多元混合工质池核沸腾传热实验研究_孙兆虎

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图 3 为 0. 6MPa 压力下 R134a 的沸腾传热实验
数据。图 4 为 0. 5MPa 下丙烷的沸腾传热实验数据。
从图中可以 看出, 实验装 置的 获得 的实验 数据 与
Fujita 关联式和 Nishikawa 等关联式数据相差不 多。
只是在中低热流密度的情况下, 所获得的池沸腾传
图 8 0. 4MPa 下丙烷 异丁烷混合物的沸腾传热系数
图 7 至图 8 显示了泡露点差和传热系数随着混 合物中异丁烷组分浓度( X1) 的变化曲线。从图上可 以看出, 泡露点差随着丙烷组分的增加, 先增加后减 小, 在丙烷和异丁烷摩尔比为 0. 5 0. 5 时, 达到最大 值。而在中间组分配比区间内, 二元混合物的池沸 腾传热系数比两端纯质的传热系数都要低。并且随 着热流的增加, 二元混合物池核沸腾传热系数降低 的越明显。分析传热系数下降的原因有两个: 一个 是二元混合物的当量热物性的变化; 另外一个是传 质阻力的影响, 具体的说就是在沸腾过程中, 微液层
3 实验结果
3. 1 纯工质实结果 3. 1. 1 与文献关联式比较
使用纯工质 R134a 作验证工质, 用来验证实验
装置的可用性及正确性。并将纯质 R134a 的池核沸
腾传热数 据与 Nishikawa 等关 联式[ 5] 和 Fujita 关联
式[ 6] , 分别由式( 5) 和式( 6) 表示:
式。 有关纯工质的 池核沸腾传热 已经被广泛的研
究, 并提出了一些综合的关联式用以估算不同工质 的沸腾传热系数[2] 。而对于混合工质, 现存的池沸 腾关联式中大多数针对二元混合工质, 针对三元或 多元混合工质却很少[ 3~ 4] 。因为混合物的组分如果
增加到三元或多元, 实验将变得异常复杂和繁琐, 如 果想覆盖混合物内各个不同组分浓度, 操作工作量 将成倍的增加。
2 实验装置
2. 1 装置介绍 图 1 为实验装置示意图。沸腾容器为圆桶形不
锈钢 容器, 直 径 159mm, 高为 600mm; 紫 铜 棒直 径 25mm, 长 200mm; 液氮罐容器 100 升, 且具有自增压 功能, 最高压力 0. 16MPa。沸腾容器内 部的压力由 精密压力变送器输出, 当沸腾容器内压力高出设定 压力, 电磁阀自动打开, 液氮流过沸腾容器顶部的冷 凝器, 使容器内压力稳定在设定值。整个沸腾容器 以及电加热部分均在真空罩内部与外界真空绝热。 在加热器外部裹有铝箔用以防止辐射散热。
图 3 纯工质 R134a 的池核沸腾传热系数
图 5 R134a、丙烷与异丁烷沸腾传热系数比较
图 4 纯工质丙烷的池核沸腾传热系数
3. 1. 2 不同工质传热系数比较 图 5 为 R134a、丙烷和异丁烷三种工质在 0. 4MPa
下的沸腾传热曲线。从图中曲线可以看出, 在相同压 力下, 异丁烷的沸腾传热系数最高, 并且随着热流的 增加, 这种沸腾传热系数的差异更加明显。
对于热流和壁面温度是根据铜棒上的三个等距
测温点按照傅立叶定律, 通过线性外推的方法计算 出来的, 如以下两公式所示:
q= ( T2- T1 ) ( x2- x1) + ( T3 - T2) ( x3- x2) 2
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其中, x 1 = 20mm, x 2 = 40mm , x 3 = 60mm。
三只精度为 0. 1K 的铂电阻温度计分别放置在 距离铜棒顶部 20mm、40mm 和 60mm 的位置, 通过打
收稿日期: 2005 年 3 月 17 日
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制冷学报 Journal of Refrigeration
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热有着十分重要的影响, 所以在获取二元混合物池 核沸腾传热关联式时, 很多关联式都将此因子包含 进去。
3. 2. 2 R134a 和丙烷二元混合物
