（制冷及低温工程专业论文）水平微肋管内绿色环保工质hc600a含油混合物凝结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 制冷剂r 1 3 4 a ( 其o d p 值为0 ) 已成为汽车空调和商用空调行业新型制冷剂。然 而，在新近发展的h p c s 类物质中，它的g w p 值相对较高，这就阻碍了它的进一步使 用，特别是在欧洲国家。因此，许多国家正在努力寻找新的无温室效应的制冷剂。 由于r 6 0 0 a 其热动力性质和热物理性质与r 1 2 和r 1 3 4 a 相似，以及其o d p 值为0 、 g 即几乎可以忽略，因此r 6 0 0 a 获得了人们巨大的关注。目前，由于公开发表的文 献中有关使用h c s 作制冷剂的空调和制冷设备的文章非常有限，所以有必要对 r 6 0 0 a 性能和设计作进一步的研究，以便r 6 0 0 a 的推广使用。 本文回顾了国内外替代制冷剂管内冷凝换热方面的研究进展，包括各种替代 制冷剂与原制冷剂的传热性能对比、润滑油对传热的影响、冷凝换热过程的强化。 在此基础上，对纯天然工质异丁烷( h c 6 0 0 a ) 与润滑油s u n is 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：质量流率g = 5 0 1 8 0 堙m 2 。s ，凝结湿度t = 3 5 4 2 ，含油率 = 1 8 1 5 ，5 4 ，实验段入口于度为1 ，出口干度0 1 o 2 5 。得出以下结论： l 、相同压力下，制冷剂h c 6 0 0 a 含油混合物的饱和温度高于纯工质的饱和温 度，这个温度差，在就是文中称为的制冷剂含油混合物的过热温度，它随混合物 质量含汽率、含油浓度的增加而增加，而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 6 0 0 a 含油混合物水平微肋管内的冷凝换热特性的研究表明： 混合物微肋管内冷凝平均换热系数随着质量流率的增加丽增加。 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。 同一含油率下，冷凝温度对平均换热系数几乎没有影响。 3 、文中就所测实际饱和温度与所测压力对应纯工质的饱和温度这两种饱和 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 实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 、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 6 0 0 a 含油混合物，换热系数，含油率，质量含汽率，过热温度 重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r e f r i g e r a t i o n13 4 a ，w h i c hh a sa z e r oo z o n e - d e p l e t i n gp o t e n t i a l ( o d p ) v a l u e , h a s e m e r g e da st h en e wr e f r i g e r a t i o nf o rt h ea u t o m o t i v ea n dc o m m e r c i a la i r - c o n d i t i o n i n g i n d u s t r y h o w e v e r , i t sg r e e n h o u s ew a r m i n gp o t e n t i a l ( g w p ) i sr e l a t i v e l yh i 曲a r n o i l g t h en e w l yd e v e l o p e dh y d r o f l o u r o c a r b o n s ( h f c s ) w h i c hs g c l r l st ob ea no b s t a c l ef o rt h e f b l a d 2 e r a n c eo ft h eb s eo fr - 13 4 丑e s p e c i a l l yi ne u r o p e a nc o u n t r i e s h e n c em a n y c o u n t r i e sf i r el o o k i n gf o ro t h e rr e f r i g e r a n t st h a td on o tc o n t r i b u t et og l o b a lw a r m i n g h y d r o e a r b o n s r 6 0 0 aa r e r e c e i v i n ga r e n f i o n b e c a u s et h e i rt h e r m o d y n a m i ca n d t h e r m c 。p h y s i c a lp r o p e r t i e sa r es i m i l a rt ot h e s eo fr 1 2a n dr 1 3 4 aa n dt h e yh a v ez e r o o d pa n dn e g l i g i b l eg 缪pc u r r e n t l y , l i m i t e di n f o r m a t i o ni sa v a i l a b l ei nt h eo p e n f f e r a t u r eo nt h ep e r f o r m a n c ea n dd e s i g no ft h ea i r - c o n d i t i o n i n ga n dr e f r i g e r a t i n g s y s t e m su s i n gt h eh y d r o c a r b o n s s oag r e a td e a lo f w o r ki ss t i l ln e e d e dt od of o ru s i n gi t p r o p e r l y ht h i sp a