四丁基溴化铵包络化合物浆在铜管内的对流传热特性

四丁基溴化铵包络化合物浆在铜管内的对流传热特性 四丁基溴化铵包络化合物浆在铜管内的对 流传热特性 第58卷第9期 2007年9月 化 ChemicalIndustry 学 and 报 Engineering Vo1.58NO.9 September2007 四丁基溴化铵包络化合物浆在 铜管内的对流传热特性 肖睿,何世辉,黄冲,冯自平,樊栓狮 (中国科学院广州能源研究所,广东广州510640) 摘要:四丁基溴化铵(TBAB)包络化合物浆是在常压下由TBAB水溶液被冷却到0,12?时生成的,是一种理 想的冷量输送和蓄冷媒体,以固液两相悬浊液的形式存在.作为冷量传输媒体,由于存在相变过程,其冷量传 输密度远高于相同温差下的冷水.另一方面,TBAB包络化合物浆具有良好的流动性,可以像液态水一样方便 地通过泵和管道系统输送.因此,在中央空调及区域集中供冷系统中具有很好的节能应用前景.本文研究了 TBAB包络化合物浆在水平铜管内的传热特性.在定热流边界条件及不同Reynolds数下测量并了对流换热 系数.实验中发现固相粒子的扰动和观黏性的下降都能破坏或拉薄包络化合物 浆流动的动量边界层,结果导 致了传热系数的提高.在不同的Reynolds数下固相含量()对Nusselt数的影响很微 弱.通过与文献的比较发 现,本文所测取的包络化合物浆Nusselt数均高于冰浆甚至单相水.最后获得了Nu 与Re之间的实验关联式. 关键词:四丁基溴化铵;包络化合物浆;蓄能;潜热输送;传热 中图分类号:TB64;O373文献标识码:A文章编号:0438—1157(2007)092205—06 C0nvecti0nalheattransferofTBABclathrate hydrateslurryflowincoppertube XIAORui,HEShihui, (GuangzhouInstituteofEnergyConversion, HUANGChong, ChineseAcademyoy, FENGZiping,FANShuanshi Sciences,Guangzhou510640,Guangdong,China) Abstract:Tetrabutyl— ammoniumbromide(TBAB)solutionturnsintoclathratehydrateslurry(CHS) whenitischilledinthetemperaturerangeof0— 12?.Thisiswellcompatiblewiththetemperaturerange ofcommonairconditioningoperation.Thus,itisconsideredasanidealheat— transportandcold—storage medium.Duetothephasechange.TBABslurryhasfarhighercold— loadingdensitythanwaterunderthe sametemperaturedifference.Moreover.TBABslurrybehavesasfluid.SOitcanbeeasilytran sported throughpipeline.Therefore,itisverypromisingtouseTBABslurryinairconditioningordistr ictcooling systemforitsenergy— savingadvantages.Inthispaper.theheattransfercharacteristicsofTBABslurry wereinvestigatedinahorizonta1coppertube.Theconvectionalheattransfercoefficientswer emeasuredand analyzedatdifferentReynoldsnumbersandconstantheatflux.Itwasfoundthatboththeperturbationof