再循环重力供液制冷系统换热性能可视化研究

中图分类号： TH138.7；TH12 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.03.014Visualization Research on the Heat Transfer Performance of theGravity Feeding Recirculation Refrigeration SystemXU Yan，ZANG Run-qing，LIU Xu-sheng(Refrigeration and Air-conditioning Engineering Department of Tianjin University of Commerce，Engineering ResearchCenter of the Ministry of Refrigeration Technology Education，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin Engineering Center of Refrigeration Technology，Tianjin 300134，China)Abstract： A visualization test bench of the gravity feeding recirculation refrigeration system was established in this paper。

Through Experimental studied on the refrigeration system under different conditions，observing the boiling heat transfer flow stateof the refrigerant in glass evaporation tube and analyzing the heat transfer characteristics of the gravity feeding evaporator.The ex-periment indicates that in the gravity feeding recirculation evaporator，the refrigerant appeared bubble flow，gas plug flow，gasbomb flow，stratifed flow and wavy stratifed flow patern.By programming calculation，finding that the corected J.Chawla core·lation fits well to the boiling heat transfer coeficient at lower temperatures，and SO does the corrected Kandlikar relation at highertemperatures.The deviations between calculation results and the experimental values are all less than 12.5% .Combining of thetwo relations could accurately forecast the boiling heat transfer of the gravity feeding evaporator。

Key words： the gravity feeding；flow state；boiling heat transfer；correlation1 前言再循环重力供液制冷系统以热虹吸为原理，依靠气液分离器静液面与蒸发器之间的高度差实现蒸发器的超量供液。蒸发器中制冷剂的供给量远大于蒸发量，蒸发管内表面得到充分的润湿，增强了制冷剂侧的对流换热，提高蒸发器的换热效率 - 。

收稿 日期： 2012-09-21为研究管内制冷剂的流动状态对蒸发器换热性能的作用，本文建立了再循环重力供液制冷系统试验台，以玻璃蒸发管为研究对象，观察玻璃管内制冷剂沸腾换热的流动状态，研究分析重力供液蒸发器的传热特性。并在试验的基础上，对 J。

Chawla关联式和 Kandlikar关系式进行修正，建立具有较小偏差的再循环重力供液蒸发器换热系数的模拟计算方法。

FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013. 书 膨胀阎l 壳管换热器2- ll I干燥过滤器 L-L 1 I、 -热力平衡阀呲 阀电加 l I热l力 衡阀2 l热器1 L- - 晶 I截止阀2毒 >馥止阀冷量。在保温库体内设置电加热器，通过调节加热器的输入功率，使库体维持在设定的温度。其热平衡原理如下：QKFzitQlQ2式中 Q--制冷系统的制冷量- - 库体结构的传热系数F--库体的传热面积△ --库体内外环境的平均温差Q --电加热器的输入功率Q --风机的输人功率图1 再循环重力供液制冷系统可视化试验台系统 3 试验条件及结果分析2 试验装置与试验方法2.1 试验 装 置再循环重力供液制冷系统可视化试验台以R404A为制冷工质，由比泽尔 2DL-2.2压缩冷凝机组、气液分离器和自行设计的铝管蒸发器和玻璃管蒸发器、以及电子膨胀阀、液位控制器、干燥过滤器及相应的管道组成。制冷系统的原理如图1所示，试验台由3套机组组成：(1)试验机组与再循环重力供液蒸发器连接；(2)工况机组调节室内温度，为再循环重力供液蒸发器提供-个稳定的工作环境；(3)冷水机组制取的冷水存储在恒温水箱中，为试验机组的冷凝器提供不同温度的冷却用水。

为了观察再循环重力供液蒸发器管内制冷剂的流动状态，可视化试验蒸发器采用了 l6根玻璃管，玻璃管之间通过u型弯头串联连接。分别在每根玻璃管的两端布置温度测点，以测定玻璃管外表面温度沿管长的变化情况。如图 2所示，-共布置 32个温度测点。

图 2 玻璃管蒸发器温度测点布置2.2 试验方法试验采用空气侧热平衡法确定制冷系统的制本试验中重力供液制冷系统的供液高度为2350mm，试验工况如表 1所示。

表 1 试验工况试验工况 供液高度2350mm环境温度(℃) 25.6保温库体温度(℃) -20 l-15 f-10 -5 l 0根据表 1设定的各工况对重力供液制冷系统进行试验研究，观察水平玻璃蒸发管内制冷剂的沸腾换热流动状态，研究分析再循环重力供液蒸发器的传热特性。

图3是重力供液制冷系统玻璃蒸发管外表面温度沿管长方向的变化曲线。

越赠管长(m)图3 玻璃蒸发管沿管长方向温度变化由图可知，在 -20℃工况下，管长 0.05m处制冷剂温度为 -21.8C，到了0.97m处制冷剂温度下降到了-22.2℃，这是由于进 口处管径发生变化导致的。制冷剂在管内流动，温度发生微小波动，但整体上是稳定的。-15C工况下，管内制冷剂温度的变化情况与 -20%相似，但制冷剂的温度波动明显加剧。在 -10%时，制冷剂温度从2013年第4l卷第3期 流 体 机 械 6512.04m处开始出现上升趋势，也就是说，从l2.04m开始制冷剂的供液量不如 -15℃和 -20℃工况下充足。在 -5C和OC下，开始出现温度升高的管段 明显提前 ，分 别为 9.63m 和 8.45m。在- 10℃，-5℃，0cI工况下，回到气液分离器的制冷剂气体较多，制冷剂的供液量不足，制冷剂液体不能完全浸泡管壁。