p e r , r e c e n td e v e l o p m e n to fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ro fa l t e r n a t i v e r e f r i g e r a n t si n s i d et u b e sa l er e v i e w e d , i n c l u d i n g t h ec o m p a r i s o no fh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i e sb e t w e e na l t e r n a t i v er e f r i g e r a n t sa n do r i g i n a lr e f r i g e r a n t s ，t h ei n f l u e n c eo f l u b r i c a n t so nh e a tt r a n s f e ra n d 也ee n h a n c e m e n to fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r o nt h e b a s i so ft h a t , t h i sp 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 6 0 0 扣o i lm i x t u r e s c o n d e n s a t i o nh e a tt 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 6 n t u b ef o ri t n l ee 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 ：m a s sf l u xi s5 0 l8 0 幻m 2 s ， t h ec o n d e n s a t i o n t e m p e r a t u r e i sf r o m3 6 t o4 2 t h eo i lc o n c e n 仃a t i o i li s 1 8 1 5 5 4 ，t h ev a p o rq u a i l t yi s1a 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 e o 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 l 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 t a m - 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 tas a n l 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 i 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 f f 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 h l ee f f e c to i l 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 1 l i sp h e n o m e n o nc a nb ee x p l a i n e dw i t ht h e v i e w p o i n to f o i lc o n c e n 仃a t i o nc h a n g ei nt h el i q u i dp h a s eo f t h er e f r i g e r a n t o i lm i x t u r e 2 n ei n v e s t i g a t i o no nt h ec 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 f i s t i c si nah o r i z o n t a l 重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o f i nt u b ef o rh c 6 0 0 a - o i lm i x t u r es h o w s ： a mc o n d e n s a t i o nh e a ti x a m f e rc o e 伍e i e n to f 也em i x t u r ei n c r e a s 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 n l em e a r lc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e 伍e i e n td e c r e a s e sw i t ht h ei i l 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 lh e a tt r a n s f e r t o e m d e n ta tas a n l eo i lc o n c e n t r a t i o n 3 i n 啦sp a p e r t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sb a s e d , o nt h et w od i f f e r e n ts a t u r a t e d t e m p e r a t u r e s o n ei st h er e a ls a t u r a t e dt 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 e s 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 tc 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 