低GWP共沸制冷剂R513A在光滑管上核沸腾性能的实验研究

论文信息：

Qadir Nawaz Shafiq, Kuo-Shu Hung, Chi-Chuan Wang，An experimental investigation of nucleate boiling performance for low-GWP azeotropic refrigerant R513A on a smooth tube，International Journal of Refrigeration 162 (2024) 150-157.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0140700724001105

Part.1

研究背景

长期以来，R134a是制冷和空调系统中应用非常广泛的一类制冷剂。它最初用于替代具有臭氧破坏作用的R12。由于R134a的臭氧消耗潜能值ODP接近于零，因此一度被认为是一种较为理想的替代工质。但是随着全球气候变化问题越来越受到重视，人们开始发现，R134a虽然不破坏臭氧层，但其全球变暖潜能值GWP仍然非常高。论文给出的数据为：GWPR134a≈1300。而低GWP制冷剂R513A的GWP约为573。也就是说，R513A的全球变暖影响明显低于R134a。与此同时，R513A还具有零ODP、A1安全等级、低毒性、不可燃、制冷能力与R134a接近和可用于新系统以及部分R134a系统改造的优点。因此，R513A被认为是中温制冷系统中较有潜力的R134a替代制冷剂。而能否真正替代，则需要通过研究核态池沸腾来验证。在很多冷水机组中，尤其是Flooded Evaporator，即满液式蒸发器中，制冷剂会浸没换热管，管内通常流动冷冻水或其他热源流体，而制冷剂在管外吸热并发生沸腾。在这种设备中，最重要的换热机制之一就是Nucleate Pool Boiling即核态池沸腾。论文指出，R134a 广泛用于满液式冷水机组，而满液式蒸发器主要依赖核态沸腾进行热量传递。因此，如果要用R513A替代R134a，就必须首先搞清楚R513A在换热管表面的基础核态沸腾性能到底怎么样？

Part.2

研究内容

关于核态池沸腾，过去已经有很多经典研究。例如经典沸腾关联式Cooper correlation、Stephan & Abdelsalam correlation、Ribatski & Jabardo correlation、Jung correlation与Kutateladze correlation。这些模型可以根据压力、热流密度、热物性、表面粗糙度等参数预测沸腾换热系数。但问题在于针对R513A在单根光滑水平管上的基础池沸腾实验数据仍然非常少。而光滑管虽然结构简单，却是研究强化管、微结构表面和工程蒸发器之前最重要的基准。因此本文的研究目标非常明确，那便是建立R513A光管池沸腾基础数据库，并进一步回答以下问题：1.热流密度对R513A沸腾换热有什么影响？2.饱和温度对换热性能有什么影响？3.R513A与R134a谁的换热性能更好？4.现有经典沸腾关联式能不能准确预测R513A？

为了研究R513A的池沸腾换热特性，作者搭建了一套完整的制冷剂池沸腾实验系统。如图1所示。图中主要包括Evaporator蒸发器、Test section测试段、Condenser冷凝器、Thermostat恒温槽、Vapor line蒸汽管路、Liquid line液体回流管、Sight glass视液镜、DC power supply直流电源、MX100 数据采集系统、Personal computer电脑。整个系统的工作过程可以概括为：蒸发=>蒸汽上升=>冷凝=>液体回流。制冷剂在蒸发器中浸没测试铜管，铜管受到电加热后，制冷剂在其表面发生核态沸腾，产生的蒸汽进入冷凝器，冷凝后重新流回蒸发器，从而构成封闭循环。该论文使用的测试段是一根水平布置的光滑铜管。其主要几何参数为Do=19.05mm，有效加热长度为L=100mm，表面粗糙度为Ra=0.6385μm。如图2所示。铜管内部安装有Heating cartridge，即加热棒。通过电加热方式向测试铜管输入热量。铜管外表面直接与制冷剂接触。所以实际传热路径为加热棒=>铜管=>液态制冷剂=>沸腾。作者还在铜管圆周方向布置了四支热电偶，用于测量管壁温度。整个系统共有8支T型热电偶，其中4支测量测试管温度，2支测量蒸发器中的液体温度，2支测量冷凝器蒸汽侧温度。

