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1、精品论文不凝气体对二氧化碳换热性能影响研究马一太，胡静，李敏霞（天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）5摘要：本文首先分析跨临界 CO2 制冷循环蒸发器内工质的热物性和沸腾换热特点。当有不凝气体存在时，易产生液体空化，形成异相扰动，实现非均匀核化过程，对成核温度和汽泡 存在的条件有较大影响，并通过经典换热关联式分析不凝气体存在对换热性能的影响。本文为跨临界 CO2 制冷循环蒸发器的进一步传热强化研究提供理论依据。10关键词：工程热物理；不凝气体；空化；异相成核；沸腾中图分类号：TK121Influence of non-condensable gas on heat
2、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-
3、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 p
4、erformance 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；bo
5、iling0引言CO2 性质稳定，容易获得，易于被自然界接纳或吸收，不会造成环境污染，是环害工质30的永久替代物，具有非常光明的应用前景，可为目前常规制冷热泵装置的换代产品。对于纯 二氧化碳的制冷循环有大量的研究，但是对于存在不凝气体成分对于循环性能的研究却很 少。而在制冷循环系统的操作和维护中不可避免的会有一些不凝气体成分，如用于试压作业 的氮气残余，用于检漏作业的氦气残余等。这些气体成分如果要完全去除比较困难，如果允 许有较高的残余量，将会显著减少生产成本。如果这些气体对系统性能影响不大甚至有所提35高，意义非常重大，本论文对此进行研究。 目前对传统制冷系统中的制冷剂加入添加剂或混合物这方
6、面研究较多，有的研究证明可以提高循环的效率或传热效率。对于 CO2 制冷系统的影响，初步研究表明，CO2 中添加少量 物质，在膨胀机中形成气化核心，有利于提高膨胀机的效率1。这部分物质会参与整个循环 过程，其中的蒸发器是 CO2 制冷系统必不可少的换热设备，其换热性能直接影响制冷装置40的性能和运行经济性。在液体蒸发换热的过程中，如果存在气泡，会降低成核过热度，提前发生沸腾现象2-5，本文主要研究不凝气体对 CO2 蒸发器换热效果的影响，能否起到强化换基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20090032110003）作者简介：马一太(1945-)，男，教授，主要研究方向：制冷空调
7、替代工质及能源综合利用技术研究等. E-mail:ytma- 8 -热的作用。1含有不凝气体的亚临界 CO2 溶液特征1.1亚临界 CO2 的热力学性质45CO2 属于非极性分子，分子之间没有偶极作用和诱导作用，只有源于瞬时振荡偶极矩的 色散作用，故 CO2 分子之间的结合力较弱。CO2 跨临界循环中的蒸发吸热过程处于两相区， 换热过程主要依靠潜热来完成。虽然 CO2 蒸发器的的蒸发温度低于临界温度，但是工作压 力较高，大约是传统制冷剂压力的 7-10 倍，沸腾过程比较靠近临界点，处于亚临界区。表 现出来的性质有：较高的饱和压力，较低的表面张力和液相/汽相的密度比率。501.2含有不凝气体的亚
8、临界 CO2 溶液性质由于不凝气体的浓度很低，可认为是稀溶液，满足依数定理，该溶液相对于纯液态 CO2 沸点升高，凝固点降低。对于已经溶解的不凝气体，基本上被 CO2 分子所包围，因而不凝 气体分子只受到 CO2 分子的作用力，而不凝气体分子之间的作用可忽略。这种作用力在稀 溶液范围内可以看作为常数，故表现出溶质的蒸气压与它的浓度呈正比关系，满足亨利定律，55即：定温下气体物质在液体中的溶解度与该气体物质在液面上的平衡分压成正比6。pg = K H Cg(Cg 0)（1）式中 Cg 为被溶解的气体物质在溶液中的摩尔分数，比例常数 KH 为亨利常数。 由于不凝气体的存在，制冷剂的物理性质会发生变
