DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.030

水平微肋管内有机工质R245fa的沸腾换热性能

王志奇¹，刘力文¹，贺妮¹，夏小霞^{1, 2}，彭德其¹，张建平¹，明镇洋¹

(1. 湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭，411005；

2. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘 要：

循环发电系统中蒸发器的传热能力，对水平微肋管内新型有机工质R245fa的沸腾换热性能进行实验研究。研究结果表明：R245fa沸腾换热系数随质量流速增大而提高，随饱和温度和热流密度增大而减小；随着干度增大，沸腾换热系数先增大后降低，存在1个临界干度；在实验条件下，临界干度约为0.4，并与实验工况有关；超过临界干度时，质量流速对R245fa沸腾换热系数的强化作用增大，而饱和温度对沸腾换热的抑制作用增大；在4种常用关联式中，KANDLIKAR关联式对R245fa沸腾换热性能的预测较精确，预测值与91.6%的实验值偏差在±25%以内，绝对平均偏差为11.2%，能满足工程设计要求。

关键词：

微肋管；R245fa；沸腾换热；预测关联式；

中图分类号：TK124        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)03-0741-06

Flow boiling heat transfer characteristics of R245fa in horizontal micro-fin tube

WANG Zhiqi¹, LIU Liwen¹, HE Ni¹, XIA Xiaoxia^{1, 2}, PENG Deqi¹, ZHANG Jianping¹, MING Zhenyang¹

(1. Institute of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411005, China;

2. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: To intensify the heat transfer process of evaporator in organic Rankin cycle (ORC), flow boiling heat transfer characteristics of R245fa in a horizontal micro-fin tube were tested. The results show that boiling heat transfer coefficient increases with the increase of mass velocity of R245fa, while it decreases with the increase of saturation temperature and heat flux density. With the increase of vapor quality, boiling heat transfer coefficient reaches the maximum at a critical vapor quality. The critical vapor quality is about 0.4, and it is varied according to the operating conditions. When vapor quality is larger than the critical value, heat transfer coefficient can be promoted more remarkably at higher mass velocity or lower saturation temperature. Among the four widely used correlations, KANDLIKAR correlation has high forecast accuracy, the deviation between the forecast value and 91.6% of experimental values is within ±25%, and the absolute mean deviation is 11.2%.The correlation is more precise to predict boiling heat transfer coefficients, and it can be used for the design of evaporator in ORC.

Key words: micro-fin tube; R245fa; flow boiling; prediction correlations

有机朗肯循环(ORC)可以将低品位热能转换成电能，具有设备简单、热效率高等优点，其市场应用前景广阔^[1-2]。在众多有机工质中，R245fa作为第4代制冷剂，具有良好的热物理属性和优越的环保特性，是一种非常适合于有机朗肯循环的低沸点工质^[3-4]。微肋管强化传热技术可以增强蒸发器的传热效率，减少换热面积，进而提高ORC系统的整体性能。目前，国内外一些研究者对光滑管内R245fa的沸腾换热特性进行了实验研究，指出管径、热流密度及含气率会对沸腾换热系数产生一定的影响，并认为Liu-Winterton关联式可以较精确地预测R245fa的沸腾换热性能^[5-7]。在强化管内沸腾换热特性研究方面，张小艳^[8]认为微肋管可以强化非共沸制冷剂R417A的沸腾换热能力。通过对比微肋管内R410A和R22的沸腾换热能力，程建等^[9-10]指出质量流速和管径是影响制冷剂沸腾换热能力的重要因素，且R22具有更高的沸腾换热系数。ECKELS等^[11]研究了不同蒸发温度下R134a的流动沸腾换热性能，得出沸腾换热系数随蒸发温度增大而呈线性增大。此外，欧阳新萍等^[12]研究了微肋管几何参数对沸腾换热的影响，认为较大螺旋角与螺旋数有利于沸腾换热。WU等^[13]对微肋管强化传热机理进行了研究，指出较高的肋片与齿顶角能增强液膜的湍流，从而强化沸腾换热。目前人们针对R245fa沸腾换热的研究主要集中于光滑管，而对微肋管方面的研究较少。为此，本文作者对微肋管内R245fa的沸腾换热特性进行实验研究，并确定新型制冷剂的沸腾换热预测关联式，以便为ORC系统高效蒸发器的设计提供依据。

