CO2微细通道流动沸腾换热干涸特性

吴昊，柳建华，张良，姜林林，丁杨，梁亚英

（上海理工大学制冷技术研究所，上海 200093）

引 言

当前在制冷研究领域如何提高制冷系统效率与避免其对环境的污染是备受研究人员关注的共同课题，采用高效换热器与环保制冷剂是解决上述问题的最主要手段。CO2作为一种无毒不可燃的天然制冷剂，不仅具有良好的热物性且ODP 值为0，其应用于制冷系统的微细通道换热器中不需加大换热器壁厚与额外耗材即能满足其高压的运行特性；同时与常规制冷剂相比，相同工况时CO2受换热器压降导致的蒸发温度变化更小，微细通道换热器能够更加高效与紧凑，根据行业发展分析，在未来的5年微细通道换热器的市场份额将会从目前的3%上升到40%。以CO2热泵热水器为例，至2009年10月底在日本国内的销量已经达到两百万台，日本政府预计到2020年CO2热泵热水器销量将达到一千万台[1]。我国对于CO2制冷技术的研究主要处于理论与实验阶段，例如CO2压缩机等核心部件仍依靠进口，因此对该领域的研究急需获得突破性进展[2]。

CO2制冷剂传热系数高于常用的传统制冷剂，但从制冷系统的传统尺度换热器管内沸腾换热效果来看，CO2制冷剂在总体效果上不尽理想。现有的研究表明，在制冷剂的低干度区域，由于CO2有较大的气体和液体热导率、较小的表面张力、较小的气液密度比和黏度比，将产生更多的汽化核心，提高了CO2的传热系数[3]。Yun 等[4]研究了CO2沸腾传热系数随制冷剂干度的变化趋势，在中低干度区，CO2沸腾传热系数随热通量的增加而增加，受质量流率的影响不大，认为在CO2流动沸腾中核态沸腾占主要作用。Hashimoto 等[5]给出了在不同的加热条件下，不同的质量流率和饱和温度下的平均传热系数，在特定的质量流率下可以得到最高的平均传热系数，高于这一质量流率，平均传热系数随质量流率的增加而减小。Oh 等[6]实验观察了CO2、R22 和R134a 不同制冷剂的流动沸腾传热系数和饱和温度、质量流率和制冷剂干度的相互关系。在相同的实验条件下，CO2的传热系数比较高，且随饱和温度的提高，其传热系数增大；而在定质量流率、饱和温度和热通量条件下，CO2流动沸腾特性与R22及R134a 等传统制冷剂有所不同，随干度增加，其传热系数呈下降趋势。Yoon 等[7]的研究表明，在低干度区CO2沸腾传热系数随热通量的增加而增加，当干度高于某一特定值后传热系数下降，这种趋势是由于CO2表面张力和黏度较低容易发生干涸现象造成的[8]。

近年来研究人员开始对微细通道沸腾传热特性进行研究，确认干涸现象的产生会使换热效果急剧降低，在采用内部微翅管实验中，发现能够提高干涸现象出现的干度[9]，但没有从干涸现象的发生机理以及影响干涸现象产生的因素方面进行深入研究。Ducoulombie 等[10]研究认为随质量流率的增大，换热表面出现干涸现象对应的制冷剂干度增大，增大制冷剂的质量流率对提高沸腾传热系数有利。Bredesen 等[11]的研究结果是，当饱和温度较低时（-25℃），传热系数随着干度的增加几乎不变，但当饱和温度为5℃时，传热系数随着干度的增加而下降，他们通过实验数据分析认为，相对于其他传统制冷剂，CO2流动沸腾中核态沸腾占主导作用。Jeong 等[12]对两根螺旋直径分别为32和81 mm的螺旋盘管进行了实验研究。他们的实验数据表明，CO2沸腾传热系数随热通量和饱和温度的增加而提高，但是与质量流率几乎无关。与沸腾传热系数的研究相比，对沸腾换热过程中干涸现象的研究相对比较少，没有深入分析干涸现象的机理以及干涸现象的影响因素[13-15]。

