R245fa传热特性的实验研究

R245fa传热特性的实验研究 第33卷第3期2011年3月武汉理工大学学报 JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.33No.3Mar.2011DOI:10. 3963/j.issn.16714431.2011.03.015R245fa传热特性的实验研究黄晓艳王华王辉涛昆明 理工大学冶金与能源工程学院昆明650093摘要:对R245fa水平光滑管管内流动沸腾 换热特性进行了实验研究主要包括加热水质量流速、工质质量流速、蒸发温度以及 干度对局部换热系数的影响结果表明在相同蒸发温度及加热水质量流速下随着工质 质量流速增大管内流动沸腾换热系数迅速升高在相同工质质量流速及蒸发温度下随 着加热水质量流速的增大管内流动沸腾换热系数升高在相同工质质量流速及加热水 质量流速下随着蒸发温度的升高管内流动沸腾换热系数降低。分别采用Chen公式、 LiuWinterton公式、Shah公式计算了与本实验相同工况下R245fa的管内流动沸腾换热 系数其结果表明:3个预测公式的计算结果与实验值之间的平均误差分别为31.6、6.3、 37.4。采用LiuWinterton公式计算R245fa的流动沸腾换热系数满足工程实际的要求。 关键词:流动沸腾换热质量流速蒸发温度关联式中图分类号:TK124文献标识码:A文 章编 号:16714431201103006705ExperimentalStudyonEvaporatingHeatTransferCharacteristicsofHFC245faHUANGXiaoyanWANGHuaWANGHuitaoFacultyofMetallurgicalandEnergySourcesEngineeringKunmingUniversityofScienceandTechnologyKunming650093ChinaAbstract:ConvectiveboilingheattransfercharacteristicsofR245fainsidehorizontaltubeareinvestigatedatvariousmassflowratesofhotwaterworkingfluidsandatvariousevaporationtemperatures.Theinvestigationresultsshowthatconvectiveboilingheattransfercoefficientsgoesupwiththeincreaseofhotwaterandworkingfluidmassflowratebutitiscontrarytoevaporationtemperature.BycomparisonsoftheexperimentallocalheattransfercoefficientswiththatpredictedbyChencorrelationLiuWintertoncorrelationandShahcorrelationitisconcludedthatdeviationsofthesethreecorrelationsare31.6、6.3、 37.4respectively.LiuWintertoncorrelationismoreprecisetopredictconvectiveboilingheattransfercoefficientsofR245fathanChencorrelationandShahcorrelation.Keywords:convectiveboilingheattransfermassflowrateevaporationtemperaturecrrelation收稿日期:20101120.基 金项目:国家自然科学联合基金重点项目U0937604和云南省自然科学重点基金资助 项目2008KA002.作者简介:黄晓艳1985女硕士生.Email:273284041qq.com随着制冷工 业的发展及人们环保意识的提高制冷剂的使用也在发生着变化。总的来说制冷剂的 发展大致经历了四个阶段12:第一阶段18301930年人类对制冷剂的要求是能用即可 这个时期的制冷剂或有毒或可燃亦或两者兼而有之如甲基乙醚RE170、乙基醚、酒 精、氨/水、氯乙烷R160等第二阶段19311990年随着人们对人工制冷需求的快速增长 出现了安全、耐久、高效的制冷剂主要为氯氟烃CFCs、含氢氯氟烃HCFCs第三阶段 19912010年由于CFCs与HCFCs类制冷剂均含有氯原子会破坏大气臭氧层这个时期 的制冷剂的选择与研发主要以保护臭氧层为主3有HCFCs、HFCs及HCs等。第三阶 段制冷剂的应用虽成功地减少了臭氧层的消耗但很多制冷剂具有较强的温室效应3 人们开始把目光转向开发新工质即2010年以后的第四阶段如氢氟烃HFCs和自然工 质NH3、H2O、CO2以低ODP值、低GWP值4、短寿命、高效为主要目的。R245fa 五氟丙烷是国际上近几年研发的第四代制冷剂由美国Honeywell公司生产美国环保 局EPA已批准该制冷剂可作为新的环保型替代制冷剂5。