不凝氣體對二氧化碳換熱性能影響研究.doc

精品論文不凝氣體對二氧化碳換熱性能影響研究馬一太，胡靜，李敏霞（天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）5摘要：本文首先分析跨臨界 co2 制冷循環(huán)蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的熱物性和沸騰換熱特點。當有不凝氣體存在時，易產(chǎn)生液體空化，形成異相擾動，實現(xiàn)非均勻核化過程，對成核溫度和汽泡 存在的條件有較大影響，并通過經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式分析不凝氣體存在對換熱性能的影響。本文為跨臨界 co2 制冷循環(huán)蒸發(fā)器的進一步傳熱強化研究提供理論依據(jù)。10關(guān)鍵詞：工程熱物理；不凝氣體；空化；異相成核；沸騰中圖分類號：tk121influence of non-condensable gas on heat transfer performance of carbon dioxide15ma yitai, hu jing, li minxia(key laboratory of efficient utilization of low and medium grade energy,tianjinuniversity,tianjin 300072)abstract: in this paper, some characteristics of thermodynamic properties and flow boiling heat transfer are analyzed in trans-critical carbon dioxide refrigeration system. non-condensable gas in20subcritical co2 leads to heterogeneous nucleating process in liquid, and accelerates the phase change process. those can change threshold of nucleation and the condition. and the influence of non-condensable gas on heat transfer performance of carbon dioxide is analyzed by classic heat transfer correlation. the paper provides theoretical basis for enhancing heat transfer in trans-critical carbon dioxide refrigeration system.25key words: engineering thermophysics ； non-condensable gas ； cavitation ； heterogeneousnucleation；boiling0引言co2 性質(zhì)穩(wěn)定，容易獲得，易于被自然界接納或吸收，不會造成環(huán)境污染，是環(huán)害工質(zhì)30的永久替代物，具有非常光明的應用前景，可為目前常規(guī)制冷熱泵裝置的換代產(chǎn)品。對于純 二氧化碳的制冷循環(huán)有大量的研究，但是對于存在不凝氣體成分對于循環(huán)性能的研究卻很 少。而在制冷循環(huán)系統(tǒng)的操作和維護中不可避免的會有一些不凝氣體成分，如用于試壓作業(yè) 的氮氣殘余，用于檢漏作業(yè)的氦氣殘余等。這些氣體成分如果要完全去除比較困難，如果允 許有較高的殘余量，將會顯著減少生產(chǎn)成本。如果這些氣體對系統(tǒng)性能影響不大甚至有所提35高，意義非常重大，本論文對此進行研究。 目前對傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中的制冷劑加入添加劑或混合物這方面研究較多，有的研究證明可以提高循環(huán)的效率或傳熱效率。對于 co2 制冷系統(tǒng)的影響，初步研究表明，co2 中添加少量 物質(zhì)，在膨脹機中形成氣化核心，有利于提高膨脹機的效率1。