9、化，其中与沸腾影响较大的是饱和压力、表面张力、液相/汽相比。Wu 等6对九种不同添加剂的分析和测试得出结论，认为添加60剂的加入能减小表面张力，而且表面张力随着添加剂浓度的增加而减小，Wasekar 等7都得 出近似的结论，本文通过计算得到不凝气体对二氧化碳物性的影响，如图 13 所示。图 1 不凝气体对 CO2 饱和压力的影响65Fig.1 Influence of a non-condensable gas on saturation pressure of carbon dioxide图 2 不凝气体对 CO2 表面张力的影响Fig.2 Influence of a non-conden
10、sable gas on surface tension of carbon dioxide70图 3 不凝气体对 CO2 液相/汽相密度比的影响Fig.3 Influence of a non-condensable gas on density ratio of liquid to vapour of carbon dioxide液体沸腾汽化成核率与表面张力成比例，如公式所示，表面张力的减小引起成核率的急75剧增加，相应也会引起成核数量的大量增加。3N e-s（2）1.3不凝气体的在液体中的存在形式液体的性质介于固体和气体之间，一般液体的体积比固体大 10%左右，而汽化时体积 为原来的 1
11、000 倍，因此液体中分子的排列情况更接近于固体，分子距离较近，彼此有较强80的相互作用，液体的内部压强也可以认为是由分子无规则运动引起的压强和分子力引起的压 强两部分，与气体分子不同的是，液体中由分子引起的压强占主导地位，要使液体中产生空 化，就需要很大的拉力将液体拉开。文献表明6，表面张力与液体内部汽化引起分子断裂所需要的作用力成比例，如公式(3)所示：F s 3 2（3）859095100105110本文选取相对 CO2 沸点较高的微量惰性气体，不与 CO2 发生反应，溶解度很小，易于 在液体中存在未溶解气体。在液体中，发生空化的主要特征是出现空泡，空泡可以是蒸气泡， 也可以是含有未溶解
12、气体的气体泡。但是在它们的形成过程中，通常以不稳定的形式存在， 当气泡太大会由于浮力作用而浮上表面，气泡太小又会由于表面张力的升高而是气体完全溶 解，蒸汽完全凝结。要使未溶解的气体或未凝结的蒸汽在液体中稳定地出现，需要一定的“寄 生基质”。由于工程上的金属面不是绝对光滑的，上面存在的坑穴斑痕就可以作为这种“寄 生基质”，所以就出现了附着在固体上的微汽泡或汽泡，其中 为接触角。不凝性气体很容 易在空穴处产生气核，得热逐渐长大产生气泡，开始附着于壁面，最终浮力大于表面张力而 离开壁面上升，微孔中因表面毛细效应，气泡会不断产生捕获，继而产生气泡8-9。不凝气体还会预先存在液体中，以纳米汽泡的形式稳定
13、存在，由于不是液体气化所形成 的气泡，不受经典成核理论的限制，这样的异相气泡在任何液体中都会有，而且可以有任何 尺寸，这些异相气泡在沸腾过程中会起到气化核心的作用。不凝气体存在于固体表面的空腔中，作为移动汽泡存在于液体中，同时被溶解于液体中 形成微小的气泡核，虽然尺寸大小不一样，但可在较低的过热度下达到临界半径，所以不凝 气体的存在能增加液体中的泡核，促进核化过程，Holl 等研究发现气核的数量与溶解气体的 含量成正比10， 而气核数量的增多将减小沸腾的过热度。2不凝气体对亚临界 CO2 沸腾换热的影响CO2 在蒸发器中的吸收的热量主要依靠潜热，入口干度较低，由于 CO2 特殊的热物性， 高压
14、和低表面张力以及较低的液相气相密度比，而且，CO2 的蒸发温度比较接近其临界温 度，气相和液相的密度比较小，制冷剂的流速由于相变增加得并不多，即使在很高的质量流 速下，核态沸腾在换热过程中占主导地位11。在均相成核中，用来克服汽相与液相的表面 能及热驱动力的成核位垒较大，而其中如果存在气泡、蒸汽泡、杂质、粗糙表面等，可以促 进成核，属于异相成核，从而可以降低成核位垒和增加成核率。在成核的机理研究中，起始点非常关键，很多文献都有相关的研究，并发展了一些预测 模型，本文引入 Hsu 经典成核理论12。对于纯净工质，由于液体内部没有成核点，均相核 化和异相核化的活化点密度分别问公式（4）和公式（5）
15、 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单位体积的分子数，kBoltzmann 常数，Tnl成核温度，hPrancle 常数， Pb气泡内压力，Pl液体压力，表面张力。在液态二氧化碳均相成核过程中，要产生 蒸气泡，汽液界面为曲线，由于表面张力的存在，使得气相压力 pg 大于液相压力 p