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图 9 0. 5MPa 压力下 丙烷 R134a 的沸腾传热曲线 图 7 0. 5MPa 下丙烷 异丁烷混合物的沸腾传热系数
图 2 不锈钢封头热流密度分布图
1、容器罐 2、工质储罐 3、液氮杜瓦 4、真空罩 5、紫铜棒 6、冷凝器 7、电加热器 8、压力变送器
9、电磁阀 10、铂电阻 11、气相色谱仪
图 1 沸腾传热实验装置 示意图
2. 2 传热误差分析 实验装置对于沸腾传热系数的采用下式计算:
=
Hale Waihona Puke Baidu
q Tw -
T1
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研究论文
多元混合工质池核沸腾传 热实验研究
Vol . 27, No . 1 Feb. 2006
多元混合工质池核沸腾传热实验研究
孙兆虎
( 清华大学 北京 100084)
公茂琼 李志坚 吴剑峰
( 中科院理化技术研究所 北京 100080) 摘 要 对 R134a、丙烷( C3H8 ) 、异丁烷( iC4H10) 三种纯工质以及它们相应的二元混合物和三元混 合物做了 池核沸腾 传热实验研究。加热面为紫铜表面, 压力范围在 0. 1~ 0. 6MPa。在纯工质实验数据基础上, 分析物性、压力 对沸腾传 热系数的影响。相对于纯工质, 非共沸混合工质沸腾传热系 数有所降低, 并且在高 热流下趋 势更明显。最 后拟合出 纯工质和混合工质沸腾传热关联式。 关键词 热工学; 池沸腾; 纯工质; 多元混合工质; 沸腾传热系数; 关联式
1 引言
多元混合工质节流制冷机在过去的几年取得了 飞速发展, 采用单压缩机驱动的多元非共沸混合物 工质回热式节流制冷机逐渐成为 80K ~ 230K 这一 广阔温区的主力制冷机[ 1] 。而对于混合工质沸腾传 热系数的影响因素还没有一个定量的理解, 还没有 为 J- T ( 焦耳- 汤姆逊效应) 节流制冷机建立适合 的沸腾传热系数的关 联式。从基 础的池核沸腾出 发, 通过实验研究低温混合工质沸腾的传热机理, 并 拟合出一些纯质以及混合工质的池核沸腾传热关联
的对比压力点不同, 但仍然可以从图 4- 10 中看出, 三种工质的沸腾传热系数随着对比压力基本在一条 曲线上。也就是说, 对于三种工质来说, 工质种类改 变引起的物性变化对沸腾传热的影响不是很大。但 随着对比压力的改变, 沸腾传热呈指数形式变化, 因 此也可得出对比压力带来的物性变化对沸腾传热的 影响非常明显。
Experiment Study of Pool Boiling Heat Transfer of Multicomponent Mixed- refrigerants
Sun Zhaohu , Gong Maoqiong, Li Zhijian and Wu Jianfeng Tsinghua University, Beijing, 100084, China Abstract Heat transfer coefficients in nucleate boiling on a smooth flat surface were measured for pure fluids of R134a, propane, isobutene, and their binary and ternary mixtures at different pressures from 0. 1 to 0. 6 MPa. Series of experiments with different heat flux and mixture concentrations were conducted. Compared with the pure components, binary mixtures show lower heat transfer coefficients. This reduction was more obvious at the high heat flux. Several heat transfer correlations were obtained for pure refrigerants and multicomponent mixed- refrigerants. Keywords Pyrology; Pool boiling; Pure refrigerant; Mulitcomponent mixed- refrigerants; Heat transfer coefficient; Correlation;