這部分物質(zhì)會參與整個循環(huán) 過程，其中的蒸發(fā)器是 co2 制冷系統(tǒng)必不可少的換熱設備，其換熱性能直接影響制冷裝置40的性能和運行經(jīng)濟性。在液體蒸發(fā)換熱的過程中，如果存在氣泡，會降低成核過熱度，提前發(fā)生沸騰現(xiàn)象2-5，本文主要研究不凝氣體對 co2 蒸發(fā)器換熱效果的影響，能否起到強化換基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金資助課題（20090032110003）作者簡介：馬一太(1945-)，男，教授，主要研究方向：制冷空調(diào)替代工質(zhì)及能源綜合利用技術(shù)研究等. e-mail:- 8 -熱的作用。1含有不凝氣體的亞臨界 co2 溶液特征1.1亞臨界 co2 的熱力學性質(zhì)45co2 屬于非極性分子，分子之間沒有偶極作用和誘導作用，只有源于瞬時振蕩偶極矩的 色散作用，故 co2 分子之間的結(jié)合力較弱。co2 跨臨界循環(huán)中的蒸發(fā)吸熱過程處于兩相區(qū)， 換熱過程主要依靠潛熱來完成。雖然 co2 蒸發(fā)器的的蒸發(fā)溫度低于臨界溫度，但是工作壓 力較高，大約是傳統(tǒng)制冷劑壓力的 7-10 倍，沸騰過程比較靠近臨界點，處于亞臨界區(qū)。表 現(xiàn)出來的性質(zhì)有：較高的飽和壓力，較低的表面張力和液相/汽相的密度比率。501.2含有不凝氣體的亞臨界 co2 溶液性質(zhì)由于不凝氣體的濃度很低，可認為是稀溶液，滿足依數(shù)定理，該溶液相對于純液態(tài) co2 沸點升高，凝固點降低。對于已經(jīng)溶解的不凝氣體，基本上被 co2 分子所包圍，因而不凝 氣體分子只受到 co2 分子的作用力，而不凝氣體分子之間的作用可忽略。這種作用力在稀 溶液范圍內(nèi)可以看作為常數(shù)，故表現(xiàn)出溶質(zhì)的蒸氣壓與它的濃度呈正比關(guān)系，滿足亨利定律，55即：定溫下氣體物質(zhì)在液體中的溶解度與該氣體物質(zhì)在液面上的平衡分壓成正比6。pg = k h cg(cg 0)（1）式中 cg 為被溶解的氣體物質(zhì)在溶液中的摩爾分數(shù)，比例常數(shù) kh 為亨利常數(shù)。 由于不凝氣體的存在，制冷劑的物理性質(zhì)會發(fā)生變化，其中與沸騰影響較大的是飽和壓力、表面張力、液相/汽相比。wu 等6對九種不同添加劑的分析和測試得出結(jié)論，認為添加60劑的加入能減小表面張力，而且表面張力隨著添加劑濃度的增加而減小，wasekar 等7都得 出近似的結(jié)論，本文通過計算得到不凝氣體對二氧化碳物性的影響，如圖 13 所示。圖 1 不凝氣體對 co2 飽和壓力的影響65fig.1 influence of a non-condensable gas on saturation pressure of carbon dioxide圖 2 不凝氣體對 co2 表面張力的影響fig.2 influence of a non-condensable gas on surface tension of carbon dioxide70圖 3 不凝氣體對 co2 液相/汽相密度比的影響fig.3 influence of a non-condensable gas on density ratio of liquid to vapour of carbon dioxide液體沸騰汽化成核率與表面張力成比例，如公式所示，表面張力的減小引起成核率的急75劇增加，相應也會引起成核數(shù)量的大量增加。3n e-s（2）1.3不凝氣體的在液體中的存在形式液體的性質(zhì)介于固體和氣體之間，一般液體的體積比固體大 10%左右，而汽化時體積 為原來的 1000 倍，因此液體中分子的排列情況更接近于固體，分子距離較近，彼此有較強80的相互作用，液體的內(nèi)部壓強也可以認為是由分子無規(guī)則運動引起的壓強和分子力引起的壓 強兩部分，與氣體分子不同的是，液體中由分子引起的壓強占主導地位，要使液體中產(chǎn)生空 化，就需要很大的拉力將液體拉開。文獻表明6，表面張力與液體內(nèi)部汽化引起分子斷裂所需要的作用力成比例，如公式(3)所示：f s 3 2（3）859095100105110本文選取相對 co2 沸點較高的微量惰性氣體，不與 co2 發(fā)生反應，溶解度很小，易于 在液體中存在未溶解氣體。在液體中，發(fā)生空化的主要特征是出現(xiàn)空泡，空泡可以是蒸氣泡， 也可以是含有未溶解氣體的氣體泡。