图 1沸腾装置实验装置示意图

图 2试验段示意图及详细尺寸

在搭建完实验系统之后则需要对实验工况进行设计，作者一共选择了5个饱和温度：Tsat=0,6,10,16,22℃，热流密度范围为：q''=5-90kW/m2，主要测试点包括5,10,30,50,90kW/m2。其中0℃和6℃主要对应传统满液式冷水机组中较常见的蒸发温度。10℃、16℃和22℃则主要用于研究更高饱和压力条件下的换热行为，同时对较高温度热泵应用具有一定参考价值。本文最重要的评价指标是HTC-Heat Transfer Coefficient，即沸腾换热系数。作者采用h=q''/△T做为评价指标。其中△T=Tw-Tsat。也就是壁面过热度=管壁温度-制冷剂饱和温度。这意味着在相同热流密度下，如果某种制冷剂需要的壁面过热度越低，即△T↓，那么h↑。也就是说，它的沸腾换热能力越强。而热流密度的计算方式为q′′=Qp/(πDoL)。其中Qp=VI，为电加热棒输入功率。由于热电偶不是直接安装在最外表面，作者还利用圆筒导热方程对实际管壁温度进行了修正。同时对实验系统进行了不确定度分析。其中壁面过热度不确定度约为1.25%-2.85%。热流密度不确定度约1-3.33%。最终HTC不确定度约为6.8%-11.35。后面我们会看到，R513A与R134a之间的HTC差异达到约 20–25%，明显高于这一实验不确定度范围。

本文探究的第一个问题是热流密度与沸腾换热系数之间的关系。如图3所示。在不同饱和温度下R513A与R134a的HTC对比中，横坐标为q''，纵坐标为HTC。从图中可以明显看出q''的增加引起了HTC的提高。例如随着热流密度从低热流逐渐增加到90kW/m²，R513A和R134a的HTC都明显上升。至于为什么热流密度增大以后，HTC 会升高呢？本文作者提出，在较低热流密度下，只有少量微小凹穴满足气泡成核条件。随着热流密度增加，壁面过热度随之提高。

越来越多表面微腔被激活。于是气泡生成数量增加、气泡生长更加剧烈、气泡脱离更加频繁并且壁面液体不断更新。最终增强了核态沸腾换热。

本文探究的第二个问题是饱和温度与沸腾换热系数之间的关系。从图三中我们同样可以看到，在相同热流密度下，随着饱和温度升高，HTC总体呈增加趋势。饱和温度的提高实际上意味着饱和压力Psat的上升。而约化压力定义为Pr=Psat/Pcritical。Pcritical是流体临界压力（是每种制冷剂的固定物性常数）。Pr的升高使得液体和蒸汽密度差减小，气泡更容易生成、脱离壁面。在许多经典核态池沸腾模型中，约化压力都是一个非常重要的参数。在一定范围内，Pr的提升使得HTC随之提升。这也是本文后面对R513A与R134a差异进行机理解释时的核心之一。图3说明了在相同饱和温度和相同热流密度条件下，R513A的HTC始终明显高于R134a。作者给出的平均提升幅度约为20%-25%。这意味着R513A不只是具有较低GWP，它在光管核态池沸腾换热方面甚至表现出了比R134a更好的性能。除了HTC-热流密度曲线，作者还绘制了R513A与R134a的热流密度-壁面过热度曲线。如图4所示。横坐标为Tw-Tsat。即过热度△Tsuperheat。纵坐标为q''。从图中首先可以看到△T的升高引起了q''的升高，而且呈现明显的非线性增长趋势。更重要的是，同一热流下，R513A只需要更低的壁面过热度。例如要达到同样的q''，R134a所需要的壁面温度更高。而h=q''/△T。因此R513A具有更高的沸腾换热系数。这与图3得到的结论完全一致。换句话说，在输送相同热量时，R513A不需要把换热管壁“烧得那么热”。这对于蒸发器来说是一个非常有意义的优势。

图 3不同饱和温度下R134a和R513a中HTC的比较

图 4 R134A和R513A在不同饱和温度下壁面过热度与热流密度的比较

完成R513A与R134a对比以后，作者又进行了第二部分研究：利用现有核态池沸腾关联式预测R513A实验数据。原因很简单。工程设计不可能每一种工况都重新做实验，因此最终还是要依赖：Boiling Correlation，即沸腾关联式。作者一共比较了五种模型。其中三种主要与约化压力有关：Cooper、Ribatski&Jabardo与Jung模型。另外两种更多基于热物性：Stephan & Abdelsalam与Kutateladze。