e m i x t u r e - a r ec o m p a r e da n dt h er 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 aw i t h t 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 lv a l u e s i s3 0 5 t 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 nt h ep r e s s u r ed r o po f t h em i x t u r e k e y w o r d s ：h c 6 0 0 a - o i lm i x t u r e ，h e a tu a n s f e rc o e f f i c i e n t , o i lc o n c e n t r a ：t i o n ，v a p o r q u a l i t y , s u p e r h e a tt e m p e r a t u r e i n 重庆大学硕士学位论文 主要符号说明 管截面积 m 2 b 肋高 m 印定压比热容材( 堙k ) 矗管径 所 e 肋厚 小 ，摩擦因子 g 重力加速度 m s 2 g 质量流率 姆( m 2 j ) h 换热系数w l ( m 2 k ) i 汽化潜热培 石导热系数w l ( m k ) 工管长州 m 质量堙 捕质量流量瞎s 月肋数 p 压力脚 以临界压力脚 p 。对比压p i p 。 q 换热量加 ，温度 u 传热系数w ( m 2 - k ) 工干度 缸千度变化 准则数 胁：丝 k r e ：丝 主要符号说明 p r ：! v 希腊字母 口肋螺旋角 占空隙率 d 壁厚m 户密度堙m 3 甜含油率 动力粘度堙( m j ) l ，运动粘度m 2 i s 脚标 。，平均 。等效 。入口 ，润滑油 。液体制冷剂 最大 。 出口 制冷剂 。制冷剂含油混合物 ，砌，总的 ，壁 。水 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 本课题的主体是水平管内凝结换热实验，使用的换热元件是微肋管 ( m i c r o f i nt u b e ) ，它是制冷系统中常用的一种内扩展表面强化换热管，在 凝结与换热强化方面具有很大的优越性。本课题中使用的冷凝工作流体是制 冷剂h c 6 0 0 a ，它是一种纯天然绿色环保工质，是目前制冷剂最有前途的替代 物之一。本课题中使用的润滑油也是制冷系统中应用较为广泛的种润滑油 s u n i s o3 g s 。因此，课题中涉及到了目前在制冷空调和热泵系统中使用替代 制冷剂，制冷剂的换热性能及流阻特性，润滑油对制冷剂换热性能及压降的 影响等多方面的内容。本章就上述凡方面的内容，对目前国内外的研究现状 作一个简要评述，并阐明本课题选题的出发点、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 制冷剂的回顾及展望 1 1 1 人类使用制冷剂的历史及现状 从美国人j a c o bp e r k i n s l 8 3 4 年采用挥发性液体乙醚( r - 6 1 0 ) 作为制冷剂 研制蒸汽压缩制冷装置并获得专利算起，制冷剂的使用已经有1 0 0 多年的历史。 时至今日，制冷剂经历了一个不断发展的过程“3 。 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，相比之下氮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。 二十世纪初，又有三种物质被用作制冷剂，它们分别是异丁烷( r - 6 0 0 a ) ， 氯甲烷( r - 4 0 ) 和二氯乙烯( r - 1 1 3 0 ) 。在实际应用方面，由于氨和二氧化硫具 有毒性，而乙醚又易爆，因此，直到1 9 3 2 年以前，人们还一直认为异丁烷、氯 甲烷和二氯乙烯是最为理想并具有发展前途的制冷剂。当时，大多数学者认为 很少会有其它制冷剂可以替代它们。于是，人们的主要精力集中在防泄漏上， 因为这些气体的泄漏会直接危及人们的健康。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 9 2 8 年，m i d g l e y 和h e n n e 等用s w a r 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。1 9 3 8 年美国又发现 了聚四氟乙烯，之后大量的人工合成制冷剂又相继出现，有r 1 2 ，r 一儿，r 1 1 3 ， r - 2 2 ，r - 1 4 等。这些氯氟烃类制冷剂无毒、无气味、不易燃烧、化学性质稳定、 热力性能优良、价格便宜，大大促进了制冷与空调工业的发展。直到7 0 年代美 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 ) 教授撰文指 出著名的c f c 问题，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。 当今c f c 在各个国家的使用及分布情况为：美国2 9 ，欧共体3 0 6 ，前苏 联及东欧国家1 4 ，日本7 ，澳大利亚、加拿大3 5 ，中国及印度2 ，其它发 展中国家1 4 。 9 0 年代初，我国生产和使用的受控c f c 与哈龙类物质约2 万吨，主要是 r 1 1 、r 1 2 、r 1 1 3 、h a l o n 1 2 1 1 、h a l o n 1 3 0 1 ，四氯化碳与甲基氯仿等7 种。表 l 是1 9 9 4 年实际生产量和消费量的数据”1 。 表l0 d s 的生产和消费量 品种 r 1 1r 1 2r 1 1 3h a l o n 1 2 1 1h a l o n 1 3 0 1c c l 4 c c l 3 c h 3 生产量 3 1 0 0 2 1 9 0 08 0 03 5 0 0l o2 4 97 3 7 进口量 1 3 1 3 01 1 1 22 8 6 15 0 04 00 3 0 0 消费量 1 6 2 3 02 3 1 0 23 6 6 l4 0 0 05 02 4 9 1 0 3 7 百分数3 3 74 7 77 68 3o 10 52 1 o d p 值 1 ，01 o1 0 74 1 61 0 8 0 ，1 2 1 1 2 氯氟烃及氢氯氟烃对环境影响 在地球上空有2 0 3 0 k m 的平流层( 同温层) 有一臭氧层，它可以吸收或反 射紫外线，避免紫外线直接进入地球，造成伤害。