2 高约2 5 相同热流密度下。r 微肋管的换热系数和压降均比光管大， 的换热系数约为光管的1 8 2 5 倍。 13 4 a 的冷凝换热系数比r 一1 2 高约1 0 。 对于r 一1 3 4 a ，相同质量流率下，微肋管 1 9 9 5 年，s h a o 和g r a n r y d “”对r - 4 0 7 c 与r 一2 2 冷凝换热情况进行了比较， 冷凝实验管为6 m m i d ，8 m m o d 的铜光管，入口微过热出口微过冷，并用s o l i m a n f r o u d e 数( s o l i m a n1 9 8 2 ) 对流型转换区进行了区分。实验结果看出，随着质 量流率的增加，r - 4 0 7 c 的冷凝换热系数一直增加，而r 一2 2 在质量流率小于 2 7 0 k g m2 5 时，换热系数基本不随质量流率变化，质量流率大于3 0 0 妇m 2 s 时，r - 4 0 7 c 的换热系数比r 一2 2 高。 1 9 9 5 年，t n t a n d o ne ta 1 “对r 1 2 和r 一2 2 水平管内的凝结换热进行 进一步定量研究，并对实验现象作出了解释，认为其它条件相同，高质量流率 下传热系数大，是由于高质量流率下对流强的原因，大含汽率下，传热系数大 是由于大含汽率下凝结液膜比较薄，随着凝结过程的进行，液膜逐渐加厚，凝 结换热系数也就逐渐减小，相同条件下，r 一2 2 的换热系数高于r 1 2 ，是由于 r 一2 2 的导热系数和潜热都比较大的原因。在早期文献 1 2 中推荐的换热系数半 经验关系式a k e r s r o s s o n 关系式在环状流及半环状流区与实验数据符合的很 好，而且此关系式不仅限于这些流型区。 1 9 9 5 年，杜杨，辛明道3 以r 1 1 为工质，蒸汽凝结压力为1 4 7 2 6 5 k p a ， 质量流率4 0 一1 5 3 堙，m 2 5 ，发现二维内微肋管和三维内微肋管水平管内凝结层 流区局部换热系数分别比光管提高4 7 7 8 3 和6 l 一9 9 7 。作者认为二维管强化 凝结换热的主要机理是表面张力使液膜减薄。三维管切应力作用大，使三维管 薄液膜区较二维管薄液膜区要大，另外三维管疏液性能好，底部集液区的扰动 增大，使三维管凝结换热有所增加。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 作者还从理论分析入手，建立了二维内微肋管水平管内凝结分层流区局部 换热系数分析模型，并进行了数值求解。计算结果与实验相当吻合。这在国内 外的文献中尚属首次。 1 9 9 7 年，李沛文“”等对r 1 3 4 a 水平管内的流动凝结换热进行了实验研究， 并对以往的经验关系式进行了评价建议选择b o y k o 公式作为r 一1 3 4 a 水平管内 受迫流动凝结换热的计算关联式。 轴椭e 劓啪托翻鼢 冷凝平均换热系数随制冷剂质最流率的变化 h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tv s r e f r i g e r a n tm a s sf l u xa t3 7 8 图1 2 温度为4 89 c 冷凝平均换热系数随制冷剂质量流率的变化 f i g1 2a v e r a g ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tv s r e f r i g e r a n tm a s sf l u xa t4 8 9 c 1 9 9 8 年，t a k e s h ie b is u 和k u n i k a z ut o r i k o s h i ”对r - 4 1 0 a 水平管内的 传热性能进行了实验研究，他们所用的铜管几何参数如下：长l = 5 4 m ，外径 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 d 。= 7 o m m ，内径d 。= 6 4 m m ，实验冷凝温度为3 2 3 k ，质量流率为1 5 0 3 0 0 k g m 2s ，热流密度为7 5 k w m 2 。