纳米石墨冷冻机油对R600a流动沸腾换热的影响

陈梦寻，张华，娄江峰

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2浙江盾安人工环境设备股份有限公司，浙江 诸暨 311835）

纳米石墨冷冻机油对R600a流动沸腾换热的影响

陈梦寻1，张华1，娄江峰2

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2浙江盾安人工环境设备股份有限公司，浙江 诸暨 311835）

搭建了纳米冷冻机油/制冷剂水平光管内流动沸腾换热测试实验台，研究了石墨/R600a纳米制冷剂在水平直光管内流动沸腾换热特性，分析了纳米石墨对含油制冷剂流动沸腾换热的影响。实验测试段为总长 2.5 m、外径9.52 mm、内径8 mm、壁厚0.76 mm的紫铜管。在质量流速为150、200、250、300 kg·m-2·s-1下，分别测量纯R600a、含油R600a、不同质量分数（0.05%、0.1%、0.2%）纳米石墨冷冻机油和R600a混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数随干度的变化趋势。实验结果表明：纳米石墨的添加增强了含油制冷剂的流动沸腾换热。实验获得了基于石墨的含油纳米制冷剂流动沸腾换热关联式，关联式的预测值与 94.5%的实验数据偏差在±15%以内。

纳米粒子；传热；测量；传热系数；预测；关联式

引　言

纳米流体是一种新型的换热介质，添加纳米粒子可以提高流体的传热性能[1-5]。纳米制冷剂是指将纳米颗粒添加到制冷剂中得到的稳定悬浮液，可以增强制冷系统的换热性能、提高制冷系统的COP[6]。目前关于纳米粒子对制冷剂及含油制冷剂沸腾换热性能影响的实验研究主要集中在流动沸腾换热和池沸腾换热两个方面。而流动沸腾换热方面的研究成果较少，且纳米材料种类多为金属氧化物[7-9]。在已报道的实验结果中，纳米流体的有效热导率、对流传热系数和沸腾传热速率等热特性有许多不一致的地方[10-11]，有待深入系统地探究。

Akhavan-Behabadi等[12]实验研究了 CuO纳米粒子对含油R600a流动沸腾换热的影响，发现在低质量流速下，质量分数为1.5%的纳米油可平均提高流动沸腾传热系数 42.2%。Henderson等[13]研究了水平管内SiO2纳米粒子对纯R134a和含油R134a流动沸腾换热的影响，实验结果表明，只添加纳米SiO2的R134a较纯制冷剂的传热系数降低，而含油R134a的传热系数提高，提高比率大于100%。这是由于冷冻机油的添加有利于 SiO2纳米粒子稳定分散。Peng等[14]在实验研究 CuO 纳米粒子对 R113流动沸腾换热的影响时，没有添加冷冻机油，发现添加 CuO 纳米粒子的 R113传热系数大于纯制冷剂，最大传热系数为29.7%。已有的实验成果表明，纳米粒子的添加对纯R600a和含油R600a的流动沸腾换热的影响不同，且纳米材料种类、浓度不同，换热效果也不一样。

纳米石墨是一种常见的纳米材料，廉价易得。在前期工作的基础上[15]，本文选用SUNISO 3GS作为冷冻机油，采用两步法制备质量分数为 0.05%、0.1%、0.2%的纳米石墨冷冻机油。选R600a制冷剂，研究在不同质量流速、不同入口干度下，不同质量分数的纳米油在水平光滑圆管内的流动沸腾换热特性，为纳米制冷剂的深入研究和应用提供必要的数据基础。

1　实验装置与测试工况

1.1实验装置

图1为实验系统，实验台主要由含油制冷剂循环回路、冷却系统以及数据采集系统3部分组成。其中含油制冷剂循环回路包括叶片泵、过冷段、质量流量计、预热段、观察段、实验段和冷凝段等。数据采集系统由 Agilent 34970A和 SIEMENS S7-200组成，其中前者采集实验段上20个热电偶测点的温度参数，而后者则采集实验系统中的铂电阻、质量流量计、压力传感器和压差传感器等的信号。