该制冷剂良好的热物性和优 越的环保特性使其具有广阔的应用前景如用作空调冷水机组、热泵以及低温热能发 电有机朗肯循环的工质等还可以作为发泡剂、溶剂及气溶胶等68。到目前为止国际上一些学者已对R245fa做了部分研究工作如对其基本热物性9、毒性10、可燃性、化学稳定性及与材料的相容性9等的研究但尚缺乏对R245fa换热性能系统的研究。主要对R245fa的蒸发换热性能进行实验研究。1实验1.1实验设备图1为R245fa管内流动沸腾换热测试管路系统图。该实验管路系统主要由三大循环回路构成分别为:加热水循环回路:该回路由膨胀水箱、热水循环泵、电加热器及质量流量计型号:EMF流量量程:0250kg/h精度:0.5等组成。在测试段内完成对工质放热的水经电加热器加热以后进入实验测试段的套管型换热器与内管管内冷工质R245fa进行换热R245fa吸热蒸发套管中的水由测试段另一端流出进入热水循环泵完成一个循环。工质R245fa循环回路:该回路由实验测试段、预热器、质量流量计型号:DMF12流量量程:10100kg/h精度:0.2、工质加压泵流量调节范围为20125kg/h扬程为3.5MPa、稳压罐、储液罐、板式换热器等组成。由储液器来的R245fa液体经工质加压泵加压后经稳压罐进入预热器该预热器是为油浴加热器其内充装导热油。被预热的R245fa进入实验测试段在套管式换热器中吸收加热水的热量蒸发由测试段出来的汽液混合物或干蒸气经过减压阀节流降压通过板式换热器被冷却水冷却回到储液罐完成一个循环。冷却水循环回路:该回路由冷却水箱、冷却水循环泵等组成。冷却水箱中的水由冷却水循环泵送入板式换热器在板换中完成对从测试段来的R245fa的冷凝液态R245fa返回储液罐从板换出来的水从地沟排走。1.2管内流动沸腾测试段管内流动沸腾测试段如图2所示该测试段为同心套管式换热器有效长度2.0m外管为302.5mm的无缝钢管内管为102.0mm的紫铜管工质R245fa走内管管内加热水走内、外管间的环形流道两流体呈逆流流动为避免壁面与外界进行热交换在外管的外侧用保温材料绝热保温。测试段布置6组测温装置每组之间相隔400mm每组测温装置由6只T型铜康铜热电偶组成每只热电偶均经严格校验。其中1只铠装热电偶测量内管管内R245fa温度2只铠装热电偶测量环形空间内水的温度3只用0.2丝材自制并经校核的热电偶固定在内管外壁上沿周向布置测量内管的外壁温度。为了使内管外壁温度不受加热水温度的影响在安装好3只丝材热电偶后用耐热胶在其外做一层环形套管式防水绝热层。温度值通过多通道巡检仪采集通过组态王软件实现计算机对数据的实时显示、自动储存。每组测温热电偶详细布置如图3所示。1.3实验原理由热力学第一定律热水在测试段相邻两测点间环形套管的放热量为Qwimwcptiin-tiout1根据热平衡管内工质的吸热量为QwfiQwi268武汉理工大学学报2011年3月工质在该段管内的平均沸腾换热系数haveriQwfiAitwii-te3Aidil4由单层圆筒壁导热公式可得管内壁温度 twiitwoj-Qwfil12ilnd0di5各段管外壁温度取其两端所有管外壁温测点的平均值twojtw1itw1i1tw2itw2i1tw3itw3i166各测试点间工质干度的变化xihi1-hiifg7xi1xixi8 两测试点间工质的平均干度xixixi1292结果与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 图4为R245fa在蒸发温度为40、加热水质量流量150kg/h时管内平均换热系数随管内含汽率及工质质量流速的变化规律。可以看出流动沸腾换热系数同时受蒸发温度、工质质量流速及管内工质含汽率的影响。随着工质质量流速增大流动沸腾换热系数升高当工质质量流速增加时加热水传给管子的热量能被迅速带走从而增加了传热随着管内工质含汽率的增大流动沸腾换热系数先增大后减小。这是因为在沸腾开始段管内工质含汽率比较低换热主要为单向液体对流换热换热系数较低随着含汽率的增大气泡在壁面产生越来越多并不断脱离壁面汽泡对液体的搅动强化了换热流动沸腾换热系数便随之升高此时对流起 主要作用但随着管内含汽率的继续增加流动沸腾换热系数升高的程度减缓在达到最大值后随着含汽率的继续增大管道内开始以气体为主由于气体分子间距离较大不利于传热因此流动沸腾换热系数开始下降。沸腾贯穿于整个换热过程。图5为R245fa在蒸发温度为40、工质质量流量60kg/h时管内平均换热系数随管内含汽率及加热水质量流速的变化规律可以看出在相同的工质质量流速及蒸发温度下随着加热水质量流速的增加换热系数提高而且整个过程均与加热水质量流速有关。与图4类似在相同加热水质量流速工况下随着管内工质含汽率的增大流动沸腾换热系数先增大后减小。图6为R245fa在加热水质量流速150kg/h、工质质量流量40kg/h时管内平均换热系数随管内含汽率及蒸发温度的变化规律可以看出在本实验范围内随着蒸发温度的升高流动沸腾换热系数降低这是因为在相同的工质质量流速及加热水质量流速的条件下蒸发温度越高越不利于气泡的产生。