16、l，此时两相压力不等，而温度又需相等，所以稳定平衡被破坏，出现亚稳态平衡。只有依靠液相的 过热，高张力的气相分子才得以形成，式中：r 气泡半径。p g - pl= 2s / r(7)120在沸腾过程的开始阶段，纯净工质的核态沸腾受抑制将被延迟，形成气相的首要条件是 界面液相有一定的过热度，气泡两面的压力和密度相关，过热度可近似认为：T - T =Ts16ps 3wnlsh r3kT ln (N g kT y / J h)fg vnl0nl(8)125式中 vg 为气相比容，Ts 为饱和温度， 为比热，对于均相核态沸腾，1，2/3，对于异相成核，、 分别通过公式算得。如果液体内部或固液边界有不凝
17、气体或残存 蒸气时，假设其中不凝气体的分压为 pa，不凝气体在溶液中的溶解度为 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假设蒸发压力为 3.4MPa，通过以上公式计算得到图 4，对于含有不凝气体的溶液，降低了核化沸腾的起点温度，纯净工质的沸腾滞后减轻，对于沸腾初始温度有重要影响。同时 接触角的存在促使异相成核，大大促进了核化过程。从图 5 看出，存在的汽泡越小，所要达
18、到的温度越高，不凝气体的存在能降低所需的温度，而且随着不凝气体浓度的增加，要使汽 泡存在所需的温度降低，降低了气泡存在所需的过热度或能量，135140145图 4 不凝气体对成核温度的影响Fig.4 Influence of a non-condensable gas on threshold of nucleation图 5 不凝气体对汽泡存在所需温度的影响Fig.5 Influence of a non-condensable gas on the required temperature bubble exists本文利用 Gungor and Winterton(1987)关联式和 L
19、iu and Winterton(1991)关联式对含有不 凝气体的二氧化碳工质进行预测，其中采用混合工质的物性参数，得到结果如图 6、图 7 所 示，利用两个关联式预测换热系数得到类似规律，含有不凝气体时，换热系数大于纯二氧化碳工质的换热系数，换热性能提高，随不凝气体含量增加换热系数增加。150图 6 Gungor 和 Winterton 关联式预测换热系数Fig.6 Predicted heat transfer coefficients by Gungor and Winterton correlation1553结束语图 7 Liu 和 Winterton 关联式预测换热系数Fig.7
20、 Predicted heat transfer coefficients by Liu and Winterton correlation本文分析了不凝气体在亚临界液态 CO2 中的存在形式和含有不凝气体时 CO2 溶液160165170175180185的特点。从以下不同的角度分析了 CO2 蒸发器内含有不凝气体时 CO2 的流动沸腾特点，得出可以起到强化换热的作用，有利于 CO2 制冷系统性能的提高。(1)不凝气体和接触角的存在有利于形成异相核态沸腾，降低了气泡存在所需的过 热度或能量势垒，大大促进了核化过程，对于沸腾初始温度有重要影响，能诱 发汽泡的成核使其沸腾换热强化。(2)溶液中存
21、在汽泡的直径越小，所需达到的温度越高，不凝气体的存在能降低该 温度，随着不凝气体浓度的增加，所需该温度越低。(3)通过对经典关联式的计算比较，得到含有不凝气体时沸腾换热系数增大，性能 提高。参考文献 (References)1 管海清. CO2 跨临界循环膨胀机理与转子式膨胀机-压缩机研究D.天津：天津大学，2005.2 Qu.W, Mudawar. Prediction and measurement of incipient boiling heat ux in micro-channel heat sinkJ. HeatMass Transfer, 2002, 45(1):3933-39
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