solidparticlesandthedecreaseofapparentviscositycoulddestroyorthinthemomentumboundarylayerof slurryflow,whichconsequentlycontributedtoabetterheattransfercoefficient.Theinfluenceofvolume fractionofsolidphase()onNusseltnumberseemedslightinspiteofthechangeofReynolds number.ThecomparisonwithreferencesshowedthattheNusseltnumbersmeasuredinCHSwere consistentlyhigherthanthoseoftheiceslurryandevensinglephasewater.AcorrelationofNusselt 2006—10—25收到初稿,2007—03—31收到修改稿. 联系人:冯自平.第一作者:肖睿(1975),男,博士研 究生. 基金项目:广东省科技计划项目(2006A10706006);国家自 然科学基金广东省自然科学基金联合项目(U0634005). Receiveddate:2006—10—25. Correspondingauthor:Prof.FENGZiping.E—mail:fengzp @ms.giec.ae.cn ? 22o6?化工第58卷 numberwithReynoldsnumberwaspresented. Keywords:TBAB;slurry;thermalenergystorage;latentheattransport;heattransfer 引言 空调能耗在电网负荷中占据很大的比重,在某 些发达城市的夏季尖峰时段可达40,并且呈逐 年上升的趋势.典型的中央空调或区域供冷系统的 主要能耗通常包括制冷主机能耗和二次载冷剂(不 冻液或冷水)循环泵功耗两大部分.其中二次载冷 循环泵功耗占据了很大的比例,据估计根据不同的 系统规模可高达43以上_lJ.以冷水或不冻液为 代表的常规载冷剂属于单相流体,即完全依靠显热 传递冷量,其低载冷密度导致了高循环流量和高循 环泵功耗.因此,中央空调和区域供冷等领域迫切 需要一种高密度潜热输送媒体来代替传统的冷水载 冷剂,以达到降低循环流量,减少循环功耗的节能 目的. 迄今为止,许多浆状介质都被尝试用于改善载 冷密度,如冰浆,微乳液,微胶囊乳液,包络化合 物浆等].其中四丁基溴化铵(TBAB)包络化合 物浆显示出很好的应用前景].TBAB包络化合物 浆由固态水合晶体颗粒和TBAB水溶液组成,是 一 种外观似牛奶的均匀固液悬浊混合物,具有良好 的流动性和较高的载冷密度(因为发生相变).此 外,TBAB包络化合物浆在5,12?之间发生相 变,该温度范围与空调冷水温度范围十分吻合.这 些优点使得TBAB包络化合物浆在中央空调或区 域供冷中具有巨大的节能应用前景. TBAB水合晶体在常压以及0,12~C的温度条 件下形成,具体的形成温度依赖于水溶液的初始浓 度.生成潜热为192kJ?kgL4].化学结构是一种 笼状结构,阴离子(Br)和水分子共同组成外层 笼状结构,而阳离子([CH.(CH).]N,以下 简写为BuN)则被包围在笼状结构的中央]. TBAB水合晶体与其水溶液之间的相容性良好,不 同初始溶液浓度对应着0,12?之间的不同相平衡 温度.水合晶体颗粒的粒径分布在10,100p-m之 间L6],颗粒之间不易聚结. 为了建立TBAB包络化合物浆在空调或区域 供冷中应用的理论基础,需要对其流动阻力特性和 传热特性进行深入研究.其中阻力特性的研究参见 文献E73.本文研究包络化合物浆在水平铜管内的 对流传热特性.在实用中,传热机理对于包络化合 物浆的制取及其换热器都至关重要.到目前为 止,日本JFE公司对TBAB包络化合物浆空调的 应用进行了一定程度的研究和开发.].