与图4类似在相同的蒸发温度下随着管内工质含汽率的升高流动沸腾换热系数先升高后降低。69第33卷第3期黄晓艳王华王辉涛:R245fa传热特性的实验研究3实验结果与主要关联式计算结果的比较3.1计算管内流动沸腾换热的基本关联式由于两相强制对流换热本身的复杂性目前国际上对管内两相强制对流换热的研究主要采用理论模型与实验相结合的方法建立具有一定精度的半经验关联式其中Chen公式LiuWinterton公式及Shah公式有典型的代表性。Chen公式:1966年Chen11所提出的一个饱和流动沸腾换热的关系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。形式为htpFhlShpool10LiuWinterton 公式:LiuandWinterton12在Kutateladze13的指数加和的模型上提出了如下关联式hEhDittusBoelter2Shpool211Shah公式:Shah14针对竖直管、水平管和环型管提出了管内的流动沸腾换热关联式。具体形式为htpmaxhchnb123.2实验结果与各关联式计算结果的比较分别采用Chen公式、LiuWinterton公式、Shah公式计算了与实验同工况下R245fa的管内流动沸腾换热系数结果表明3个预测公式的计算结果与实验值之间的平均误差分别为31.6、6.3、37.4。计算值与实验值的比较关系见图7图9。由图7图9可见采用Chen公式和Shan公式的计算结果与实验值有较大误差因Chen公式钦攵允惫苣诹鞫刑诨蝗忍岢隼吹腟han公式仅在单相强制对流换热系数与核态沸腾传热系数之间取较大者而没有将单相强制对流换热与核态沸腾传热两者很好的耦合起来所以用这两个关联式来预测本实验R245fa在水平光滑管内流动沸腾换热系数时误差较大分别为31.6、37.4。用LiuWinterton公式计算R245fa工质的饱和流动沸腾换热具有良好的精度误差仅6.3可满足工程实际对精度要求。4结论a.流动沸腾换热系数同时受蒸发温度、工质质量流速、加热水质量流速及管内工质含汽率的影响沸腾70武汉理工大学学报2011年3月贯穿于整个换热过程。b.质量含汽率在0.30.4之间时R245fa流动沸腾换热系数达最大值。c.在沸腾开始阶段随着含汽率的增大流动沸腾换热系数升高在流动沸腾换热系数达到最大值后随着含汽率的继续增大流动沸腾换热系数反而下降。d.在相同蒸发温度及加热水质量流速下随着工质质量流速增大管内流动沸腾换热系数迅速升高在相同工质质量流速及蒸发温度下随着加热水质量流速的增大管内流动沸腾换热系数升高在相同工质质量流速及加热水质量流速下随着蒸发温度的升高管内流动沸腾换热系数降低。e.Chen公式、LiuWinterton公式、Shan公式预测R245fa工质管内流动沸腾换热系数的平均误差分别为31.6、6.3、37.4用LiuWinterton公式计算工质R245fa的饱和流动沸腾换热具有良好的精度可满足工程实际对精度的要求。参考文献1CalmJM.下一代制冷剂历史回顾思考与展望J.汪训昌 译.暖通空调2009392:4149.2CalmJMHourahanGC.制冷剂特性数据解析与更新J.白雪 莲译.制冷与空调200775:6173.3任金禄.制冷剂发展历程J.制冷与空调200993:4144.4 王辉涛王华黄晓艳.低温余热驱动的低沸点工质超临界动力循环J.武汉理工大学学报 20093114:3235.5国外信息.霍尼韦尔新制冷剂R245fa获美国环保局完全认可J.制冷技 术20054:55.6GaryJZyhowskiSrMarkWSpatzSamuelYanaMotta.HFC245fa性质及应用 综述J.家电科技20038:5961.7吴青平马贞俊朱瑞琪.一种新的工质HFC245faJ.流体机 械200331:117119.8张建君陆轶蓥.聚氨酯发泡剂HFC245J.浙江化工2003349:5623.9刘 贤明王彤.HFC245fa发泡剂J.聚氨酯工业1998132:5.10宋建国.氟里昂发泡剂替代技术 的新进展J.化工新型材料2000288:16.11林宗虎.气液两相流和沸腾传热M.西安:西安 交通大学出版社 2003.12LiuZWintertonRHS.AGeneralCorrelationforSaturatedandSubcooledFlowBoilinginTubesandAnnuliBasedonaNucleatePoolBoilingJ.IntJHeatMassTransfer199134:27592765.13KutateladzeSS.BoilingHeatTransferJ.IntJHeatMassTransfer19614:3145.14ShahMM.ChartCorrelationforSaturatedBoilingHeatTransfer:EquationsandFartherStudyJ.ASHRAETransactions1982881:185196.71第33卷第3期黄晓艳王华王辉涛:R245fa传热特性的实 验研究