本文针对CO2在微细通道内的流动沸腾换热特性及其过程中发生的干涸特性进行研究，分析质量流率和管径对于传热系数与干涸的影响，为制冷系统中的微细通道换热器设计提供理论基础。

1 实验系统设计

本实验系统主要由3 部分构成：（1）CO2循环系统；（2）低温载冷剂循环系统；（3）数据采集系统。实验系统原理如图1所示。

图1 实验系统原理Fig.1 Principle diagram of experimental system

CO2循环系统主要由测试段、冷凝器、储液器、过冷器、预热器、膨胀容器、阀件以及连接管路构成，系统内部介质流动采用CO2液体柱塞泵提供循环动力。实验系统运行时储液器中液态CO2经过冷器冷却后由柱塞泵输送至测试段内，其间经过预热器时通过调节输入预热量功率可以控制测试段入口CO2液体焓值。CO2液体循环流量采用Coriolis 质量流率计测得，通过调节柱塞泵的行程调节旋钮可以精确地控制系统测试时所需的CO2流量。实验系统在测试段处采用大电流、低电压直接施加于测试段不锈钢钢管两端，根据焦耳效应，通过调节所施加的电压用于控制测试段管路输入的热通量，对测试段所施加电功率由功率计直接测得，由测试段排出的高干度CO2气体进入套管式换热器中被冷凝成液体后再次进入储液器完成一个测试循环。

低温载冷剂循环系统主要由冷凝器、过冷器以及低温制冷机组构成，其中低温制冷机组有压缩冷凝机组、恒温溶液箱、载冷剂循环泵、蒸发器板式换热器、温度控制系统等主要部件，能够实现-20～0℃恒定温度、变流量乙二醇载冷剂供液，其主要作用是为实验系统提供较低温度的冷源。

数据采集系统主要为了实现对实验过程中实验参数的监测、采集、存储、实时显示以及数据分析等功能，系统由硬件及软件两部分构成。硬件主要由传感器、计算机以及采集仪构成。系统测试所需的温度采用热电偶获取，分别在实验段外壁沿管长方向每相隔20 mm 共16 个位置的上、下、左、右4 个等间距方向上各布置4 个T 型热电偶。实验采集仪为Agilent34970，沿测试管管长方向，对测试管轴向和径向布置的多组热电偶进行温度值的实时采集，最后由管壁面温度及施加热通量等参数计算获取传热系数。实验测试软件采用VB 编制。

为了保证实验研究的可靠性，依据技术规范《JJF 1059—1999 测量不确定度评定与表示》对测试数据进行了不确定度分析，依据不确定度计算公式可得传热系数测试不确定度范围为1.8%～7.9%，干度不确定度为1.2%～6.5%。

图2 测试段及测试管Fig.2 Test section and test tube

为了定性观测换热过程，并进行换热过程研究，实验系统对换热过程中不锈钢微细通道的管表面温度场也设置了可视化监测装置。可视化测试段及测试管实物如图2所示。该可视化监测装置采 用FLUCK TI25 型红外线热成像仪分别对CO2流动沸腾换热过程中不锈钢管外壁上、下、侧3 个面的温度场进行监测，弥补了热电偶表面式温度测试方式监测管外壁温度不连续性的缺陷，又可用于辅助分析被测试不锈钢管内部流态变化。

2 CO2 换热与干涸特性实验分析

CO2在微细通道内流动沸腾换热过程中发生的干涸现象使其传热系数急剧下降，大量研究表明与传统制冷剂相比，CO2更易发生干涸现象，本节基于可视化的实验研究基础，对不同管径内CO2的流动沸腾换热性能与干涸特性进行了理论与实验结果对比分析。