1  实验装置

R245fa沸腾换热性能实验系统见图1。实验系统主要由制冷剂回路、冷却水回路、电加热系统以及数据采集系统等几部分组成。

在制冷剂回路中，实验工质由多级离心泵提供动力，经调节阀和干燥过滤器后进入转子流量计，然后流入预热段与实验段。从实验段出来的工质经过减压阀节流降压，再流入板式换热器中被冷却水冷却，回到储液罐，完成整个循环。

工质预热段与实验段都采用电热丝加热的方式，加热时电压通过调压器进行调节，2部分的最大加热功率分别为5 kW与1 kW。预热段采用光滑铜管，其外径为8 mm，长度为2 m。实验段为微肋铜管，外径为7 mm，总长为1.5 m。微肋管的结构如图2所示，其主要结构尺寸如表1所示。

图1  实验系统流程图

Fig. 1  Schematic diagram of experimental device

实验段沿长度方向共布置10组测温热电偶，每组测温装置相隔150 mm。每组热电偶由3个微细T型热电偶组成，分别布置在实验段各截面的顶部、底部以及侧部。为保证实验段与预热段的绝缘性与保温性能，管段表面缠绕导热绝缘胶带，并用保温材料对管道进行保温处理。此外，预热段进口、实验段出口设有压力、温度测量装置，用于测量实验中工质的压力与温度。在实验过程中，温度与压力信号由无纸记录仪采集。实验系统中的主要测量仪器性能如表2所示。

图2  微肋管结构示意图

Fig. 2  Schematic diagram of micro-fin tube structure

表1  微肋管主要结构参数

Table 1  Structure parameters of micro-fin tube

表2  实验系统所用主要测量仪器及参数

Table 2  Performances of main parameters of measurement devices and its parameters

2  实验原理

微肋管内R245fa沸腾换热系数h的计算公式为

              (1)

式中：Q为实验段的传热量，W；T_w,in为微肋管内壁温度，℃；A为实验段铜管外壁面积，m²；T_e为工作压力下R245fa的饱和温度，℃。本实验假定实验段压力沿流动方向上呈线性变化，选取石英玻璃管出口处的压力作为实验段出口压力，再根据差压变送器读数即可确定实验段任意截面的工作压力。

                 (2)

根据一维径向稳态导热方程，可计算内壁温度T_w,in：

          (3)

式中：d_out为微肋管的外直径，m；d_in为微肋管内径，m；L为实验段铜管加热的有效长度，m；λ_w为微肋管的导热系数，W/(m·K)；T_w,o为实验段的管外壁温度，℃。外壁温度取3个测点的平均值，根据式(3)计算得到内外壁温差仅为0.02 ℃，可认为内外壁温相等。

根据热平衡方程，可计算实验段各测点间制冷剂的干度变化：

               (4)

                (5)

式中：h为制冷剂的焓，kJ/kg；x为干度；r为制冷剂的潜热，J/g；m为制冷剂流量，kg/s；下标i表示第i测试段；in和out分别表示进口与出口；y表示预热段。根据R245fa的入口温度与压力，可以确定制冷剂的入口焓，结合各测试段电热丝的加热量可求得出口焓。2个测点间的平均干度x_i为

                 (6)

3  结果与分析

在实验研究过程中，制冷剂的质量流速范围为96~339 kg/(m²·s), 热流密度为3~16 kW/m²，干度为0.07~0.65, 蒸发温度为25~45 ℃。在该实验工况下，干度对R245fa沸腾换热系数的影响见图3(其中，q为热流密度，G为质量流速)。

