R417A在内螺纹管内沸腾换热的性能研究

R417A在内螺纹管内沸腾换热的性能研究薛睿洁姬长发张小艳王跃勇(西安科技大学，陕西710054)摘要三元非共沸制冷剂R417A是当前R22的替代品之一，在流动和换热性能上与R22还存在一定的差异，在文献[4]对R417A在水平光滑管和内螺纹管中流动沸腾换热实验研究的基础上，应用Fluent软件对R417A在水平光滑管和内螺纹管中流动沸腾换热进行数值模拟研究，研究结果表明：蒸发温度对换热系数的影响不是很明显，随着干度的增加，换热系数先是增大到最大值，随后出现管壁干燥、换热系数迅速降低的换热恶化现象。换热的强化不单是微肋造成的面积增大所引起，螺纹结构所引起的湿润面积的增大、沸腾点和汽化核心的增多、扰动作用及紊流效应的增强也强化了换热，与水平光滑管相比，内螺纹管具有比较明显的强化换热效果，同时，螺纹管形成的二次流、摩擦等也造成了压降增大。关键词制冷剂R417A沸腾换热数值模拟PERFORMANCESTUDYOFBOILINGHEATTRANSFEROFR417AFLOWINGINSIDEINTERNALLYGROOVEDTUBEXueRuijieJiChangfaZhangXiaoyanWangYueyong(Xi’anUniversityOfScienceAndTechnology,Shanxi710054)AbstractR417A,aternarynon-azeotropicrefrigerantmixture,isoneofcurrentsubstituterefrigerantforR22，itstillhassomedifferencesonflowingandheattransferperformancewithR22.Basedontheliterature4,theexperimentalstudyofboilingheattransferwascarriedoutforR417Aflowinginsideahorizontalsmoothandinternallygroovedtubes,usingFluentsoftwaretosimulate,thecomparisonofthecalculationandtheexperimentalresultsrevealsthattheinfluenceofevaporationtemperatureforheattransfercoefficientisnotobvious,withtheincreaseofdryness,heattransfercoefficientincreasestothemaximum,thansubsequentsomeheartransferdeteriorationphenomenonlikewalldry,heattransfercoefficientrapidlyreduce.Strengtheningheattransferarenotonlycausedbymicro-fin,butthethreadstructurecanincreasewettingareaincreases,increasedofboilingpointandevaporationcore,enhancementofdisturbanceeffectandturbulenceeffect.Comparedwithhorizontalsmoothtube,internallygroovedtubehasobviousstrengtheningheattransfereffect.Whiletheincreasedpressuredropismainlyduetothesecondaryflow,frictionincreasesandsoon.KeywordsRefrigerantR417ABoilingheattransferNumericalmodeling0前言近年来，随着国内制冷系统所占能耗比例越来越大，夏季用电高峰期甚至采取了拉闸限电措施，电力供应压力必将越来越大[1]，人们对高效、节能、环保的要求也愈来愈高，于是出现了许多二元和三元非共沸混合制冷剂。但是，鉴于非共沸混合制冷剂在流动沸腾换热过程中的复杂性[2]，在强化管内的换热机理、换热特性的研究仍然非常有限，相应的可用于换热器设计的基础数据及换热关系式也极为有限。非共沸制冷剂R417A作为当前R22的替代品[3]，在流动和换热性能上与R22还存在一定的差异，本文对R417A在水平内螺纹管内沸腾换热的性能进行了数值模拟和理论分析。为今后替代制冷剂和相应的蒸发器的研制提供理论依据。1研究对象本研究的实验数据来源于一个制冷空调行业广泛应用的蒸汽压缩式制冷系统改建的实验装置,详细介绍见文献[4]。为了得到R417A在不同形式换热管中的换热数据，并考察内螺纹强化管对非共沸混合工质强化换热性能的影响，研究的蒸发换热模型由两个套管型换热器并联组成，内管采用两种不同结构的紫铜管：一根光滑管和一根内螺纹强化管。外管采用镀锌管，制冷剂在紫铜管内流动，加热水在内、外管之间的环型空间中流动，并且采用逆流流动的方式。换热管结构如图1所示。（a）纵断面（b）横断面图1换热管的结构图2数学模型及网格划分本文应用FLUENT建立了一个二维、稳态、气液两相流模型[5]，模型中实现了从液体蒸发成气体的传质、传热、流动过程，模拟在一定的入口质量流速、热流密度、饱和压力、蒸发温度下的混合制冷剂R417A在水平管内的沸腾传热过程。由于沸腾本身的复杂性，在本文中对沸腾的传热和流动作了一定的简化处理。结合管内流动沸腾换热的特点，建立数学模型，作如下假设：1）沸腾过程为稳态过程；2）流体为不可压缩的牛顿流体；3）流体被视为连续介质；4）忽略流体重力的影响，并且假定流体的物性不随温度的变化而变化。