R123在GY新型强化管外池沸腾的传热实验

高川云¹，王辉涛²，周杰¹，廖光亚¹，王华²

(1. 重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆，400045；

2. 昆明理工大学 冶金节能减排教育部工程研究中心，云南 昆明，650093)

摘要：为强化低温热能发电有机朗肯循环系统的传热过程，采用机械加工方法研发肋管表面似龙鳞状的新型三维外肋强化传热管即GY管。对工质R123在光管、GY管水平单管外池沸腾换热进行实验研究，在常压条件下(正常沸点为27.4℃)得到热流密度与沸腾换热系数、管内雷诺数与传热系数的关系模型。将光管管外沸腾换热系数的实验值和Cooper公式计算值进行比较可知其变化趋势一致，实验值与Cooper公式计算值的偏差小于12%；同时，得到GY管传热系数随管内雷诺数的变化规律。实验结果表明：当雷诺数在(4.9~11.5)×10³范围内时，与光管比较，GY管的传热系数强化倍率为3.10~3.45。因此，GY管是一种具有优良管外沸腾换热性能的强化管，能有效强化有机工质的换热过程。

关键词：GY管；强化传热；池沸腾；有机朗肯循环

中图分类号：TK124          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)08-2572-05

Experiment of exterior pool boiling heat transfer of R123 reinforced by horizontal GY novel tube

GAO Chuanyun¹, WANG Huitao², ZHOU Jie¹, LIAO Guangya¹, WANG Hua²

(1. Urban Construction and Environmental Engineering Institute, Chongqing University, Chongqing 400045, China;

2. Engineering Research Center of Metallurgical Energy Conservation and Emission Reduction of Ministry of Education

(Kunming University of Science and Technology), Kunming 650093, China)

Abstract: To intensify the heat transfer process in low-temperature heat driven ORC (organic Rankine cycle) systems, the novel GY tube, the three-dimensional enhanced heat transfer tube with exterior extended surface, whose finned surface looks like dragon’s scale, was developed by machining method. The exterior pool boiling heat transfer of organic fluid R123 outside separately of smooth tube and horizontally mounted single GY tube was studied experimentally. Under atmospheric condition (the normal boiling point temperature is 27.4 ℃), the relationship between boiling heat transfer coefficient and heat flux, also the relationship between overall coefficient of heat transfer and the Reynolds number of tube interior were obtained, and the tested boiling heat transfer coefficient of outside smooth pipe was compared with that estimated by Cooper formula, the maximum deviation of the experimental values from that estimated by Cooper formula is less than 12%; the overall coefficient of boiling heat transfer variation of GY tube with the Reynolds number of tube interior was also attained, The results show that when the Reynolds number is in the range of (4.9-11.5)×10³ the reinforcement ratio of GY tube is about 3.10-3.45 compared with smooth tube. Therefore, the newly developed GY tube is an excellently enhanced tubes which can reinforce exterior pool boiling process, especially the boiling heat transfer process of organic fluids.

Key words: GY tube; heat transfer enhancement; pool boiling; organic Rankine cycle

对于温度在300 ℃以下的低温余热，采用低沸点工质的有机朗肯循环(ORC)能获得比常规水蒸气朗肯循环高的发电效率^[1-2]。国内外众多研究者对有机朗肯循环工质选择的热力学进行了研究，有机工质R123具有极低的臭氧破坏潜值及全球变暖潜值、较好的稳定性和热物理性能，已被认为适合于ORC系统。因此，R123作为R11的替代工质已广泛用于工业及商业用离心式冷水机组中，国际上已有较多关于R123管外沸腾换热的研究^[3-4]。为提高换热设备的效率、减少换热面积、降低金属消耗，更合理、有效地利用能源^[5-6]，肋片管沸腾传热强化技术在强化传热领域中占有着重要的地位。国际上已开发了TURBO-B和Thermoexcel-E等强化传热管，国内已有一些学者分别在光管、低肋管等管型外进行了R123沸腾换热的实验研究^[7-8]。Webb等^[7]在沸腾温度分别为4.4 ℃和26.7 ℃时，在光管、低肋管、TURBO-B 管等管型外进行R123沸腾换热的实验研究，发现在不同的管型外R123的沸腾换热性能有截然不同的变化趋势。刘文毅等^[8]在沸腾温度分别为5、8和10 ℃时，在光管、Thermoexcel-E管外进行了R123沸腾换热的实验研 究，在沸腾压力影响指数为0.119时，与光管比较，强化管的(h~q)强化倍率为4.37左右。然而，采用铜管加工成的Thermoexcel-E管和TURBO-B管，其加工工艺复杂，难度大，制造费用高。因此，本文作者研制开发一种新型三维外肋沸腾换热强化管(GY管)，用于强化低温热能驱动的ORC系统的传热过程。该强化管外肋管表面似龙鳞状，可由铜管、铝管、碳钢管或不锈钢管，采用切削方法一道工序加工而成。与Thermoexcel-E管和TURBO-B管相比，GY管加工方法简单、成本低廉。为便于GY管在ORC技术及其他有机介质换热设备上的推广和应用，实验研究了R123在GY管外的池沸腾传热性能。