结研究果表明我们最常用的 制冷剂c f c 及哈龙类物质是破坏臭氧层的元凶，而且破坏的速度越来越快。 c f c 为人工化合物，包括溴、氯、氟等元素，会取代碳氢化合物中的氢原 子，形成稳定状态。如甲烷的卤素衍生物r 1 l ( 或c f c l l ) 其分子式为c f c l3 ，r 1 2 ( 或c f c l 2 ) 其分子式c f 2 c 1 2 ，当制冷系统破裂、泄漏、清洗或更换时有可能造 成制冷剂外漏，使c f c 物质进入大气，并且随风飘扬进入大气层中，因紫外线 及高温照射，会分解为溴、氯、氟、碳等原子，破坏臭氧层，其反应方程式如 下以c f c l 2 即r 1 2 为例) ：。 2 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 c f z c i z 叶c f 2 c i + c l ( 1 1 ) c i + 0 3 卜c 1 0 + 0 2( 1 2 ) c l o + o 卜 c 1 + 0 2( 1 3 ) 因此一个c l 离予由于连锁反应会破坏1 0 万个0 3 分子，使氧层遭到破坏。 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。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“3 。 1 1 3 国际问保护护臭氧的行动 自1 9 7 4 科学家莫利纳( i j m o l i n a ) 和罗兰( f s r o w l a n d ) 教授发表臭 氧层遭破坏的论文后，保护臭氧层已成为环境保护的主要事件之一。 自1 9 7 4 迄今，在这2 0 几年中国际间保护护臭氧层的行动大致可分为三个 阶段”。： 1 1 9 7 4 年1 9 8 7 年期间，自科学上一致认为氯氟烃( c f c ) 及哈龙( h a l o n s ) 会破坏大气臭氧层起，联合国环境署开始规划各项保护臭氧层的措施，并在 1 9 8 5 年维也纳会议上，获得了具体结论，签定了维也纳公约。2 4 个国家与欧共 体于1 9 8 7 签定了蒙特利尔议定书，管制破坏臭氧层物质。 2 1 9 8 8 1 9 9 0 年蒙特利尔议定书伦敦会议上决议加速管制c f c 及哈龙， 并对议定书进行了修订，且将其他会破坏臭氧层的物质一并列入。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 年经修正的蒙特利尔议定书，我国政府制定了关于逐步淘汰臭氧层物质的国家 方案，规定2 0 1 0 年完全淘汰破坏臭氧层物质。 3 1 9 9 1 年至今，包括1 9 9 2 年的哥本哈根会议和1 9 9 5 年的维也纳会议再 次加速对破坏臭氧层物质的管制进程。1 9 9 6 年莫利纳( m j m o l i n a ) 和罗兰 ( f s r o w l a n d ) 等三人，因对臭氧层的形成和破坏及对环保的重要贡献，获诺 贝尔化学奖。 由于国际上对c f c 的禁用，我国目前已成为世界上生产和消费最多的国家。 1 9 9 6 年9 月1 6 日在北京召开的全国首届保护臭氧层大会上，国家环保局提出， 我国在“九五”期间的工作目标为：在1 9 9 6 年的基础上，将消耗臭氧层物质消 费量和生产量削减5 0 。 1 1 4 绿色环保制冷剂r 6 0 0 a 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 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 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 发展的方向提出了不同的看法，主要有以下几种：i 、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”3 。表1 1 列出了r - 6 0 0 a 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 - 1 3 4 ar - 7 1 7r 一2 9 0r 一6 0 0 ar - 7 4 4 分子量 1 2 9 9 28 6 4 81 0 2 0 31 7 0 34 4 1 5 8 4 4 o l 是否天然不是不是不是是是 是 是 o d p1 o0 0 5o0o00 6 y p ( i 0 0 年) 7 1 0 01 5 0 01 2 0 0000l g w p ( 2 0 年) 7 1 0 04 1 0 03 1 0 0oool 毒性 1 0 0 01 0 0 01 0 0 02 5i 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 t l v 8 h ( p p m ) 可燃性 非非非是是是非 或可爆性 爆炸极限 1 5 5 2 72 2 9 5 1 8 8 4 ( 空气中) 毒性或刺激性 有有有无无无无 分解产物 近似相对价格1l 3 5 o ，20 10 1o 1 0 c 时容积制 2 7 4 04 3 4 42 8 6 04 3 6 03 8 7 04 2 3 42 2 6 0 0 冷量( k j m 3 ) 需不同类型 与系统材料不能用 好好油和干燥过好好好 相容性铜部件 滤器 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 当欧洲一些企业认识到1 3 4 a 方案带来的麻烦时，他们在绿色和平组织的支 持下，为迅速完成替代r 1 2 的时间表，纷纷转向r 6 0 0 a 替代方案。