本文研究的现象属于稳态、二维、不可压缩流体问题，连续性方程变为如下形式：0yxu(1)动量守恒方程MxyxxxSyxpDtuD(2)MyxySxypDtyyD(3)能量守恒方程iyyxyyxxxSyxyuxukgradTdivDtDTc(4)由于文献[4]的实验中选取的管线长度与管径之比较大（管径较小为0.0082m、长度较长为3m），故为了把网格划分表示清楚，只选取了一段管段。鉴于上述原则，结合本文实际情况，将管段网格划分采用结构化网格Quad/map，网格尺寸intervalsize取0.001，尽量使网格长宽比小于5，网格形式如图2所示。图2换热管的网格划分3边界条件与初始条件1）入口边界条件本文在对实验管进行数值模拟的时候，对于入口处采用速度入口边界条件，入口流速取值范围：28.0~15.00vm/s，流动方向沿X轴正方向，并设定入口温度（用于能量计算）为276.15K，即3℃。2）出口边界条件出口边界条件采用压力出口条件，设定为一个大气压的表面压力。此时出口处的流体速度和温度为自由边界条件。3）壁面边界条件壁面边界条件用于限制流体和固体区域。默认情况下壁面厚度为零，在解能量方程时，需要在壁面边界处定义热边界条件。本文设定无滑移速度边界条件u=0，管道介质为紫铜，保持制冷剂流动管道壁面外部边界为固定的热流密度或温度。4R417A在水平光滑管和内螺纹管内换热及流动特性比较图3R417A在两种实验管内流动沸腾换热性能比较由图3可以看出：在整个沸腾换热过程中，内螺纹管的换热性能与光滑管相比都有比较明显的提高。这表明，微肋造成的面积增大引起换热强化，同时微肋数、肋高、翅片形状和螺旋角等因素的湿润面积的增大，有利于产生更多的沸腾点和汽化核心，并增强了对流体的扰动作用及紊流效应有效强化了换热。-12-10-8-6-4-200123管长L/m压降△P/kPa光滑管内螺纹管图4R417A在两种实验管内的流动压降沿管长的变化由图4可以看出，内螺纹管中的压降高于光滑管。另外模拟中还得到，制冷剂的流速越大，微肋的影响就越为强烈，干度的增大加速了压降的增大，因此，在管内，压降随着质量流速与干度的增加，流动沸腾压降随之增大，且在内螺纹管中增加较快。这是由于内螺纹管中肋化表面的存在，使其中的流动沸腾过程变得更为复杂。一方面因为螺旋微槽对流体的旋转作用形成二次流；另一方面，由于微肋结构的作用，使流体与管内壁的摩擦比光滑管更为激烈，大大影响了流体动量和能量的传输；再者，流动沸腾的流型对压降性能也有一定的影响。通常，分层流与波状流压降较小，环状与半环状则较大[6]。在内螺纹管中，螺旋微槽对流体的旋转作用更有利于形成环状或半环状流型，此时液相以薄膜的形式在管内壁面流动，而微肋的存在，对液相产生了剧烈的扰动，增加了气–液相间的剪切作用以及液相与壁面间的摩擦力，这三方面因素的共同作用导致流动沸腾摩擦压降大大增加，而摩擦压降通常情况下在两相总压降中处于主要地位。与光滑管相比，在相同体积下，内螺纹管可有效的强化边界层内的换热效果，同时，也增加了系统压力的损失。所以在实际应用过程中，要根据实际情况，综合考虑换热与压降的关系，达到性能的最优化设计。5模拟结果与实验值的对比1）换热性能的比较（a）光滑管（b）内螺纹管图5不同热流度下沸腾换热系数的模拟与实验值的比较由图5总体可以看出：对于两种实验管，在不同的热流密度下，R417的沸腾换热系数的模拟结果与实验值在变化趋势基本一致，换热系数随着干度的增大而增大，在高干度区发生剧降。针对光滑管，当q=16.74kW·m-2，模拟值与实验值的误差在15%左右；当q=26.79kW·m-2时，误差在20%左右，出现了模拟结果随着热流密度的增大误差逐渐增大的情况。对于内螺纹管，当q=20.2kW·m-2时，误差在15%左右；当q=25.6kW·m-2，误差在10%左右，模拟结果的误差受热流密度的影响有所减弱，这是因为内螺纹管强化换热好于光滑管，模型所作假设简化的影响受到抑制所致。（a）光滑管（b）内螺纹管图6不同质量流速下沸腾换热系数的模拟与实验比较由图6可以看出，对于光滑管，当G=204kg·m-2·s-1时，误差在20%左右，当G=289kg·m-2·s-1时，误差在15%左右。对于内螺纹管，当G=273kg·m-2·s-1时，误差在16%左右，当G=328kg·m-2·s-1时，误差在25%左右，误差随着质量流量的增大而增大，这可能是由于传热传质因子存在误差，随着质量流量的增大，内螺纹管内传热传质更加激烈，从而增大了模拟结果的误差。模拟结果总体上小于实验结果，还存在一定的误差，分析主要原因：①模型所用的工质简化为不可压缩牛顿流体，忽略了流动时粘性耗散所引起的热效应；②对于R417A在换热过程中物性的变化，本文依据实验数据采用了逐段线性进行描述，而实际的变化规律尚不明确；③在构建模型时模拟模型与实际结构差异造成，如在模型构建过程中考虑到建立模型的难度，对内螺纹流道进行了简化处理，弱化了模拟时的强化换热效果；④多元非共沸制冷剂的沸腾换热规律复杂，Fluent中的多相流模型还存在一定的缺陷。2）压降的比较分析（a）光滑管，G=262kg·m-2·s-1，q=26.79kW·m-2，Te=276.55K（b）内螺纹管，G=273kg·m-2·s-1，q=21.6kW·m-2，Te=276.49K图7R417A在各个管内的流动压降沿管长的变化图7为制冷剂R417A在水平光滑管和内螺纹管中沿管长方向流动性能的实验值和模拟值的比较。由图7可以看出：对于本模拟所采用的两种不同换热管，模拟结果和实验结果都呈现出流动沸腾压降沿管长方向逐渐增大的趋势，且干度越大，压降增加率越大。同时，由于对模拟所用的模型做了一定的假设和简化，模拟结果与原实验结果还存在一定的差异。6结论本文通过数值模拟的方法对水平光滑管和内螺纹管内三元非共沸混合制冷剂R417A的流动沸腾换热进行了二维数值模拟。得出