1  实验装置

由于沸腾换热机理的复杂性，很难用理论推算工质在不同管型外的沸腾换热特性，一般均由实验方法来进行验证研究。实验系统包括试验段、热水系统、冷却水系统和数据测量系统。

试验工作是在沸腾传热实验台上进行，所开发的GY管如图1所示，实验系统如图2所示。

热水系统主要由水池、水泵、电加热器等组成。冷却水系统主要由冷却水管路、冷凝器等组成，冷凝器汽侧一端与大气相通。玻璃筒直径×筒厚为300 mm×4 mm，玻璃筒长1 010 mm，玻璃筒内工质R123液体淹没光管和GY管，光管和GY管平行放置，二者到液面距离相同。实验中所有温度测量采用精度为0.2 ℃、量程范围为0~50 ℃的精密水银温度计，流量采用精度为5 g、最大称质量为30 kg的电子秤进行计时称质量测量；秒表精度0.01 s，温度计与电子秤经过校验满足要求。

图1  本文开发的GY管

Fig. 1  GY tube developed in this work

图2  实验装置图

Fig. 2  Experimental device

试验管件为光管和GY管，光管为商用紫铜管，尺寸为Ф16 mm×2 mm，以管号◆表示。GY管以管号▲表示，其外表面的几何结构如图3所示，加工前为商用紫铜管，胚管直径×管厚为16 mm×2 mm，经加工后的外径19 mm，三角形排列肋片，管长方向肋片节距为4 mm，圆周上的肋片节距为6.28 mm，肋片长度为5 mm，肋片宽度为1.9 mm，肋片厚度为0.5 mm。试验光管和GY管的有效长度均为1 000 mm。

图3  GY管外表面几何结构图(单位：mm)

Fig. 3  Outside surface geometric structure of GY pipe

2  实验原理及方法

在稳定传热情况下，沸腾换热量为进出试验管的热水放出的热量：

           (1)

式中：Q为传热量，W；c_p为水的比热容，J/(kg·℃)；M为加热水质量流量，kg/s；t_f1为管进口水温，℃；t_f2为管出口水温，℃。

由迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter)^[9]关联式可得管内水的换热系数：

            (2)

式中：h_i为管内对流换热系数，W/(m²·℃)；λ为水导热系数，W/(m·℃)；d_i为管内径，m；Re为雷诺数；Pr为普朗特数。

忽略污垢热阻，单位长度试验管传递到管外壁热量按下式计算：

           (3)

以管外表面积为基准的热流密度为

         (4)

由式(4)可得

        (5)

式中：t_f为管内水平均温度，℃；t_w为管外壁面温度，℃；d_o为管外径，m；λ_w为管壁导热系数，W/(m·℃)。

沸腾换热系数为

                 (6)

传热系数为

                 (7)

                (8)

式中：t_l为常压下R123沸点温度，℃。

由此可见，实验测定试验管内的热水流量M、进出口温度t_f1和t_f2、管外R123的沸点t_l，即可得出沸腾换热系数h及传热系数k。

为对比光管与GY管的传热性能，二者在相同条件下同时进行实验。实验过程在系统达到稳定工况下进行，通过改变电加热器的输入电压调节热水进口温度t_f1，且通过改变调节阀门的开度调节热水流量。

3  实验结果及分析

在相同进水温度、相同水流量条件下，实验对GY管和光滑管换热进行摄影。图4所示为光管和GY管同时实验发生沸腾时的照片。为验证实验方法和测试数据的可靠性，将实验值和适用于制冷剂精度较高的Cooper公式^[10]计算值进行比较。

图4  GY管与光滑管换热情况对比图

Fig. 4  Comparison chart of heat transfer situation between GY tube and smooth tube

Cooper公式为

         (9)

            (10)

式中：h_c为沸腾换热系数，W/(m²·℃)；q为热流密度，W/m²；M_r为液体相对分子质量，g/mol；P_r为液体沸腾蒸发压力与该液体临界压力之比；R_p为表面粗糙度，实验光管外表面粗糙度按0.3 μm计算。

对于R123在常压下的沸腾换热，蒸发压力为99.826 kPa，临界压力3 673 kPa，Cooper公式可简化为

               (11)

因本实验中R123在沸腾温度为27.4 ℃的常压下进行的，根据光管数据采用最小二乘法可拟合成沸腾换热系数与热流密度的关系如下：

                (12)