从图3可见：沸腾换热系数随干度增大先增大后降低，即存在1个峰值，该峰值对应的干度称为临界干度；在工况1下，当干度从0.07增大至临界干度0.40时，沸腾换热系数从2.078 kW/(m²·K)增大至3.547 kW/(m²·K)，提高了70.7%；当干度从0.4升高至0.6时，沸腾换热系数降至2.987 kW/(m²·K)，与最大值相比降低了15.8%。这主要是由于低干度区的气态制冷剂含量较少，核态沸腾起主导作用，气泡数量的增大有利于迅速带走管壁热量，使沸腾换热能力提高；随着干度增大，强制对流蒸发逐步起决定作用，而气态制冷剂含量增大，导致气泡直接接触翅片的概率增大，不利于对流蒸发的进行。

从图3还可以看出：临界干度也会随着工况发生变化；工况1、工况2和工况3所对应的临界干度分别为0.40，0.44和0.38。管内沸腾换热主要是核态沸腾换热和强制对流蒸发综合作用的过程。在不同流型区域对核态沸腾和强制对流蒸发影响程度不一样，沸腾换热能力也会出现一定变化。在工质流动过程中，受热流密度、质量流速、工作压力、工质物性的综合影响，气泡生成速率和气泡直径发生变化，引起干度发生改变进而引起流型发生变化，形成临界干度。

图3  沸腾换热系数随干度的变化规律

Fig. 3  Relationship between boiling heat transfer coefficient and vapor quality

当质量流速为192 kg/(m²·s)、饱和温度为35 ℃时，热流密度及干度对沸腾换热系数的影响如图4所示。

图4  不同热流密度q下沸腾换热系数随干度的变化规律

Fig. 4  Relationship between boiling heat transfer coefficient and vapor quality at different heat flux densities

从图4可以看出：沸腾换热系数随热流密度的增大而减小；当干度为0.38时，热流密度从3 kW/m²增大至16 kW/m²，R245fa的沸腾换热系数从4.137 kW/(m²·K)减小至2.869 kW/(m²·K)，降低了30.7%；微肋管的翅片含有许多汽化核心，随着热流密度升高，管壁过热度增大，加快了气泡形成与脱离频率。大量气泡会使环状流提前到来，进而产生较大的抑制作用^[14]。同时，生成的大量气泡减薄了翅片表面液膜，从而降低了沸腾换热效果。

当热流密度为16 kW/m²、饱和温度为25 ℃时，质量流速对沸腾换热系数的影响如图5所示。

从图5可见：随着质量流速增大，R245fa沸腾换热系数不断提高；当干度大于临界干度时，质量流速对沸腾换热系数的影响增大；当质量流速从96 kg/(m²·s)增大至339 kg/(m²·s)时，干度为0.3时对应的沸腾换热系数提高52.6%，而干度为0.5时对应的沸腾换热系数提高151.4%。造成上述结果的主要原因是：当干度小于临界干度时，核态沸腾占主导地位，气泡产生的速度直接主导沸腾换热系数，换热系数随质量流速变化幅度较小；当干度大于临界干度时，对流换热处于优势地位，在翅片扰动下流速对边界层的影响加剧，强化了质量流速对沸腾换热的影响。当热流密度为16 kW/m²、质量流速为339 kg/(m²·s)时，饱和温度对沸腾换热的影响如图6所示。

图5  不同质量流速G下沸腾换热系数随干度的变化

Fig. 5  Relationship between boiling heat transfer coefficient and vapor quality at different mass velocities

在图6可以看出：当R245fa的饱和温度增大时，沸腾换热系数逐渐降低；当干度为0.3时，饱和温度在25 ℃与45 ℃时R245fa的沸腾换热系数分别为3.137 kW/(m²·K)和2.763 kW/(m²·K)，降低了13.5%；当干度大于临界干度时，饱和温度升高产生的抑制作用更加明显；当干度为0.5时，R245fa从25 ℃升高至45 ℃，所对应的沸腾换热系数下降36.7%。饱和温度的升高带来2个方面的影响：1) 有利于内螺纹管内壁壁面气化核心的生成，增大核态沸腾能力；2) 影响制冷剂物性参数，如两相雷诺数、气化潜热等。在低干度区，核态沸腾占主导地位，气化核心生成速度对沸腾换热的促进作用明显；在高干度区，强制对流蒸发占主导地位，沸腾换热系数与液膜本身直接换热关系更大，气泡带走热量所占比例降低，工质物性所起的作用更大。制冷剂的沸腾换热系数主要受制冷剂的热物性参数和实验工况的双重影响，这2种影响综合作用，导致R245fa在低干度区热热系数随温度的变化幅度没有高干度区的大。

