TBAB 包络化合物浆水平管内的传热特性研究

1、TBAB包络化合物浆水平管内的传热特性研究宋文吉1,2,3，肖睿1,2，董凯军1,2，何世辉1,2，黄冲1,2，冯自平1,2*（1中国科学院广州能源研究所;2中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室，广州510640;3中国科学院研究生院，北京100039）摘要：TBAB包络化合物浆具有易生成、高潜热及可流动性等特点，是一种良好的蓄冷及潜热输送介质，在中央空调系统中表现出光明的节能前景。本文采用实验方法，研究了B型TBAB包络化合物浆在定热流密度条件下，水平不锈钢管内的对流换热特性，流速涵盖了层流湍流。通过研究流速V、固相含量Xs对换热系数的影响，发现“换热降低区”和再层流化现象，得到层流

2、区与湍流区的临界线。最后整理出对流换热的无量纲准则式，其计算结果与实验结果的相对误差在±20%以内。关键词：传热；TBAB；包络化合物浆；潜热输送中图分类号：TB64文献标识码：AInvestigationonconvectiveheattransferofTBABClathrateHydrateSlurryincylinderpipewithconstantheatfluxSongWen-ji1,2,3,XiaoRui1,2,HeShi-hui1,2,HuangChong1,2,FengZi-ping1,2(1GuangzhouInstituteofEnergyConversion

3、,CAS;2Keylaboratoryofrenewableandgashydrate,CAS,Guangzhou510640,China;3GraduateSchoolofChineseAcademySciences,Beijing100049,China)ABSTRACT:Tetra-n-butyl-ammoniumbromide(TBAB)clathratehydrateslurry(CHS)isonekindofsecondaryrefrigerants,whichispromisingtobeappliedintoair-conditioningorlatent-heattransp

4、ortationsystemsasathermalstorageorcoldcarryingmediumforenergysaving.Itisasolid-liquidtwophasemixturewhichiseasytoproduceandhashighlatentheatandgoodfluidity.Inthispaper,theheattransfercharacteristicsoftypeBTBABslurryinahorizontalstainlesssteelpipeflowwereinvestigatedwithconstantheatflux,inwhichsolidm

5、assfractionsandflowvelocityweretheexperimentalparametersunderbothlaminarandturbulentconditions.Onevelocityregionofweakenedheattransferandre-laminarizationphenomenonwerefound,andthenaflowtypetransitioncurvefromlaminartoturbulentflowwasobtained.Atlast,criterialcorrelationsofNusseltnumberforlaminarandt

6、urbulentflowsintheformofpowerfunctionweresummarized,andtheerrorwithexperimentalresultswaswithin±20%.Keywords:heattransfer;TBAB;clathratehydrateslurry;latentheattransportation0前言相变材料在空调系统中有着广泛的应用。从传统的气-液相变制冷剂，到新一代的固-液相变载冷剂，相变材料始终发挥着重要作用。使用适当的固-液相变材料替代冷水进行冷量存储及输送，成为中央1节能降耗的最佳方案来稿日期：2008-11-30基金项目

7、：国家自然科学基金(U0634005)，国家高技术研究发展计划（863计划）项目(2006AA05Z254)，广东省科技计划(2006A10706006)。*通讯联系人：冯自平,第一作者：宋文吉(1978-),男,山东威海人,博士研究生，主要从事制冷空调、蓄能等方面的研究。之一。实验研究表明，四丁基溴化铵(TBAB)包络化合物浆具有优异的相变特性、较高的相变潜热和良好的流动性，在中央空调及区域供冷系统中显示出巨大的节能应用前景2。TBAB包络化合物可在常压及0-12的条件下发生相变，具体的相变温度依赖于TBAB水溶液的初始浓度。主要存在A型和B型两种结构形式的包络化合物，其中A型包络化合物的相