图1　实验系统Fig. 1　Schematic diagram of experimental apparatus

实验段为水平布置的紫铜管，外径9.52 mm，内径8 mm，壁厚0.76 mm。实验段总长度2.5 m，有效加热段 2.4 m，以便于测定充分发展段的沸腾换热，同时可消除出口效应（L/D>60）。测试段采用电加热的形式，由稳压电源供电。图2显示了实验段电加热带和温度测点的布置形式。在实验段外壁的5个等截距断面上布置了20个热电偶（CHINO T型），每个断面布置4个热电偶，用于测量实验段上、下和中间两侧的壁面温度，外缠绝热胶布。

图2　实验段加热带和温度测点布置Fig. 2　Layout drawing of heater band and temperature measuring location on test section(unit: mm)

1.2实验测试工况

实验测试工况的选择主要是考虑在小型制冷系统中含油制冷剂的实际运行工况，同时考察不同纳米颗粒含量对沸腾换热的影响。实验研究在质量流速为150、200、250、300 kg·m-2·s-1工况下，纯R600a、含油R600a（1:99）以及含纳米石墨粒子（0.05%、0.1%、0.2%）的冷冻机油与R600a混合物（1:99）在水平光滑圆管内的流动沸腾换热特性。其中实验段的入口干度控制在0～0.9间隔0.1，实验段的干度变化为0.1。同时为了让实验过程中含油制冷剂能进行充分地循环流动，每次实验前都运行叶片泵2 h，使纳米冷冻机油和R600a能充分均匀互溶。

表1　实验工况及主要实验参数范围Table 1　Experimental conditions and scope of main experimental parameters

2　实验数据的处理和误差分析

2.1实验数据处理

含纳米油制冷剂的干度是关键性参数，实验中需要控制测试段的进出口干度。测试段进、出口的R600a/纳米冷冻机油混合物的比焓可表示为

式中，h为比焓，kJ·kg-1；w为混合物中制冷剂的质量分数；x为干度；下角标in和out分别表示测试段的进、出口；下角标r、NRO、V和L则分别表示制冷剂、纳米冷冻机油、气相和液相。

根据预热器和测试段的热平衡，测试段进、出口的R600a/纳米冷冻机油混合物的比焓可表示为

式中，hr,NRO,f为R600a/纳米冷冻机油混合物经过流量计时的焓值，kJ·kg-1，由NIST REFPROP8.0求出；Qpre为预热段上的总加热量，W；Qtext为测试段上的总加热量，W；为纳米冷冻机油流量，kg·s-1；为制冷剂流量，kg·s-1；由式(3)和式(4)求出hr,NRO,in和hr,NRO,out，并代入式(1)和式(2)中即可求出xin和xout。测试段的平均干度取两者的算术平均值。

含纳米油制冷剂管内流动沸腾传热系数可由式(5)导出

式中，Tin为测试段管内壁的平均温度，℃；Tr,sat为测试段内流动的含油制冷剂的饱和温度，℃；q为实验管壁的热通量，可由式(6)计算得出

式中，Qtest为测试段上的总加热量，W；A为测试段的有效加热区域的内壁面积，m2。

由于实验测试段的管壁较薄，约为0.76 mm，故近似认为实验测试段管壁内部的导热过程为沿半径方向的一维导热。同时测试段外壁面保温性能优异，可认为是绝热边界条件。故内壁面的平均温度可由式(7)一维导热方程得出

式中，do和di分别为测试段圆管的外径和内径，mm；λ为圆管材料紫铜的热导率，W·m-1·K-1；L为测试段的有效加热长度，m；Tout为圆管外壁的平均温度，由于测试段的温度测点布置比较均匀，故取Tout为5个断面（图2）所有20个测点温度的算术平均值

2.2测量参数的误差分析

本文实验台的误差主要来自两个方面：一是预热段和测试段的漏热引起的误差；二是测量仪表引起的误差。针对第一类误差，主要采用对预热器和测试段进行标定和热平衡实验，以扣除这部分误差。而对于第二类误差，则采用 Gungor等[16]提出的误差传递分析方法，计算传热系数的相对误差，分析实验系统的可靠性。传热系数的相对误差传递方程为