实验得出结论，在质量含汽率大于0 4 的 区域，凝结换热系数实验结果与h a r a g u c h i l 9 9 4 年为r 一2 2 提出的关系式吻合较 好。 1 9 9 8 年g u r s a r a nd m a t h u r “”对r - 2 9 0 管内换热系数进行计算，并和r 一1 2 ， r 一1 3 4 a 管内凝结换热系数做了比较。作者所用的计算关系式是已往文献中所推 荐的标准关系式这些关系式和纯r 1 2 r 1 3 4 a 冷凝换热的实验结果吻合较好。 汁算时所取的冷凝温度为3 7 8 c 和4 8 9 c ，所设想的管件外径为9 5 3 m m ，壁 厚为0 6 4 m m ，质量流率范围为5 0 堙m 2 s - - 8 0 0 培m2 s ，计算结果发现碳氢 化合物的冷凝换热系数比r 1 2 ，r 1 3 4 a 高的多，平均冷凝换热系数比r 一1 2 高 2 2 0 至02 3 3 ，比r - 1 3 4 a 高1 7 7 到1 8 7 。计算结果如图( 1 1 ) 和( 1 2 ) 。 1 9 9 9 年，崔文智“等对两种不同几何尺寸的三维内微肋管( 由杜杨，辛明 道等开发) ，以工质r - 1 3 4 a 进行管内强制对流凝结换热实验。实验工况范围是： 质量流率4 0 2 8 5 妇， 2 s ，凝结温度1 5 3 5 c ，干度从进口微度过热到出口微 度过冷。实验结果表明三维内微肋管的对流凝结换热系数比光管有了较大提高， 而凝结阻力增加不大，并通过回归分析的方法，得到了实验中所用三维内微肋 管凝结换热环状流区的局部n u 数准则关系式，该关系式与实验结果的平均偏差 为2 5 。 近来，对于水平管内凝结换热的研究更加深入和多样化，在各种制冷新工 质的管内凝结特性，小管径情况下的凝结特性，各种新型强化管内的凝结特性 等方厩的研究更加活跃，更加深入，并取得了大量的成果。 1 2 2 水平管内凝结过程的流阻特性 1 9 8 8 年，s c h l a g e re ta 1 。6 3 用r - 2 2 做了光管( o d = 9 5 2 m m ) 和相同外径 微肋管的压降比较实验，结果发现在质量流率从2 0 0 k g m 2 5 到4 0 0 k g m 2 - s ， 微肋管的冷凝压降比光管增加8 0 到5 0 。 1 9 9 3 年，e c k e l se ta 1 ”对外径9 5 2 m m 的光管与微肋管内的冷凝压降进 行比较实验，结果在质量流率1 2 5 k g m 2 - s 一4 0 0 始m2 j 范围内，微肋管压降 比光管增加1 0 0 一5 0 。 1 9 9 3 年。k 7 r o r i k o s h je ta 1 ”对r 1 3 4 a ，r - 3 2 及r - 3 2 r 一1 3 4 a 的混合 物水平管内的传热和压降特性进行研究，并就r 一1 3 4 a 、r - 3 2 管内压降与r 一2 2 进行比较，发现由于r - 1 3 4 a 的气体密度较小，它的压降比r 一2 2 大4 0 ，r - 3 2 气体密度较大，它的压降比r 一2 2 小约2 0 。 1 9 9 4 年d o e r re la 1 ”对r 一2 2 和r - 1 2 5 ( 4 0 ) r 一3 2 ( 6 0 ) 质量比混合 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 物在外径9 5 2 r a m 光管内的冷凝压降进行比较实验，发现在饱和温度为3 0 c ， 质量流率1 2 5 k g i m 2 s 一2 0 0 k g i m 2 s ，混合物冷凝压降与r 一2 2 相当，而在更高 质量流率时，混合物的压降比r 一2 2 低2 0 一3 0 。 1 9 9 5 年w i j a y a 和s p a t z 1 对r 一2 2 和r - 4 1 0 a 在外径9 5 2 m m ，长3 6 6 m 光管 内的凝结换热系数及压降进行了实验研究，比较实验结果后看出，在质量流率 范围为1 6 0 堙t m2 j 一4 1 4 堙m 2 - j 内，r - 4 1 0 a 比r 一2 2 冷凝压降低2 5 - - 4 5 。 