8、变潜热约为193kJ/kg，B型的相变潜热约为205kJ/kg3。包络化合物晶体的粒径分布在10-100m之间4，且晶体颗粒之间不易凝聚，与其水溶液可以形成悬浊液，具有良好的流动性。作为一种潜热输送介质，TBAB包络化合物浆的管内对流传热特性是重要的理论基础，决定其应用范围和实际效果。然而，到目前为止，只有少数相关研究报道。基础研究方面，仅有肖睿等针对A型包络化合物进行了水平铜管内的对流换热实验5。实际应用方面，JFE公司对TBAB包络化合物浆空调的应用进行了一定程度的研究和开发6,7，但其研究主要偏重于空调实用技术。除此之外，尚未发现其它有关TBAB包络化合物浆相变传热的公开研究报道。本文针

9、对B型包络化合物浆对流传热领域的研究空白，进行了定热流密度条件下的水平不锈钢管内传热特性的实验研究。1实验研究1.1实验装置实验系统如图1所示。传热特性测试段为壁厚1mm，内径14mm，长2.8m的304#不锈钢管，管外包裹30mm厚玻璃棉耐热保温层。测试段上游留有足够长的流动发展段，且安装一段约0.2m长的树脂玻璃管用于监视管内包络化合物浆的流动情况。其余管路统一采用PVC管连接。图1实验系统示意图Fig.1TeststandforconvectionheattransferofCHS定热流边界条件通过高频开关电源直接对实验管通低压直流电进行加热的方法来实现。该电源可进行直流稳压稳流输出，最

10、大额定输出功率为12kW（扬州鼎华电子有限公司，DSP50-250A）。本实验采用定热流qm=15kWm-2进行加热。管内流体温度，通过安装在测试段进出口位置的4支铠装铂电阻Pt100（A级）和插入管中心处的8支铠装K型热电偶（级）共同测量；管壁温度通过紧贴外管壁的8支K型热电偶（级）来测量。所有的测温传感器都使用Pt100（AA级，名义精度±0.018）在实验温度范围内进行了标定，精度可达±0.15。热电偶的测温布置如图2所示。1#-8#，铠装热电偶测管中心流体温度；9#-16#，K型热电偶测外壁温度图2热电偶布置示意图Fig.2layoutsofthetemperatu

11、resensors包络化合物浆的流量通过科里奥利质量流量计测量（西安东风机电有限公司，ZLJC7型），精度为±0.25%,且经过计时称重法进行过标定。循环流量的连续调节通过变频器控制不锈钢变频泵来实现。实验中的温度、流量、电加热功率的实时信号都由AgilentHP34970A数据采集仪记录。1.2对流换热原理流体与管壁的对流换热系数可由流体平均温度与内壁温度及加热密度来计算=qmTwinT(1)f其中，流体平均温度Tf为测试段进口温度与包络化合物浆未完全融化前的出口温度共同来确定。管内壁温度Twin可由实测的外壁温度和加热密度推导得出。为了方便描述不同流速、不同流态的对流换热规律，对

12、管内流速进行无量纲化处理。肖睿等8的实验结果表明，包络化合物浆的流动遵循Bingham流体特性，因而需引入Metzner-ReedReynolds数，定义式为：ReDVM=µ(2)e其中，对于Bingham流体，其有效黏度可简化为：µD0e=6V+(3)包络化合物浆的塑性黏度(Xs)和屈服剪切应力0(Xs)可由实验来确定；混合物的参数，如,c,等可用固相和溶液的相应参数加权平均得到。1.3TBAB包络化合物浆的物性本文在实验中通过测量浆体的温度间接计算溶液中包络化合物的固相含量Xs。由TBAB包络化合物的相平衡图9可知，TBAB初始溶液的浓度低于40%时，其相变温度与剩余水

13、溶液的浓度存在一一对应关系。其中，当初始溶液浓度为2-20%时，通过冷却降温可得到稳定的B型包络化合物，简写为Bu4NBr26H2O。根据单调的相平衡曲线，利用多项式拟合出剩余溶液浓度与温度之间的对应关系式C(T)=0.01144T20.14610T+0.55484(4)通过方程(4)可以间接计算出生成B型包络化合物后剩余溶液的浓度，然后根据外推法，可以计算出固相的质量含量5。Xs(TT)0,T)=C(T0)C(CfCT(5)溶液初始浓度为C(T0)=17.3%，对应的调和浓度Cf=0.32。本文实验中B型包络化合物浆的温度在7.8-9.8变化，对应固相含量为0Xs30%。2结果与讨论2.1流