2.1 质量流率对传热系数与干涸的影响

在CO2微细通道流动沸腾换热过程中，质量流率（m）对传热系数的影响虽然已经有了一定数量的研究，由于仅根据有限的传热系数测试，很少能够得到其对CO2流动沸腾换热性能与干涸影响的明确结论。针对质量流率对传热系数、干涸影响的研究，本文进行了不同质量流率下的实验，其范围为50～1350 kg·m-2·s-1。当实验过程中维持热通量（q）恒定，增加系统CO2质量流率时，测试段内流体整体干度下降，图3所示为饱和温度T=5℃，热通量q=32.4 kW·m-2，不同质量流率时2 mm 测试管表面温度红外图，可以看出测试管表面温度随质量流率增加而降低，图中黑色圈内标注为换热过程中温度的最低点，红色圈内标注为干涸区域，可见随流量逐渐增加，干涸区域存在扩大趋势(管内流动方向为自左至右)。

上述实验表明当流量超过一定值时测试管内无法达到干涸。如图4所示测试管表面温度红外成像对比，当质量流率增加至1120 kg·m-2·s-1、饱和温度降至-10℃时，同样在2 mm 管内随着热通量升高测试管表面温度也相应升高，测试管内却未出现温度突升，由此可见，在实验系统测试段中质量流率与饱和温度工况不同时，会影响干涸发生的临界热通量，当热通量小于临界热通量时就无法使其在测试段发生干涸。

图3 不同质量流率时2 mm 管表面温度红外图Fig.3 Infrared image of 2 mm tube surface temperature in different mass flow rate

图4 不同热通量时2 mm 管表面温度红外图Fig.4 Infrared image of 2 mm tube surface temperature in different heat flux

实验研究获得传热系数随干度变化曲线如图5～图7所示，图5、图6所示在整个换热过程中传热系数随质量流率变化并不明显，此时管径分别为1 mm 和2 mm，然而图7所示在3 mm 管中蒸发温度T=-5℃、热通量q=22.4 kW·m-2时，当质量流率由56 kg·m-2·s-1增加至73 kg·m-2·s-1使测试热通量低于临界热通量，由于换热过程中并没有发生干涸，而对流换热由于受管内流速增加而得到强化，因此传热系数随质量流率增加而显著增加，由此可见质量流率对传热系数影响与管径密切相关。实验中发现质量流率不仅对干涸出现前的传热系数有影响，在干涸结束之后随着质量流率的变化其换热特性也表现出不同趋势，当质量流率小于临界值时，干涸现象结束之后，传热系数随着质量流率增加基本维持不变，而当质量流率大于临界值时，干涸现象结束之后，随着质量流率增加传热系数相应增加。

当管径较小、质量流率较大、流体表面张力较小时该现象更加明显，对此解释为由于质量流率较高，使干涸换热过程中液滴夹带增加强化了对管内壁的冲击，在干涸结束后的较高干度区域传热系数随质量流率增加而增加，当干涸区域结束进入雾状流时较高的质量流率也对换热起了强化作用。

2.2 管径对传热系数与干涸的影响

图5 饱和温度T=3℃、热通量q=34.2 kW·m-2、不同 质量流率时1 mm 管内CO2 实验传热系数Fig.5 Experimental heat transfer coefficients in 1 mm test tube for CO2 at T=3℃ with initial heat flux q=34.2 kW·m-2 at different flow rate

图6 饱和温度T=2.5℃、热通量q=32.8 kW·m-2、不同质量流率时2 mm 管内CO2 实验传热系数Fig.6 Experimental heat transfer coefficients in 2 mm test tube for CO2 atT=2.5℃ with initial heat flux q=32.8 kW·m-2 at different flow rate

换热管径的尺度效应对于两相流传热系数与 干涸具有重要的影响，本文研究的目的之一是基于机理研究与实验数据分析管径作为独立的变化参数对CO2微细通道内流动沸腾换热过程的影响。本文针对管外径6 mm，管内径分别为1、2、3 mm，内表面粗糙度为16 μm 的不锈钢管进行了换热性能与干涸实验对比研究，分析了不同管径对传热系数及干涸的影响。