R513A实验数据与Cooper关联式预测结果如图5所示，可以看到低热流条件下，预测值与实验数据相对接近。但是随着热流密度增加，Cooper 关联式逐渐明显高估HTC。总体过预测程度约为17%-26%。作者认为一个重要原因是Cooper模型中热流密度项采用固定指数：HTC正相关于q''0.67，但实际HTC在较高热流区域可能逐渐趋缓，因此固定幂指数容易导致预测增长过快。

图 5现有R513A数据与库珀关联式的比较

R513A实验数据与Ribatski & Jabardo关联式预测结果如图6所示,该模型的整体预测精度明显高于Cooper。作者在最终结论中指出,Ribatski & Jabardo给出了最低的整体MAPE(平均绝对百分比误差),全称为Mean Absolute Percentage Error。即总体预测表现最佳。如图10所示，同时也给出了所有关联式的MAPE值。

图 6 R513A现有数据与Ribatski&Jabardo关联式的比较

R513A实验数据与Jung关联式预测结果如图7所示，Jung关联式考虑了液体导热率、气泡脱离直径、热流密度、约化压力、汽液密度与饱和温度。整体而言，预测结果与R513A实验数据符合得比较好。但通常表现为轻微低估HTC。但在22℃条件下MAPE=5.46%，预测精度非常高。

图 7现有R513A数据与Jung关联式的比较

R513A实验数据与Stephan & Abdelsalam关联式预测结果如图8所示，在较低热流密度条件下，该模型通常会低估R513A的HTC20%-30%。随着热流密度增加，预测误差逐渐减小。整体MAPE大约位于10%-17%范围内。所以它属于可以描述整体趋势，但精度明显不如前两种模型。

图 8现有R513A数据与Stephan & Abdelsalam关联式的比较

R513A实验数据与Kutateladze关联式预测结果如图9所示，Kutateladze模型对R513A的预测表现明显较差。整体低估约35%-45%。尤其在0℃条件下，MAPE=40.10%。而即使升高至22℃，MAPE=28.81%。依然存在明显误差。因此它并不适合直接用于本文R513A光管核态池沸腾工况。

图 9现有R513A数据与Kutateladze关联式的比较

图 10饱和温度为0、6、10、16和22◦C时的经验关联式的MAPE。

综合图10与全文结果，可以大致得到：Ribatski&Jabardo>Jung>Stephan&Abdelsalam。Cooper在高热流区域容易高估，而Kutateladze则存在明显低估。但这里需要强调，这种排序只针对本文R513A、光滑铜管以及当前实验工况，并不意味着某个关联式在所有制冷剂和所有表面条件下都一定更好。

Part.4

总结与展望

本文对低GWP共沸制冷剂R513A在水平光滑铜管上的核态池沸腾性能进行了实验研究。实验饱和温度为0,6,10,16,22℃，热流密度范围为5-90kW/m2。论文主要得到以下结论：1.热流密度升高能够显著提高HTC，随着q''的上升，更多成核点被激活，核态沸腾进一步加强。2.较高饱和温度总体有利于换热。随着Tsat的增加，HTC通常也随之增加。3.R513A换热性能明显优于R134a。在相同饱和温度和热流密度下，HTCR513A≈1.20-1.25HTCR134a。即提高约20%−25%。4.Ribatski & Jabardo和Jung关联式更适合R513A，其中Ribatski & Jabardo模型在本文工况下具有最低总体MAPE。Jung模型也表现出较好的预测能力。这项研究虽然使用的是最基础的光滑铜管，但它的意义恰恰在于建立了一个基础基准。对于一种新的低GWP制冷剂来说，后续想研究强化换热管、微纳结构表面、多孔表面、蒸发器整体性能、两相流动沸腾或制冷系统优化首先都需要回答一个问题：制冷剂自身在最基础表面上的沸腾行为是什么样？本文建立的R513A光管池沸腾数据，就是后续强化换热研究的重要基准。从工程应用角度来看，文章说明R513A不仅更环保，而且具有较好的基础沸腾换热性能，因此它作为R134a替代工质具有较好的应用潜力。

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