式中：q的范围(1~5)×10³ W/m²。

水平光滑管沸腾换热系数与热流密度的关系如图5所示。从图5可见：本文对光管的实测沸腾换热系数随热流密度的变化趋势与Cooper公式计算值结果之间存在较好的一致性，且当热流密度在(1~5)×10³ W/m²范围内时，光管实测沸腾换热系数与Cooper公式计算值最大偏差小于12%，管外池沸腾换热受很多因素影响，管径、材料表面粗糙度等都会影响实验结果，由于实验装置的差异性和表面粗糙度的不同是造成本实验结果与Cooper公式预测值间存在偏差的主要原因，但从本实验结果与Cooper公式预测结果较好的一致性和较小的偏差仍然可以看出本实验方法和测试结果的可靠性。

图5  水平光滑管沸腾换热系数h与热流密度q的关系

Fig. 5  Relationship of boiling heat transfer coefficient and heat flux density in horizontal smooth tube

采用最小二乘法拟合，可得常压下GY管管外池沸腾换热系数与热流密度之间的关系如下：

               (13)

式中：热流密度q的范围(7~20)×10³ W/m²。实验值与式(13)计算值的偏差在±13%内。

光管管内雷诺数与传热系数的关系如图6所示，GY管管内雷诺数与传热系数的关系见图7。采用最小二乘法拟合，可分别得出如下关系式：

             (14)

式中：光管Re的范围(3.71~11.5)×10³。

             (15)

式中：GY管Re的范围为(4.9~17.95)×10³。实验值与式(15)计算值的偏差在±15%内。

由式(14)和(15)可见：管内雷诺数在(4.9~11.5)×10³的范围内，与光管比较，GY管传热系数的强化倍率为3.1~3.45。因强化倍率是在相同雷诺数下，GY管与光管传热系数的比值，很显然，这一倍率表征了GY管传热系数提高的程度。GY管传热系数远高于光管传热系数，其主要原因是GY管外沸腾换热强度远比光管的高。从所拍摄的沸腾照片(图4)中气泡生成情况的对比也可明显看出，GY管外沸腾换热强度远比光管的高。GY管强化管外沸腾换热主要机理是：龙鳞形状的三维外肋管表面增加了沸腾换热面积，且切削加工形成的众多微小凹穴和肋脊表面使得汽化核心增多，能促进液膜沸腾时在壁表面上气泡数目增加。图3所示龙鳞形状的肋片(肋片长度5 mm，肋片宽度1.9 mm)与壁面所成23°夹角空间，液体会形成薄液膜沸腾，薄液膜减弱了液膜表面对气泡生长、脱离产生的抑制作用，使泡底微膜的导热和蒸发得到加强，沸腾得以强化^[11]。随着热流密度的增大，夹角空间内气泡长大，脱离壁面的速度会加快，实验观察到在3个方向上从夹角空间冒出大量气泡，同时液体回流进入夹角空间冲刷壁面的过程也加快，强化了液体与壁面间的对流换热。大量气泡上升过程中还会加剧对液体的扰动流动，进一步强化了换热过程。此外，根据场协同理论，管外沸腾换热得到强化，这是其凹穴前后的速度场与温度梯度场之间夹角小，协同程度较好的缘故^[12-13]。

图6  水平光滑管雷诺数(Re)与传热系数k的关系

Fig. 6  Relationship of Re and heat transfer coefficient of the horizontal smooth tube

图7  GY管雷诺数(Re)与传热系数k的关系

Fig. 7  Relationship of Re and heat transfer coefficient of GY tube

4  实验误差分析

为评估实验结果的可靠性，对实验进行误差分析。本实验中的主要测量量包括温度以及流量和时间，然后由测量量间接计算出沸腾换热系数h和传热系数k，利用误差传递原理可得：

       (16)

      (17)

由式(16)和(17)计算，结果显示GY管的h与k的最大相对误差分别为16.4%和18.1%。

5  结论

(1) 根据实验结果，工质R123在GY管外池沸腾换热，在管内雷诺数(4.9~11.5)×10³的范围内，GY管与光管比较，GY管传热系数k的强化倍率为3.1~3.45，强化传热效果明显。

(2) 切削加工在壁面形成众多微小凹穴使沸腾时汽化核心点增多。夹角空间壁面的液体形成薄液膜沸腾，使泡底微膜的导热和蒸发得到加强，夹角空间内气泡长大脱离壁面加快，沸腾得以强化，同时液体回流进入夹角空间冲刷壁面也加快，强化了液体与壁面间的对流换热。夹角空间大小和肋片尺寸有待进一步通过实验研究得到优化。

(3) GY管是一种具有优良管外沸腾换热性能的强化管，可用于低温热能驱动ORC系统换热过程的强化。

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(编辑  邓履翔)

收稿日期：2013-08-25；修回日期：2013-10-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51066002)；国家自然科学基金云南联合基金资助项目(U0937604)；云南省应用基础研究项目(KKSY201252024)

通信作者：高川云(1954-)，男，重庆人，高级工程师，从事强化传热研究；电话：13808307634；E-mail：gao_chuanyun@163.com