此方案有较 多的优点：8 1 取材易，有炼油工业就可生产 价格低 润滑油可采用原r 1 2 的润滑油 每台冰箱灌注量少，一般两个打火机含量就可 运行压力低，噪声小，能耗降低可达5 1 0 o d p 值和g w p 值均为零 对系统材料没有特殊要求 生产过程控制严格程度相对于r 1 3 4 a 要低，维护费用也相对低于r 1 3 4 a 方案 对维修不会带来任何困难和维修后的质量影响 生产过程抽真空系统可以借用r 1 2 系统，无需专用线 r 6 0 0 a 替代方案的改造费用的投入并不大，因为目前已经生产出r 6 0 0 a 专 用灌注机，该机已经把防爆措旌考虑在其中了，因此车间内不需要在采用其他 的防爆措施。对生产适合于r 6 0 0 a 工质的压缩机从技术上讲是并不困难的，所 以欧洲迅速形成了规模化的生产能力。 在我国，采用r 6 0 0 a 方案的冰箱厂很多。目前我国r 6 0 0 a 不再需要高价进 口，天津、南京等化工厂已具备相当生产能力；另一方面，适用于r 6 0 0 a 的压 缩机也已形成规模生产，这就使得r 6 0 0 a 方案得到迅速的推广。目前我国天津 扎努西、浙江加西贝拉、青岛海尔、广东科龙等厂家已形成规模生产能力。因 此，绿色环保工质r 6 0 0 a 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 6 0 0 a 。 1 2 替代制冷剂在水平管内凝结换热及流阻特性 c f c 与h c f c 的替代是近年来制冷行业的热点，随着各种替代品的相继出 现，对它们的各方面的特性进行考察，是一项十分紧迫的任务。其中，对替代 制冷剂在各种条件下的传热特性的研究，占有重要地位。因为制冷系统中换热 器的设计与优化离不开这些基本数据。通常，对制冷剂的传热性能的研究主要 有以下几个方面：管内沸腾、管外沸腾、管内冷凝、管外冷凝。其中水平管内 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， 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 而在上述这些设备中，管予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。 1 2 1 替代制冷剂在水平管内凝结过程的换热研究 求取换热系数a 的表达式有两个基本途径：一是分析法以及包括比拟法在 内的理论解法；二是应用相似原理或量纲分析法，将众多的因素归并成为数不 多的几个量纲准则，通过实验确定a 的具体实验关联式。实际上自从n u s s e l t 的工作开始，用实验、分析等方法研究凝结换热现象就成为研究者不断研究的 课题。 1 9 5 1 年c a r p e n t e r 和c o l b u r n 。3 对凝结传热建立了物理模型和数学模型。 在他们的模型中，假设作用于凝结液膜上的主要作用力是蒸汽切应力而不是重 力。据此，通过求解该数学模型和与实验数据对比，得出局部换热系数为： 口，= c p f 脚生( p t f o ) ” s t ( 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，z 为导热系数， 下标，表示液体。 1 9 6 0 年a k e r se ta 1 “”对在水平管内r - 1 2 和丙烷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 结过程的影响。 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 c ， 5 0 0 0 时， m t - 1 3 _ 8 p r i 门( 盎) “6 r e r r 0 2 1 0 0 0 r e v 2 0 4 ；( 1 5 ) = 0 1 p 妒咯) ”6 r 3 ，2 x 1 0 4 2 x 1 0 4 时，他们推荐如下关系式 批，：o 1 酽( 旦鱼) ”( 1 7 ) 其中，等效质量流率定义为： 吐= g ，( 旦) m + q( 1 8 ) 值得指出的是，该爿耗于1 9 7 7 年被a s h r a eh a n d b o o ko ff u n d a m e l c t a l s 推荐为冷凝器设计的计算关系式。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 9 6 2 年，c h a c o “”通过对r 1 1 3 进行实验， 内凝结时用下式计算与实验结果能很好的吻合。： 盘= 。5 5 5 【至螋。d 二a t 鱼鳖l 4 j 指出在低流速下，制冷剂在管 ( 1 9 ) 该方程的应用范围是r e ，：旦鱼 3 5 0 0 , 时，其中r e v 按进口状态计算 p ， 1 9 6 5 年，r o s s o n ，m y e r s 等“4 对混合流区内，甲醇和丙酮的凝结换热进行 测量，发现换热系数沿管周围变化比较大。在管顶部，换热系数与管内凝结量 无关，并可用下式计算。 口：缸垒驾筹监 l ， ( 1 1 0 ) 。觑r 。 、 式中参数z 应包括蒸汽剪切力作用，即： z = 0 3 1 r e 1 2 ( 1 1 1 ) 在管底部，采用热传递和动量的类比来计算换热系数，故 撕，= 面丽r 鬲( 8 r 湎e t ) 而。z ( 1 1 2 ) 1 9 6 7 年，s o l i m a ne ta 1 “报道了管内环状流动凝结时摩擦、动量、重力之 间相互作用的研究。他们得到了能预测局部换热系数的更一般的方程式。分析 中主要假设为传热热阻主要是由层流引起的。他们提出的方程式仍然是对方程 ( 1 4 ) 的修正。 1 9 7 1 年a z e re ta 1 “”通过对水平管内r - 1 2 凝结实验，得到了确定环状 流动的局部换热系数的计算公式： 瓣n u x o 0 3 9 丽x 0 二- 9 ( 告) ( 钞沁 ( 11 3 ) 其中。，：1 + 1 0 9 砖。3 9 9 ，：坠) “( _ 2 ) ”( 1 - x ) 。，。 h v牟t x 1 9 7 3 年t r a v i s se ta 1 n 5 1 对b a ee ta 1 m 3 的实验数据进行总结，得出如 下关系式预测冷凝局部换热系数： m ；= 学盹) ( 1 1 4 ) 其中： b = 0 7 0 7 p d r e ? 