由图3可知，在低温工况下(-20c、-15℃)，重力供液制冷系统供液量充足，管内制冷剂温度近似直线变化，并且波动较为稳定；在高温工况下，重力供液制冷系统供液量的增加没有制冷剂蒸发量增加的快，将有较多的制冷剂气体回到气液分离器。

赠霰管长 (m)图4 玻璃蒸发管沿管长方向传热温差变化由图可知，从 -2O℃到0℃，传热温差逐渐升高。在 -20℃工况下，传热温差波动较小，进口处传热温差为2.5℃，而出口处传热温差为1.9℃。

随着工况温度的升高，玻璃管进口处的传热温差逐渐增大，并且沿管长方向的温差变化也越来越大。在OC时，玻璃管进口处温差为 l0.7 ，而出口处温差为 1.1 。

图3与图4呈现出对应的变化关系，从传热温差的变化可以看出玻璃管内液态制冷剂的变化情况。在 -20C时温差变化不大，说明管 内制冷剂供液量充足，基本能完全覆盖管壁，温差波动较小；随着工况温度的升高，液态制冷剂供液量不足，制冷剂沿管长方 向的传热温差逐渐减校图5是重力供液制冷系统各工况下制冷量的变化。

皿硎磊库温(℃)图5 制冷量随工况的变化由图可知，重力供液制冷系统制冷量的变化符合制冷系统的-般规律，即制冷量随工况温度的升高而增 大。在 -2OcI工 况下，制冷 量为1783W，0℃时制 冷量增 大到 3174W。并 且在- 20(2和 -15%之间制冷量增长的最快，变化率为 104.4W/C，说明重力供液制冷系统在较低工况下有更大的优势。

试验分别在 -20℃、-15℃、-10℃、-5cI和0cC下对蒸发管内制冷剂的流动状态进行研究，下面以 -20℃和 0cI二为例进行分析：制冷剂在供液压头的作用下从最下面进入蒸发器如图6所示。

图 6 -20℃工况 F玻璃蒸发 管内两相流动状态在第-根管中，制冷剂处于过冷状态，流动比较平静，随后制冷剂吸收了外界的热量，处于过冷沸腾状态。在第二根管中，受到管壁阻力、压降以及和外界换热作用，明显看到有气泡产生，并且随着气泡的合并、长大，形成气塞，夹在液态制冷剂中。在第三根管中，制冷剂与外界继续换热，产生的气泡相互合并，气塞进-步长大，形成气塞流。

在第四根管中制冷剂仍是气塞流，液态制冷剂在管内形成块状流，在供液压头的作用下，块状流-波-波的向前流动，运动明显比前面几根管要剧烈。在第五根管中，形成的气泡继续融合，逐渐长FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013大，形成了气弹，分布在液态制冷剂中。随着制冷剂流动、换热的继续，气弹所占的体积越来越大，制冷剂在管内的扰动也越来越剧烈。在离蒸发器出口第三根管中，制冷剂出现气液分层状态，液态制冷剂在玻璃管的下部，气态制冷剂在上部。制冷剂在玻璃管中继续流动，在离出口第二根管中出现了波状分层流，这个状态-直持续到玻璃蒸发器的出口。随着制冷剂的流动，液态制冷剂在玻璃管内所占的比例越来越校在不同的工况下，制冷剂在玻璃管内的流动状态基本相似，只是流型出现的管段不同。图 7中，制冷剂在进口第-根管中已出现不明显的气塞流，可以观察到制冷剂在玻璃管中的流动状态比-20℃时要剧烈，而且制冷剂进入气弹流的管段也提前到了进口第三根管，制冷剂进入分层流的管段提前到了离蒸发器出口第七根管，波状分层流管段的运动也明显加剧。在蒸发器出口处液态制冷剂所占的比例明显减少。

图7 0℃工况下玻璃蒸发管内两相流动状态在重力供液制冷系统中，制冷剂在供液压头的作用下在气液分离器与蒸发器之间形成再循环，制冷剂在玻璃管内出现了气泡流、气塞流、气弹流、分层流、波状分层流等流型，并且呈现周期性变化。

4 再循环重力供液蒸发器换热计算再循环重力供液蒸发器在低温工况下工作时，汽化程度较小，主要依靠单相液体强制对流换热，流速越高换热系数越大，而热负荷的影响很小；随着工况温度的升高，气泡状沸腾换热作用增强，换热系数随热负荷增加而增大；当制冷剂处于气泡沸腾换热时，流速对换热系数已无明显影响 。为找到适用于重力供液蒸发器管内强制对流沸腾换热关系式，在试验的基础上，编程计算J.Chawla关联式、Kandlikar关系式等相关关联式，在试验工况下对制冷剂侧放热系数进行理论计算，并将计算结果与试验值进行比较。