在沸腾换热实验过程中，当热量工况最大时，圆管内壁与混合物的换热温差为2.9℃，此时沸腾传热系数的最大相对误差最大，为5.42%。

3　实验结果与分析

3.1含油R600a的沸腾传热系数

图3（a）～（d）分别是质量流速为150、200、250、300 kg·m-2·s-1工况下，纯R600a和R600a/冷冻机油混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数随干度的变化趋势。由图可知，随着干度的升高，R600a的沸腾传热系数呈现先升高后下降的趋势。当入口干度到达0.7左右时，R600a的沸腾传热系数达到最大。当入口干度达到0.8左右时传热系数开始下降。此外，随着质量流速的升高，R600a的传热系数也逐渐提高。添加冷冻机油后R600a的沸腾传热系数在低干度下有一定的提高，而整体的变化规律与纯 R600a相同。Akhavan-Behabadi[12]和Wen等[17]对纯R600a在不同管内的流动沸腾换热特性进行了实验，也得到了相近的结果。

图3　R600a/3GS流动沸腾传热系数随干度的变化Fig.3　Flow boiling heat transfer coefficient of R600a/3GS mixture versus vapor quality

3.2含纳米油R600a的沸腾传热系数

图4（a）～（d）分别是质量流速为150、200、250、300 kg·m-2·s-1工况下，不同质量分数纳米石墨冷冻机油和R600a混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数随干度的变化趋势。添加纳米石墨粒子后，3GS/R600a混合物在管内的流动沸腾传热系数明显增大。在低干度下（＜0.3），纳米粒子的作用效果比较明显，主要是由于纳米粒子的添加，会明显降低基液的表面张力[18]，使加热表面的汽化核心处产生的气泡变小，同时气泡的数量变多，增强加热表面的扰动，最终引起沸腾传热系数的升高。

3.3纳米油对流动沸腾换热的影响

为了定量分析纳米粒子的添加对含油制冷剂管内流动沸腾换热特性的影响，将含纳米油制冷剂与含油制冷剂沸腾传热系数的比值定义为强化因子EFHT

式中，α为管内流动沸腾传热系数，W·m-2·K-1；下角标r,NRO和r,RO分别为R600a/纳米冷冻机油混合物和R600a/冷冻机油混合物。

图5（a）～（d）分别是质量流速为150、200、250、300 kg·m-2·s-1工况下，不同质量分数的纳米石墨粒子对 R600a/纳米冷冻机油混合物沸腾传热系数的强化因子随干度的变化规律。在 150 kg·m-2·s-1下，换热强化因子在1.026～1.19之间，添加0.05%、0.1%和0.2%的纳米粒子后，传热系数的平均强化率分别为3.8%、11.6%和15.8%。在200 kg·m-2·s-1下，换热强化因子在1.008～1.132之间，添加0.05%、0.1%和0.2%的纳米粒子后，传热系数的平均强化率分别为2.4%、6.4%和8.4%。在250 kg·m-2·s-1下，换热强化因子在1.012～1.153之间，添加0.05%、0.1%和0.2%的纳米粒子后，传热系数的平均强化率分别为3.6%、7.2%和9.9%。在300 kg·m-2·s-1下，换热强化因子在1.044～1.128之间，添加0.05%、0.1%和0.2%的纳米粒子后，传热系数的平均强化率分别为 5.8%、8.9%和9.3%。

图4　R600a/纳米石墨冷冻机油混合物流动沸腾传热系数随干度的变化Fig.4　Flow boiling heat transfer coefficient of R600a/nano-refrigeration-oil mixture versus vapor quality

图5　纳米粒子对含油制冷剂流动沸腾换热的强化因子Fig. 5　Coefficient of nanoparticles on flow boiling heat transfer of R600a/refrigeration-oil mixture

从图5可以看出，在相同的质量流速下，随着纳米粒子浓度的提高，沸腾换热强化率不断升高，而随着质量流速的上升，纳米粒子的强化效果有一定的减弱。在低干度下，由于纳米石墨粒子的添加，减小了含油制冷剂的表面张力，使其在管内流动沸腾时，气泡变小，有利于强化换热性能。另外，纳米制冷剂管内流动过程中，在固体壁面形成纳米尺度多孔质层，纳米颗粒表面产生了流体分子吸附层，同时纳米颗粒对黏性底层扰乱而减小边界层厚度等，这些因素都会使换热增强[19]。而当干度提高时，含油制冷剂本身的流型发生变化，形成雾状流，因表面张力的变化带来的影响变小，纳米流体强化传热的效果只体现在热导率的提高上，所以强化程度有所减弱。