其研究 主要偏重于空调实用技术,而基础理论成果则很少 发现.JFE通过实验得出基于板式换热器及流速在 0.15,0.28m?s_1范围内的对流换热系数为 7001300W?ITI?K.除此之外,尚未发现 有关TBAB包络化合物浆传热特性的其他公开研 究报道. 1实验原理及装置 l_l圆管对流换热原理 对于定热流管内对流,热量传递过程包括3个 环节,即:从热源到管外壁的传热,穿过管壁的导 热,以及管内壁与管内流体之间的对流换热.分别 由下面的经典公式计算 Q—Jr(1) Q一(‰一) Q=7c(t一tsl)(3) 消去f.,则对流换热系数可以表示为 }一7cdil(\At—R…)(一f.)(4) 式(4)中需要测量的温度只有管外壁温f.和流体 温度f.以下的实验及分析将依据式(4) 进行. 1.2实验装置 实验系统如图1所示.测试管为壁厚1mm, 9.8mm,长4m的紫铜管.有效加热段长2.9 m.测试段上游预留0.9m为人口段.在测试管 上,下游分别安装约0.2m长的玻璃管用于监视 管内包络化合物浆的流动状况.泵出口安装缓冲罐 以降低流动波动对测试管的影响. 加热器由3组螺旋缠绕在铜管外表面上的电阻 丝组成,每组最大加热量4kW.电阻丝与铜管之 间包裹绝缘纸.电阻丝外依次包裹绝缘纸,石棉 绳,玻璃棉等进行保温.加热功率通过变压器和调 压器进行调节,并由智能电量测量仪测量,精度 第9期肖睿等:四丁基溴化铵包络化合物浆在铜管内的对流传热特性?2207? CHSheatexchangervariablespeedpump 图1实验系统装置 Fig.1Experimentalfacility 0.5.为了校正电加热和绝热保温系统,预先进 行无流体流过的空管加热实验,通过测量加热功率 和绝热层内表面的平衡温度之间的对应关系来修正 后续测试中的系统散热损失.实际测试中的最大加 热功率为5430W,加热管保温层的内表面温度在 室温至13O?之间,对应的校正漏热量在0,320 w之间.加热系统最大测量误差估计?1.5. 流量采用量筒和秒表相结合的开式人工测 量,误差?1.实际测量范围为0.12, 0.68L?S-.. 铜管外壁温由直接焊接在其外表面上的K型 热电偶测量.流体温度由等间距布置在铜管内中心 线上直径1mm的K型不锈钢铠装热电偶测量. 热电偶的布置如图2所示.热电偶精度为?0.5?. 实测外壁温度在7,42?之问,流体温度在6, 18?之间.需要指出的是,流体温度是指管道截面 积分平均温度.但限于测试条件,也为了尽量减小 测温探头对流场的不利影响,本文直接用管中心温 度代替截面积分平均温度.这种简化处理在本实验 中是合理的.因为测试管内径较小_】,而且实验 中的流态几乎都处于湍流区,混合强烈,因此截面 温度分布比较均匀.此外还由于流体存在固液相 变,其截面温度场分布也远比常规的单相流体 均匀. Il卜一967I卜. -_————一1933—————-_叫卜 ————————————一 2900——————————————.{ 图2测试管段的热电偶布置方式 Fig.2Layoutofthermocouplesintestpipe 预先制取一定固相含量的包络化合物浆置于储 浆罐中.启动变速泵让包络化合物浆在测试管内流 动.数据采集前校正测试管确保其水平并排空测试 管内的空气.测量时通过调节变速泵转速和旁通阀 开度相结合的办法控制流速.测试过程中可以从窥 视管观察管内包络化合物浆的物理状态和流动状 态.当包络化合物浆流动稳定之后,开启电加热. 随着定热流的输入,固态水合晶体逐渐融化.在此 过程中,连续记录包络化合物浆以及储浆罐中的温 度,并据此计算包络化合物浆的固相含量.当储浆 罐中的包络化合物浆完全变为液体溶液之后(即储 浆罐内温度上升到12?以上后),测试结束. 2TBAB包络化合物浆的物性 2.1固相含量计算 图3是TBAB包络化合物浆的相平衡 图"].在59/6,4O9/6(质量)的初始浓度范围 内,相平衡曲线呈单调上升趋势,平衡温度与初始 浓度是一一对应的关系.因此包络化合物浆的相平 衡点由溶液的初始浓度和温度惟一确定.本实验中 的TBAB溶液初始浓度为22(质量). 