5 ，r e ， 5 0 ：( 1 ，1 5 ) 重庆大学硕士学位论文1 绪论 最= 5 p r t + 5 1 n i l + p r l ( 0 0 9 6 3 6 r e p i ) 1 ，5 0 r e ， 1 1 2 5 ；( 1 1 7 ) f ( x u ) = o 1 5 ( 巧1 + 2 8 5 x t 4 ”)( 1 1 8 ) 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： 肌一5 t p , d c p l t u o k t ( 1 19 ) 分层流： 胁。一o ，z s c 业丢乞鎏警一4 z 过渡流： 丛：孚 (121)n u 。一n u ，。，册一k 一 1 9 7 9 年，s h a h ”得出管内膜状凝结换热系数的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： 甲= 詈小劳口t ( 1 2 2 ) 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y ) “8 ( 1 2 3 ) 式中，吼为所有质量都以液体流动时的换热系数，其计算式为： 吒：0 0 2 3 r e 耳；l s p r s 。 4 2 j ( 1 2 4 ) d 、一7 1 9 8 5 年t n t a n d o ne ta 1 f 1 9 】对r 1 2 和r 2 2 在三段内径1 0 m m ，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 ( 盎r ”噼”，r e ，”“0 4 ； ( 1 2 5 ) 8 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 9 8 8 年，王维城等【2 0 1 对r 1 2 水平管内强制对流凝结进行了实验研究。该实 验段紫色铜管内径1 3 m m ，实验段长度5 4 m 。实验参数范围为：冷凝温度3 0 4 2 ，质量流率g = 1 0 0 4 1 0 k g m 2 s ，入口过热度0 5 1 0 。 该文对国外五个知名度较高的计算关联式进行了评价，认为该五式在小流 量下计算值均偏低。是因为这些计算式都是以较高流量下、环状流的实验结果 为依据得出的，因此在小流量下( 9 0 1 3 0 k g m 2 s ) 缺乏实验数据。为弥补这种 不足，作者在理论分析的基础上，根据实验结果，提出了一个新的关联式，认 为在较大的雷诺数范围内( r e = 2 8 1 0 4 n o 7 x1 0 4 ) 与实验结果在1 5 内吻合： 局部换热系数的计算公式： n u ：= 1 8 8 4 r e ? p ( 兰) ( 导) “5 ( - l ) ”。 ( 1 2 6 ) u v ， i 一工 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 i 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m 2 j 到4 0 0 k g i m 2 s 。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 - 1 3 4 a 的冷凝换热系数比r - 1 2 高约1 0 。 微肋管的换热系数和压降均比光管大，对于r 1 3 4 a ，相同质量流率下，微肋管 的换热系数约为光管的1 8 2 5 倍。 1 9 9 5 年，s h a o 和o r a n r y d ”对r - 4 0 7 c 与r - 2 2 冷凝换热情况进行了比较， 冷凝实验管为6 t u 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 - 2 2 在质量流率小于 2 7 0 k g m 2 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 幻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 一1 2 和r 一2 2 水平管内的凝结换热进行 迸一步定量研究，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 - 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 0 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。 9 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 9 9 5 年，杜杨，辛明道。”以r 1 l 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 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 1 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。 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 1 3 4 a 水平管内 受迫流动凝结换热的计算关联式。 1 9 9 8 年，t a k e s h ie b i s b 和k u n i k a z ut o r i k o s h i 1 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 d 。= 7 o 砌，内径d ，= 6 4 姗，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 2 。s ，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 - 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 一1 2 ，r - 1 3 4 a 冷凝换热的实验结果吻合较好。 计算时所取的冷凝温度为3 7 8 和4 8 9 c ，所设想的管件外径为9 5 3 咖，壁 厚为0 6 4 m m ，质量流率范围为5 0 8 0 0 堙m 2 - 5 ，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