4　含油纳米制冷剂流动沸腾换热关联式

目前，关于纳米冷冻机油/制冷剂的流动沸腾换热关联式还未见报道。本文在Gungor-Winterton关联式的基础上，引入一个纳米粒子的综合影响因子ξnp，可描述纳米冷冻机油/R600a流动沸腾传热系数的实验关联式为

式中，hsp,NRO和hnb,NRO分别为R600a/纳米冷冻机油混合物的对流沸腾传热系数和核态沸腾传热系数；E和S分别为对流沸腾和核态沸腾的影响因子，可表示为

式中，Bo和Xtt分别为沸腾数和Lochhart-Martinelli数[20]；量纲1参数Rer,NRO可由式(14)表示

式中，d为测试段圆管的直径；G为混合物的质量流速，kg·m-2·s-1；μr,NRO为混合物的黏度。

ξnp的具体形式如下

式中，φn为纳米粒子的体积分数；G0为制冷剂的质量流速，kg·m-2·s-1；a、b、c为拟合参数，由实验测得的混合物流动沸腾传热系数采用非线性最小二乘法拟合得到，3个系数分别为 86.7、12.5 和59.4。

对比实验关联式的计算值与实验结果后表明，94.5%的实验数据与计算值偏差在±15%以内，平均偏差7.17%。因此认为该关联式可以较准确地预测纳米冷冻机油/R600a混合物流动沸腾传热系数。

5　结　论

（1）测得了纯R600a、R600a/冷冻机油和不同浓度的纳米石墨冷冻机油与R600a混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数。结果表明：R600a/冷冻机油混合物的沸腾传热系数略大于R600a的沸腾传热系数，两者都随着干度的升高先升高后下降，且在相同干度下随着质量流速的升高而升高。添加纳米石墨粒子后，管内的流动沸腾传热系数明显增大，在实验工况下，添加0.2%纳米冷冻机油的混合物流动沸腾传热系数最大可提高19%。

（2）实验工况下，纳米颗粒影响因子EF=1.008～1.19，当质量流速为150 kg·m-2·s-1、添加的纳米石墨粒子质量分数为0.2%时，传热系数的平均强化率最大，为15.8%。

（3）提出了基于含纳米油制冷剂的混合物性和纳米粒子综合影响因子的实验关联式，用于定量描述相变流体流动沸腾传热系数，误差在±15%以内。

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Effect of graphite nanolubricant on R600a flow boiling heat transfer

CHEN Mengxun1, ZHANG Hua1, LOU Jiangfeng2
(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2Zhejiang DUN’AN Artificial Environmental Equipment Co., Ltd., Zhuji 311835, Zhejiang, China)

A test rig with a horizontal smooth tube was built to measure flow boiling heat transfer of nanolubricant/refrigerant. The experimental study on heat transfer characteristics of graphite-nanorefrigerant flow boiling inside a horizontal smooth copper tube, with total length of 2.5 m, outside diameter of 9.52 mm, inside diameter of 8 mm and wall thickness of 0.76 mm was performed. Influence of graphite on flow boiling heat transfer characteristics of nanorefrigerant/oil mixture was investigated. There were three kinds of fluid under experiment：R600a, R600a/oil and graphite nanorefrigerant/oil with different graphite mass fractions (0.05%, 0.1% and 0.2%). Flow boiling heat transfer coefficients of these fluid versus vapor quality were measured respectively in a horizontal smooth tube under the mass flow density of 150, 200, 250, 300 kg·m-2·s-1. The results indicated that the presence of graphite enhanced the flow boiling heat transfer. A correlation for predicting the flow boiling heat transfer coefficient of nanorefrigerant/oil mixture with graphite was proposed and it agreed with 94.5% of the experimental data within a deviation of ±15%.

nanoparticles；heat transfer；measurement；heat transfer coefficient；prediction；correlation

date: 2015-06-01.

Prof. ZHANG Hua，Zhanghua3000@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51176124) and the Shanghai Leading Academic Discipline Project($30503).

10.11949/j.issn.0438-1157.20150761

TB 61+2; TB 383

A

0438—1157（2015）11—4394—07

2015-06-01收到初稿，2015-08-03收到修改稿。

联系人：张华。第一作者：陈梦寻（1992—），女，硕士研究生。

国家自然科学基金项目(51176124)；上海市重点学科建设项目($30503)。