4.1 对流沸腾换热关联式(1)J.Chawla关联式J.Chawla认为当蒸发管内的制冷剂处于对流蒸发状态时，制冷剂侧的放热系数与制冷剂的流速有很大的关系。再循环重力供液蒸发器以增大制冷剂的质量流速来强化对流换热，在低温工况下，作用尤其明显。因此考虑采用J.Chawla关系式计算制冷剂侧的沸腾换热系数：1 4aB (1)日： (2)g pG L G式中 Ot--管内制冷剂表面传热系数G--制冷剂的质量流速- - 蒸发管内径A --液相导热系数P 。--液相密度、气相密度g--重力加速度。 - - 液相动力粘度、液相动力粘度在-定的蒸发温度下，关联式中 值是不变的，制冷剂侧的换热系数 Ot与制冷剂的质量流速G成正比，换热系数随 G的增大而大幅度增加。

(2)Kandlikar关系式Kandlikar通用关系式基于 5246个试验数据，涉及水、R11、R12、R13B1、R113、R114、R152a、R134a、氮、氖等沸腾介质。若工质的物性值采用杜邦公司的数据，关联式的预测值与实验测定值能较好地吻合，绝大部分的偏差在 15%之 内。

Kandlikar关系式表示为 ]： C。(Co) (25Fr )。 C (B。)。 (3)：0.023( s (4)( ) 。 (5)FrL：G /(gp2LD ) (6)Boq/Gr (7)式中 --液相单独流过时，管内制冷剂表面传热系数C --对流特征数2013年第41卷第 3期 流 体 机 械 67n --液相弗劳德数Bo--沸腾特征数- - 干度P P --气相密度、液相密度P， --液相普朗特数q--热流密度r--气化潜热其余各参数的意义同J.Chawla关联式。

是撒于制冷剂性质的无量纲系数，其值在 0.5～ 5.0之间；C 、C：、C3、C 、C 均为常数，其值由 C。决定。

当 C0<0.65时，C11.1360，C2-0.9，C3667.2，C4 0.7，C50.3；当 Co≥O.65时，C10.6683，C2-0.2，C 1058.0，C4 0.7，C 0.3。

4.2 计算结果比较分析在试验的基础上，采用关联式对制冷剂侧换热系数进行理论计算，并将计算结果与试验值进行对比分析，如图8所示。

N曼籁垛蕞萼 S蓓幕- 20 -1O 0库温f℃)图8 制冷剂侧换热系数经过比较得知，J.Chawla关联式在 -20 和- l5℃工况下与试验值有相同的变化趋势，而Kandlikar关系式则在 -10℃、-5℃和0C工况下与试验结果有相同的变化趋势。因此考虑对通用关联式进行修正，修正公式如下：J.Chawla关联式， -7000.7；Kandlikar关系式，0 -3674.3。

式中 --修正前的管内制冷剂表面传热系数- - 修正后 的管 内制 冷剂表 面传热系数图9是修正后的 J.Chawla关联式和 Kand-likar关系式在不同工况下的沸腾换热系数与实验结果的比较。

- 1O O库温( )图9 修正后的制冷剂侧换热系数低温工况下，再循环重力供液蒸发器的循环倍率增大，质量流速得到提高，沸腾换热系数大幅度增加。如图9，修正后的 J.Chawla关联式在低温工况下对沸腾换热系数有较好的预测，而修正后的Kandlikar关系式在较高的温度下能与实验结果达到较高的匹配，因此考虑将两种关系式相结合的方法能较好地对重力供液蒸发器管内沸腾换热进行预测。在-20qC与 -15℃工况下，修正后的J.Chawla关联式的理论计算值与实验结果的相对误差分别是5.6% 和12.5%，而修正后的Kandlikar关系式在 -10℃、-5℃与 0C工况下的计算误差分别为0% 、12.1%和 7.8%，因此认为采用两种关联式相结合的方法对重力供液蒸发器管内沸腾换热进行预测是可行的。

5 结论(1)再循环重力供液制冷系统中，制冷剂在玻璃管内出现了气泡流、气塞流、气弹流、分层流、波状分层流等流型。并且制冷剂在玻璃管内的流型呈现周期性变化，形成的原因是制冷剂在供液压头的作用下在气液分离器与蒸发器之间形成再循环，导致制冷剂的流型呈现周期性变化；(2)再循环重力供液制冷系统中，制冷剂在蒸发管内的对流沸腾换热主要有两种方式：单相液体对流换热和气泡沸腾换热。在低温工况下，系统制冷量较小，制冷剂的气化程度也比较小，管内制冷剂主要依靠单相液体强制对流换热，流速越高换热系数越大，而热负荷的影响很小；随着工况温度的升高，系统制冷量不断增加，气泡状沸腾换热作用增强，沸腾换热系数也不断增大；当制冷剂处于气泡沸腾换热时，流速对换热系数的影响已经很小；(下转第62页)∞ ∞ o 如[1. 三、 - 蕞㈣ 咖 o O 662 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013