图7 饱和温度T=-5℃、热通量q=22.4 kW·m-2、不同质量流率时3 mm 管内CO2 实验传热系数Fig.7 Experimental heat transfer coefficients in 3 mm test tube for CO2 at T=-5℃ with initial heat flux q=22.4 kW·m-2 at different flow rate

图8 热通量q=29 kW·m-2 时不同管径实验传热系数Fig.8 Experimental heat transfer coefficients for CO2 at q=29 kW·m-2 of different test tube

图8所示为实验分析了不同管径对于传热系数及干涸的影响，在低干度区域由于管径越小换热介质与管内壁接触表面增加更易形成核态沸腾换热，因此管径越小传热系数越高。由1 mm 与2 mm 管径实验对比发现，管径越小由于传热系数的快速增加导致1 mm 管径中流态提前转变，换热过程中干涸出现在更低干度。

上述研究结果表明，1～3 mm 管径变化其流态与换热已有明显差异，按照当前Kandlikar[16]依据水力直径如表1划分管径尺度，而不考虑工况及制冷工质物性，会使传热系数与干涸预测精度降低，实验测试结果表明在1～3 mm 管径区间流态变化仍很大。因此实验研究除了现象观测外，基于现有理论研究模型提出一些代表流态特性的量纲1 数进行管径影响特性判断，Kew 等[17]从流态的角度解释当约束数Bd＜4 时具有微尺度效应，见式(1)。图9为本实验研究工况依据Bd进行的管径尺度划分，可见1 mm 管径实验工况均具有微尺度效应，2、3 mm管径内则没有，随饱和温度降低微尺度效应对应管径增加，该现象与实验观测结果基本吻合。

表1 基于当量直径的管径分类Table 1 Classification of channels based on equivalent diameter

图9 基于Bd 的管径分类Fig.9 Classification of channels based on Bd

Harirchian[18]通过微通道换热研究提出依据管子对于气泡形成是否具有限制作用作为微通道判断准则，并给出了独立于热通量的判断公式，见式(2)，认为当Bd0.5Re＜160 时气泡受管径限制，流态成为受限流，如图10所示本研究工况均未属于受限流，因此本课题研究管径仅属于微细通道。通过管径对于换热的研究表明，对于传热系数与干涸预测时不仅需要考虑其几何结构的影响，同时应与工质热物性相结合。

3 结 论

图10 微通道限制流与非限制流转变曲线Fig.10 Transition from confined flow to unconfined flow of microchannel

本文在设计搭建的实验系统上针对质量流率、管径对传热系数与干涸的影响进行了实验研究与理论分析，获得如下结论。

（1）质量流率对于传热系数的影响较为复杂，实验研究表明随流量逐渐增加，干涸区域存在扩大趋势，当质量流率超过一定值时，测试管内无法达到干涸；在实验系统测试段中质量流率与饱和温度工况不同时，会影响干涸发生的临界热通量，当热通量小于临界热通量时，也无法在测试段发生干涸。质量流率对传热系数影响也与管径密切相关。质量流率对干涸的影响表现在两个方面，一方面质量流率影响干涸的起始干度，随质量流率增加干涸起始干度有下降趋势；另一方面质量流率的增加提高了干涸过程后期及干涸结束后传热系数。

（2）对管径的研究表明，在低干度区域，管径越小，换热介质与管内壁接触表面增加更易形成核态沸腾换热，传热系数越高。管径越小，传热系数增加迅速，管径中流态提前转变，干涸出现在更低干度，同时CO2的物性对其在不同管径时换热特性影响极大，管径对于换热的影响并不能单纯依据水力直径进行尺度划分，管径尺度效应对于换热影响必须与制冷工质物性相结合，通过Bd判断准则可以有效进行管径尺度效应划分。

符 号 说 明

D——水力直径，m

d——管径，m

m——质量流率，kg·m-2·s-1

q——热通量，kW·m-2

Re——Reynolds 数

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

σ——表面张力，N·cm-1

下角标

l——液体

v——气体

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