但是在它們的形成過程中，通常以不穩(wěn)定的形式存在， 當氣泡太大會由于浮力作用而浮上表面，氣泡太小又會由于表面張力的升高而是氣體完全溶 解，蒸汽完全凝結(jié)。要使未溶解的氣體或未凝結(jié)的蒸汽在液體中穩(wěn)定地出現(xiàn)，需要一定的“寄 生基質(zhì)”。由于工程上的金屬面不是絕對光滑的，上面存在的坑穴斑痕就可以作為這種“寄 生基質(zhì)”，所以就出現(xiàn)了附著在固體上的微汽泡或汽泡，其中 為接觸角。不凝性氣體很容 易在空穴處產(chǎn)生氣核，得熱逐漸長大產(chǎn)生氣泡，開始附著于壁面，最終浮力大于表面張力而 離開壁面上升，微孔中因表面毛細效應，氣泡會不斷產(chǎn)生捕獲，繼而產(chǎn)生氣泡8-9。不凝氣體還會預先存在液體中，以納米汽泡的形式穩(wěn)定存在，由于不是液體氣化所形成 的氣泡，不受經(jīng)典成核理論的限制，這樣的異相氣泡在任何液體中都會有，而且可以有任何 尺寸，這些異相氣泡在沸騰過程中會起到氣化核心的作用。不凝氣體存在于固體表面的空腔中，作為移動汽泡存在于液體中，同時被溶解于液體中 形成微小的氣泡核，雖然尺寸大小不一樣，但可在較低的過熱度下達到臨界半徑，所以不凝 氣體的存在能增加液體中的泡核，促進核化過程，holl 等研究發(fā)現(xiàn)氣核的數(shù)量與溶解氣體的 含量成正比10， 而氣核數(shù)量的增多將減小沸騰的過熱度。2不凝氣體對亞臨界 co2 沸騰換熱的影響co2 在蒸發(fā)器中的吸收的熱量主要依靠潛熱，入口干度較低，由于 co2 特殊的熱物性， 高壓和低表面張力以及較低的液相氣相密度比，而且，co2 的蒸發(fā)溫度比較接近其臨界溫 度，氣相和液相的密度比較小，制冷劑的流速由于相變增加得并不多，即使在很高的質(zhì)量流 速下，核態(tài)沸騰在換熱過程中占主導地位11。在均相成核中，用來克服汽相與液相的表面 能及熱驅(qū)動力的成核位壘較大，而其中如果存在氣泡、蒸汽泡、雜質(zhì)、粗糙表面等，可以促 進成核，屬于異相成核，從而可以降低成核位壘和增加成核率。在成核的機理研究中，起始點非常關(guān)鍵，很多文獻都有相關(guān)的研究，并發(fā)展了一些預測 模型，本文引入 hsu 經(jīng)典成核理論12。對于純凈工質(zhì)，由于液體內(nèi)部沒有成核點，均相核 化和異相核化的活化點密度分別問公式（4）和公式（5） k tnl 16ps 3 n hom = n 0 exp- 2 h kt 3k tnl (pb - p1 )16ps 3w (4)2 / 3 nln het = n 0 y exp- 2 h 3k tnl (pb - p1 )(5)y = 1 (1 + cosq )2w = 1 (1 + cosq )2 (2 - cosq )4(6)115式中：n0單位體積的分子數(shù)，kboltzmann 常數(shù)，tnl成核溫度，hprancle 常數(shù)， pb氣泡內(nèi)壓力，pl液體壓力，表面張力。在液態(tài)二氧化碳均相成核過程中，要產(chǎn)生 蒸氣泡，汽液界面為曲線，由于表面張力的存在，使得氣相壓力 pg 大于液相壓力 pl，此時兩相壓力不等，而溫度又需相等，所以穩(wěn)定平衡被破壞，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)平衡。只有依靠液相的 過熱，高張力的氣相分子才得以形成，式中：r 氣泡半徑。p g - pl= 2s / r(7)120在沸騰過程的開始階段，純凈工質(zhì)的核態(tài)沸騰受抑制將被延遲，形成氣相的首要條件是 界面液相有一定的過熱度，氣泡兩面的壓力和密度相關(guān)，過熱度可近似認為：t - t =ts16ps 3wnlsh r3kt ln (n g kt y / j h)fg vnl0nl(8)125式中 vg 為氣相比容，ts 為飽和溫度， 為比熱，對于均相核態(tài)沸騰，1，2/3，對于異相成核，、 分別通過公式算得。如果液體內(nèi)部或固液邊界有不凝氣體或殘存 蒸氣時，假設其中不凝氣體的分壓為 pa，不凝氣體在溶液中的溶解度為 cg。2spa + pg - pl = rpl = ps exp( -cg )(9) (10)t - t= =ts exp (c g )16ps 3w- k c nlsh r 3kt ln (n g kt y / j h)h g fg vnl 0 nl (11)130假設蒸發(fā)壓力為 3.4mpa，通過以上公式計算得到圖 4，對于含有不凝氣體的溶液，降低了核化沸騰的起點溫度，純凈工質(zhì)的沸騰滯后減輕，對于沸騰初始溫度有重要影響。