14、速对换热系数的影响3对流换热系数随流速的变化规律Fig.3versusvelocityatdifferentXs图3所示为不同Xs下，(V)的函数曲线。在整个测试范围内，对流换热系数都是管内平均流速V的单调递增函数。同时可以发现存在一个“换热降低区”的流速区域(0.6V1.2ms-1)，在这个区域内，含有一定固相的包络化合物浆(Xs>0%)的换热系数要低于纯溶液(Xs=0%)的换热系数；在这个区域以外，固相的存在对换热有强化作用。这是因为，在此区域内，纯溶液的流动已经进入过渡流甚至湍流，而包络化合物浆在固相颗粒的作用下，仍然处于层流状态。流动状态的不同导致换热能力的差别。2.2固相含量X

15、s对换热系数的影响4Nu数随固相含量Xs的变化规律Fig.4NusseltnumberversusXsatdifferentvelocitiesV图4从另外一个角度表示Xs对的影响。从图中可以看出，每条定流速曲线都表现出一个先升后降的基本规律，我们称之为“再层流化”现象(层流时的换热能力要小于湍流)。在低固相区，Xs的增大对起到了强化换热的作用，然而当Xs继续增大到某一临界值后，由于固相的存在使得原本已经进入湍流的流动重新回到层流区域，从而削弱了包络化合物浆的换热能力。把每条定流速曲线的临界Xs用虚线连成曲线，就是层流区和湍流区的分界线，位于分界线右边的区域是层流区，左边的是湍流区和过渡区。2

16、.3对流换热实验关联式通过对实验数据的回归，分别得到层流和湍流下的对流换热无量纲准则式Nu=1.798×103Re0.6648MPr1.3309层流Nu=6.085×104Re0.9131.2061MPr湍流(6)其中，临界通用Re数为1800ReMc3500。上述准则式在300ReM16,000的适用范围内，与实验结果的相对误差可在±20%以内。3结论通过对B型包络化合物浆在水平管内的定热流传热实验研究，得到以下结论：(1)存在一个“换热降低区”，即在定固相含量对流换热过程中，存在一个流速区域，使得处于该区域内的具有一定固相含量的包络化合物浆(Xs>0%)

17、的对流换热系数低于纯TBAB溶液(Xs=0%)的换热系数。“换热降低区”对工程实际应用具有很重要的指导意义，在实际应用中应尽量避开这一区域。(2)除过渡区外，定流速下的对流换热系数在湍流区和层流区大体上都是随固相含量的增加而增加的。(3)从传热角度发现“再层流化现象”。(4)根据实验数据，对B型包络化合物浆在层流和湍流下的对流换热无量纲准则进行了关联拟合，拟合结果与实验结果的最大相对偏差为±20%。参考文献1McCabeR,E.Districtheating&coolingsystemsofthefuture:StrategiesforglobalchangeJEnergyE

18、ngineering,1996.93(6):p.6-26.2姚豪,周春艳,樊栓狮等.水合物浆和冰浆高密度前热输送研究进展J.化工学报,2003.54(增刊):p.57-61.YaoHao,ZhouChun-yan,FanShuan-shietal.Recentresearchadvancesonhydrateslurryandiceslurryforhighdensitylatent-heattransportationJ.JournalofChemicalIndustryandEngineering(China),2003,54(Suppl.):p.57-61.3OyamaH,ShimadW

19、,EbinumaTetal.Phasediagram,latentheat,andspecificheatofTBABsemiclathratehydratecrystalsJ.FluidPhaseEquilibria,2005.234:p.131-135.4DarbouretMyriam,CournilMichel,Jean-MichelH.RheologicalstudyofTBABhydrateslurriesassecondarytwo-phaserefrigerantsJ.InternationalJournalofRefrigeration,2005.28(5):p.663-671.5肖睿,何世辉,黄冲等.四丁基溴化铵包络化合物浆在铜管内的对流传热特性J化工学报,2007.58(9):p.2205-2210.XiaoRui,HeShi-hui,HuangChongetal.ConvectionalheattransferofTBABclathratehydrateslurryflowincoppertubeJ.JournalofChemicalIndustryandE