图 6 给 出 了 在 热 流 时 q = 100000W m2 时, R134a、异丁烷和丙烷三种工质随着对比压力变化的 沸腾传热数据曲线。由于所做的压力为绝对压力, 所以在绝对压力转换为对比压力时, 不同工质对应
图 6 热流恒定条件下几种纯工质的沸腾传热数据
3. 2 二元混合工质 3. 2. 1 丙烷和异丁烷二元混合物
热系数稍高, 而在高热流的情况下所获得的沸腾传
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热系数稍低, 且出现了临界点。分析其原因, 主要因 为加热表面较文献的装置加热面粗糙, 所以低热流 下传热系数稍高, 而高热流下传热系数较小。另外, 由于实验采用真空绝热, 在高热流下的绝热效果要 比采用绝热材料绝热的效果要好。主要针对核态沸 腾区域进行池沸腾传热进行研究, 所以完全可以说 明实验装置和测量系统是可靠的。
照傅立叶定律推导计算出来的。当实验工质为混合 工质时, 采用称重法测量出各个组分的初始配比, 使 用精度为 0. 1g 的精密天平称量。使用气相色谱仪 测量组分浓度时, 保证重复性的精度在 1% 以内。
的误差主要包括真空绝热损失, 不锈钢封头导热影 响以及测温铂电阻引线损失等等。为了估算不锈钢
封头导热产生的导热影响, 应用 Fluent 6. 0 流程模 拟软件对其进行了传热模拟, 在总的加热功率 120W 条件下, 取不锈钢内侧与 外侧温差为 15 , 结果如 下图所示:
通孔的方式插入到铜棒中心。两只同样精度的铂电 阻温度计分别放置在沸腾容器底部和中上部, 用以 测量工质液体和气体的温度值。在沸腾容器中部和
底部分别用细毛细管对工质采样, 然后与气相色谱 仪连接进 行组分浓度测 量, 色谱 仪的型号为 SP3400, 采用热导检测池方式分析测量。
沸腾容器经过氦质谱仪进行捡漏操作, 确保容 器绝对密封。在实验以前, 沸腾容器内部先用丙酮 浸泡, 去除杂质, 然后内部经过抽真空才导入工质。 为了避免沸腾滞后效应, 应采取热流密度逐渐降低 的方法, 分别测量沸腾传热实验数据。实验壁面温 度和热流密度是通过加热棒三点的铂电阻的温度依
Tw = [ T 1 - x 1 ( T 2 - T 1 ) ( x 2 - x 1 ) ] 2+
[ T2- x 2( T3- T2) ( x 3- x2 ) ] 2
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对于传热系数的误差可以从热流 q、壁温 T w 和
液相温度 Tl 三个参量分别讨论, 而对于热流 q 产生
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模拟结果得出不锈钢封头导热的热量只占总热 量的 3. 2% , 主要原因是由于不锈钢封头 只有 2mm 厚度, 且不锈钢的热导率相对于紫铜来说又相对较 低。综合考虑到其它因素, 可估算热流损失在 5% 以内。
=
31. 4Pc 0. M 0. 1 T c0.
2
9(
8Rp
)
0.
2(
1-
P
P) c
[
1-
( P Pc) 0.23 0. 99( P Pc ) ] 0.9
q0. 8
( 5)
其中: M 为平均分子量; Pc 和 T c 为临界压力和
温度; Rp 为表面粗糙度, 取 Rp = 0. 4 m。
= 1. 21q0. 83
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周围的液体中易挥发组分向微液层扩散, 产生了纯 组分沸腾传热所没有的传质阻力, 从而需要更高的 壁面过热度, 致使沸腾传热系数降低。在池沸腾传 热中, 后者的影响更大一些。其中, 能够说明此原因 的一个重要的参数为泡露点差 T bp , 有的文献[ 7] 中 也叫做滑移温差。泡露点差对混合工质的池沸腾传