图6  不同饱和温度下沸腾换热系数随干度的变化

Fig. 6  Relationship between boiling heat transfer coefficient and vapor quality at different saturation temperatures

4  沸腾换热预测关联式

由于管内流动沸腾换热过程的复杂性，目前对沸腾换热进行预测时主要采用半经验半理论关联式。在制冷剂沸腾换热性能预测关联式中，GUNGOR- WINTERTON，LIU-WINTERTON，CHIOU以及KANDLIKAR是4种应用较多的关联式。

GUNGOR-WINTERTON关联式认为流动沸腾是核态沸腾换热和强制对流蒸发换热共同作用的结果，其关联式可表示为^[15]

            (7)

式中：h_sp 为单相强制对流换热系数，W/(m²·K)；h_pool为池沸腾换热系数，W/(m²·K)；F为对流强化因子；S为核态沸腾抑制因子。LIU-WINTERTON关联式将核态沸腾和对流沸腾简单的算术叠加转变成渐进叠加的方式，其预测关联式可表示为^[16]

CHIOU关联式的具体形式如下^[17]：

式中：G为质量流速，kg/(m²·s)；为液相比热容，J/(kg·K)；St为斯坦顿数。KANDLIKAR关联式引入了受制冷剂物性参数影响的流体依赖因子^[18]：

4种沸腾换热预测关联式对本实验数据的预测结果如图7所示。

从图7可以看出：与实验结果相比，LIU- WINTERTON关联式与CHIOU关联式的预测值偏大，预测的绝对平均偏差分别为24.5%与31.5%；GUNGOR-WINTERTON关联式的预测结果偏小，预测的绝对平均偏差为30%。在这4个关联式中，KANDLIKAR关联式最大的优势是引入了流体因子，考虑到不同流体的物性不同而调整量纲一参数，从成熟的单相流传热关联式推导出来，有很强的适应性。KANDLIKAR关联式对水平微肋管内R245fa沸腾换热系数的预测精度最高，预测值有91.6%落在±25%偏差范围内，且预测的绝对平均偏差为11.2%，能满足工程设计需求。

图7  不同关联式的预测结果

Fig. 7  Prediction results for different correlations

5  结论

1) 在实验工况下，水平微肋管内R245fa的沸腾换热系数随干度的增大先增大后减小，存在临界干度，且临界干度受工质运行条件的影响。

2) R245fa沸腾换热系数随着质量流速增大而增大，随饱和温度和热流密度增大而降低；当干度超过临界干度时，增大质量流速可大幅度提升沸腾换热系数，而提高饱和温度会加剧对沸腾换热的抑制作用。

3) 4种代表性预测关联式中，KANDLIKAR关联式对R245fa沸腾换热性能的预测精度最高，预测值有91.6%落在实验值±25%偏差范围内，绝对平均偏差为11.2%。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-04-10；修回日期：2017-06-15

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51405415)；湘潭大学博士基金资助项目(13QDZ04) (Project(51405415) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(13QDZ04) supported by the Scientific Research Foundation for Doctors of Xiangtan University)

通信作者：王志奇，博士，副教授，从事强化传热研究；E-mail: wangzhiqi@xtu.edu.cn

摘要：为增强有机朗肯循环发电系统中蒸发器的传热能力，对水平微肋管内新型有机工质R245fa的沸腾换热性能进行实验研究。研究结果表明：R245fa沸腾换热系数随质量流速增大而提高，随饱和温度和热流密度增大而减小；随着干度增大，沸腾换热系数先增大后降低，存在1个临界干度；在实验条件下，临界干度约为0.4，并与实验工况有关；超过临界干度时，质量流速对R245fa沸腾换热系数的强化作用增大，而饱和温度对沸腾换热的抑制作用增大；在4种常用关联式中，KANDLIKAR关联式对R245fa沸腾换热性能的预测较精确，预测值与91.6%的实验值偏差在±25%以内，绝对平均偏差为11.2%，能满足工程设计要求。