图3TBAB-HO相平衡图 Fig.3TBAB-H2Ophasediagram 根据图3,利用外推法可以得出质量及体积固 相含量的计算式 一 ? E巫1互' ptL(,,(to,t)J. 图4是根据式(5)和式(6)对初始溶液浓度 分别为22和3O的TBAB包络化合物浆得到的 固相含量与温度之间的关系.由此可知,当初始浓 度一定时,固相含量将唯一依赖于温度.在本实验 中,固相含量正是依靠温度来问接测量的. 2.2Reynolds数计算 根据文献[7],包络化合物浆的流动遵循非牛 ? 2208?化工第58卷 4固相含量与温度t之I司的关系 Fig.4Volumefractionofsolidphase verslgstemperaturet 顿幂律流体特性.从而描述其流动特征的Reyn— olds数应引入Metzner—ReedReynolds数,定义 如下 胁n一而? 对于一个给定的溶液初始浓度,表观黏度和幂 律指数仅依赖于固相含量.因为固相含量是温 度的函数,因此随着测试管中热量的输入,即使流 量没有发生变化,Re也会发生变化.这一现象 使得测试所得『\,"在与其他文献数据做比较的时候 存在很大的不便.为了建立统一的,具有可比性的 传热系数关联式,本文中的Re定义为相同流量下 对应于12?时的TBAB水溶液状态下的 Reynolds数. 3结果与讨论 3.1Nu的时间依赖性 在一个完整的测试周期内,随着定热流的不断 输入,包络化合物浆的固相含量从259/5连续缓慢 降低到0.在此过程中『\,"表现出随时间而变化的 特性.图5是Re分别为7774和25200时得到的各 测量点的『\,"随时间的变化关系(其中6,9分 别表示测试管段上从上游开始点到下游结束点之问 的3等分间距点位置.如图2所示,以下同).从 图中可以看到,在不同的Re下每个测试点的Nu 都表现出先下降再上升的变化趋势. 包络化合物浆中固态晶粒的扰动对动量边界层 有破坏作用,从而起到了强化对流传热的效果.但 是随着固相含量的降低,这种强化传热效果将逐渐 弱化.Liu_】在其固液两相流传热研究中指出了这 种粒子扰动强化换热现象的存在.在许多有关冰浆 的传热实验研究中,也发现冰晶粒子对冰浆对流换 热存在扰动强化的作用.另一方面,温度的升高改 140 l20 100 主80 60 40 20 O x6 -8 ?9 200400600800 time/s (a)Re=7774 time/s (b)RP=25200 5一个测试刷期内N"的时I司依赖性 Fig.5TimedependenceofNuduringoneLestperiod 变了包络化合物浆的流变特性,使其表观黏度降 低,较低的表观黏度使动量边界层变薄,从而增强 了管内对流换热.因此,随着温度的变化,晶粒扰 动和表观黏度对『\,"产生相反方向的影响.在实验 周期的前期,晶粒的扰动占据主导地位,因此Nu 较高.随着包络化合物浆温度的不断升高,晶粒的 浓度和表观黏度都逐渐降低,表观黏度的降低对 『\,"的影响逐渐占据主导地位,因此实验周期的后 期Nu也较高. 3.2固相含量和Re对Nu的影响 图6为不同Re下Nu同固相含量的关系.其 中Re为4453,25200.从图中可以看到,固相含 量对Nu的影响很微弱,尤其在低R下.当Re上 升至25200后,才随固相含量的增加呈微弱上升的 趋势,如图6(d)所示. Knodel等u.研究了固相含量在0,12之间 的冰浆的对流传热,发现固相含量低于4时『\," 是随着固相含量的增加而降低的.当固相含量超过 4后,Nu则几乎保持不变.冰浆对流传热中的 这种现象被解释为"再层流化".冰浆中晶粒和流 体之间的相互作用被认为对湍流强度的削弱起到了 重要作用.即相对于普通单相流体本应该进入强湍 流区的情况,冰浆流动却出现了重新回归层流区的 趋势.相比于冰晶颗粒,TBAB包络化合物晶粒之 间不易聚结,从而晶粒对流动状态的影响相对较 第9期肖睿等:四丁基溴化铵包络化合物浆在铜管内的对流传热特性?2209? 