1 9 9 5 年，h a l i mw i j a y a 和m a r kw s p a r t z ”“对r 一2 2 和r - 3 2 r 一1 2 5 管内蒸 发冷凝压降进行了实验研究。冷凝实验管内径7 7 5 m m ，外径9 5 3 m m ，长3 0 5 m ， 冷凝温度分别为4 6 1 和5 1 7 ，冷凝段入口平均质量含汽率为8 7 出口质 量含汽率为2 5 ，质量流率范围为1 6 0 k g l m 2 5 到5 6 1 k g i m 2 j 。实验结果显示 随着质量含汽率和质量流率的增加，两种制冷剂的压降均增加：随着冷凝温度 的增加，压降降低：相同质量流率下，r - 3 2 r 一1 2 5 的压降比r 一2 2 低2 5 - - 4 5 原因认为是r - 3 2 r 一1 2 5 混合物的气体密度远大于r z 2 ，而气体密度越大则压 降越小。 1 9 9 7 年s a m u e lm s e m i 和b e r t r a n dp o i r i e r 1 对制冷新工质r - 4 1 0 a ， r - 4 1 0 b ，r - 5 0 7 及r - 3 2 r 一1 2 5 r 一1 4 3 a r 一1 3 4 a 的混合物的传热性能及流阻特性 进行了实验研究，结果发现r - 5 0 7 比其他制冷剂的换热系数都低，而且其压降 也最大。 1 9 9 8 年，t a k e s h ie b i s u 和k u n i k a z ut o r i k o s h i “”对r - 4 1 0 a 平管内蒸发 与冷凝过程的流阻特性迸行了研究，并与r 一2 2 ，r - 4 0 7 c 进行了比较，发现蒸发、 冷凝过程中，r - 4 i o a 压降比r 一2 2 低3 0 ，最后归纳出压降计算关系式： 蒸发压降： o 。= 3 4 4 ( 1 x 。) o ”3 ( 1 2 3 ) 冷凝压降： m ，= 22 0 0 x ，) o ” ( 1 2 4 ) 式中中，为两相摩擦因子，工，是l o c k h a r t m a r t i n e u i 参数。该方程对三种工质 r 一2 2 ，r 一4 i o a ，r - 4 0 7 c 的精度在5 以内。 1 9 9 8 年，s t e v ej e c k e s 和b r i a na t e s e n e ”对r 一2 2 ，r 1 3 4 a ，r - 4 l o a 和r - 4 0 7 c 水平光管及微肋管中的冷凝压降进行了比较。光管的外径是9 5 2 m m ， 三根微肋管的外径分别为9 5 2 m m ，7 9 m m 和1 5 9 m m ，质量流率从1 2 5 k g m 2 ，s 到6 0 0 k g m2 5 。结果r - 4 1 0 a 的压降低于r 一2 2 约4 0 ，而r - 4 0 7 c 比r 一2 2 的 压降约低1 0 到2 0 。r - 1 3 4 a 的压降比r 一2 2 稍大。微肋管的压降约比光管大4 0 8 0 。 1 0 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 9 9 8 年，s a m u e lm s a m i 和b e r t r a n dp o i r i e r “”对r - 5 0 2 的替代工质 r - 4 0 4 a ，r - 4 0 8 a 及r - 5 0 7 管内压降进行实验研究比较，得到了基于l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数的无因次压降计算关系式，发现如应用r - 5 0 7 和r - 4 0 4 a 替代 r - 5 0 2 ，则需配雹排气量较大的压缩机。该文中用以计算压降的关系式如下： 心m 日= 心| 斗世w 醯t ( 1 2 5 ) 式中蛾。表示冷凝段总压降，以为克服摩擦阻力的压降，峨为提供加速度 引起的压降廿，克服重力引起的压降。在水平方向时，重力引起的压降可忽 略( s a m ie ta 1 1 9 9 5 ) ，于是方程可写为： d p ：掣+ 竺l ( 1 2 6 ) = 一l 十一i 、1 彪彪1 ，以1 z 是长度。 两相流加速度引起的压降可表示为如下形式：