同時 接觸角的存在促使異相成核，大大促進了核化過程。從圖 5 看出，存在的汽泡越小，所要達 到的溫度越高，不凝氣體的存在能降低所需的溫度，而且隨著不凝氣體濃度的增加，要使汽 泡存在所需的溫度降低，降低了氣泡存在所需的過熱度或能量，135140145圖 4 不凝氣體對成核溫度的影響fig.4 influence of a non-condensable gas on threshold of nucleation圖 5 不凝氣體對汽泡存在所需溫度的影響fig.5 influence of a non-condensable gas on the required temperature bubble exists本文利用 gungor and winterton(1987)關(guān)聯(lián)式和 liu and winterton(1991)關(guān)聯(lián)式對含有不 凝氣體的二氧化碳工質(zhì)進行預測，其中采用混合工質(zhì)的物性參數(shù)，得到結(jié)果如圖 6、圖 7 所 示，利用兩個關(guān)聯(lián)式預測換熱系數(shù)得到類似規(guī)律，含有不凝氣體時，換熱系數(shù)大于純二氧化碳工質(zhì)的換熱系數(shù)，換熱性能提高，隨不凝氣體含量增加換熱系數(shù)增加。150圖 6 gungor 和 winterton 關(guān)聯(lián)式預測換熱系數(shù)fig.6 predicted heat transfer coefficients by gungor and winterton correlation1553結(jié)束語圖 7 liu 和 winterton 關(guān)聯(lián)式預測換熱系數(shù)fig.7 predicted heat transfer coefficients by liu and winterton correlation本文分析了不凝氣體在亞臨界液態(tài) co2 中的存在形式和含有不凝氣體時 co2 溶液160165170175180185的特點。從以下不同的角度分析了 co2 蒸發(fā)器內(nèi)含有不凝氣體時 co2 的流動沸騰特點，得出可以起到強化換熱的作用，有利于 co2 制冷系統(tǒng)性能的提高。(1)不凝氣體和接觸角的存在有利于形成異相核態(tài)沸騰，降低了氣泡存在所需的過 熱度或能量勢壘，大大促進了核化過程，對于沸騰初始溫度有重要影響，能誘 發(fā)汽泡的成核使其沸騰換熱強化。(2)溶液中存在汽泡的直徑越小，所需達到的溫度越高，不凝氣體的存在能降低該 溫度，隨著不凝氣體濃度的增加，所需該溫度越低。(3)通過對經(jīng)典關(guān)聯(lián)式的計算比較，得到含有不凝氣體時沸騰換熱系數(shù)增大，性能 提高。參考文獻 (references)1 管海清. co2 跨臨界循環(huán)膨脹機理與轉(zhuǎn)子式膨脹機-壓縮機研究d.天津：天津大學，2005.2 qu.w, mudawar. prediction and measurement of incipient boiling heat ux in micro-channel heat sinkj. heatmass transfer, 2002, 45(1):3933-3945.3 you s m,simon t w. efects of dissolved gas content on pool boiling of a highly wetting uidj. heattransfer, 1995, 117(4): 687-692.4 forest t w,ward c a. homogeneous nucleation of bubbles in solutions of pressures above the vapor pressure of pure liquidj. chem. phys, 1978, 69 (5): 2221-2230.5 wu w t, yang y m, maa j r. enhancement of nucleate boiling heat transfer and depression of surface tensionby surfactant add