中/% fa)Re=4453 140 120 8 0 0 0 60 O 中 『b,Re=7774 260 240 220 200 180 160 140 120 100 中/% fc,RP=11300 中/% (d)Re=25200 图6不同Re下Nu与固相含量之间的关系 Fig.6Nuversusvolumefractionof solidphaseunderdifferentRe 弱.这一特性对再层流化效应起到了抑制作用.由 此可以解释包络化合物浆的Nu曲线并不出现在某 个上限固相含量之下的下降阶段.但是,再层流化 区之后,冰浆和包络化合物浆都表现出Nu不随固 相含量变化的特性.值得注意的是,在相同的Re 下,包络化合物浆的Nu均高于冰浆甚至单相水. 其中一个原因在于TBAB水溶液的热导率大约只 有水的1/4. 固相含量对Nu影响微弱的特点对于包络化合 物浆的潜热输送应用是有利的.因为相对固定的传 热系数为换热器的设计带来了方便.这种特性使用 户可以方便地通过调节固相含量来满足冷负荷的波 动,而同时无需对换热器的传热运行参数进行相应 调整. 图7表示Nu随Re增加而上升的关系.从图 中可以拟合得到TBAB包络化合物浆在水平管内 的对流传热关联式 N"一o.2049Re..(8) 因为固相含量对Nu影响微弱,式(8)中略去了 固相含量项.式(8)在Re?25200时适用,且最 大正偏差不超过27,最大负偏差不超过18. 图7N"与Re之间的关系 Fig.7NuversusRe 3.3误差分析 本文通过测量At(t.一tl)和Q来确定Nu, 如式(4).其中?的绝对误差为1?,而实验中 测量到的的最小值为6.5?,因此相对误差 l?(At)/atl?15.4.对于加热量Q,如前所 述,l?Q/Ql?1.5.根据误差传递函数 f--Ahl---1IlOh;l+OhI?QI] (9) 把式(4)代人式(9)得 lNuOR/At[1l+l1]?ll1一Lll'lQl… 式(10)中的铜管壁导热热阻R…约为1O数量 级(单位长度),即使把最大加热量Q(单位管长) 和最小温差?代人,也有1一OR…a~ate-1.因此 由式(10)可得Nu的最大相对误差为 ll~ll? 15.4+1.5一16.9(11) 4结论 通过TBAB包络化合物浆的水平铜管定热流 对流换热实验,在一个广泛的Re和固相含量的 ? 2210?化工第58卷 变化范围内测量了对流换热系数.动量边界层对换 热系数影响很大.固体晶粒的扰动和表观黏度的降 低都能破坏或者减薄动量边界层,从而导致传热系 数的增加.同时发现固相含量对Nusselt数的影响 微弱.在冰浆流动研究中发现的再层流化现象并未 在包络化合物浆的流动和传热实验中发现.包络化 合物浆的Nusse|t数在相同条件下均高于冰浆甚至 单相水.同牛顿流体一样,包络化合物浆的 Nusse|t数随Reynolds数的升高而增加.最后得到 了Nusselt数的实验关联式. 符号说明 c——质量浓度, —— 调和融点下的质量浓度, —— 管径,rn ^——对流换热系数, 卜一电流,A —— 管长,rn —— 幂律指数 Q——热流,w R——热阻,K?W W?rn一0?K r——电阻,n ,——温度,? 面——平均流速,rn?s A——热导率,W?rn?K —— 表观黏度,Pa?s 密度,kg?rn 一 体积固相含量, —— 质量固相含量, 下角标 i——管内壁 —— 液体成分 o——管外壁 s——固体成分 O——初始溶液状态 References [1] E2] [3] TanasawaI,TakaoS.Clathratehydrateslurryoftetra—n butylammoniumbromideasacold—storagematerial// Proc.4thInt.Conf.onGasHydrate.Yokohama,Japan, 2002:963-967 HideoInaba.Newchallengeinadvancedthermalenergy transportationusingfunctionalthermalfluids.1nt.J. 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