低温应用中氨在回弯弯头及相邻直管中的两相摩擦压降

《International Journal of Refrigeration》：Two-phase frictional pressure drop in return bends and contiguous straight tubes with ammonia for low-temperature applications

　　

氨在水平和垂直回弯管中的两相流压降研究

实验参数包括饱和温度-24 °C、质量流速15-60 kg m?2 s?1，以及蒸汽干度0.05-0.8。几何条件包括管外径9.5-15.9 mm，弯管曲率比1.2-2.5。

引言

制冷系统的性能主要取决于制冷剂的压降和传热。空气处理机组的蒸发器和冷凝器由多根通过180°回弯管连接的直管组成。与直管不同，回弯管中的传热可以忽略不计，通常被视为绝热。然而，回弯管中的压降可能远高于直管，因此需要进行适当评估以实现有效的系统设计（Domanski和Hermes，2008）。除了弯管中的离心力外，两相流中的相分离与单相流相比进一步影响压降（Hoang和Davis，1984）。

氨是一种具有优异热力学性能的自然制冷剂，数十年来一直是食品行业的主导制冷剂。然而，由于毒性和有限可燃性的担忧，它被部分合成制冷剂所取代。自从Molina和Rowland（1974）发现合成制冷剂与臭氧层消耗相关以来，人们对使用自然制冷剂重新产生了兴趣。2016年的《基加利修正案》进一步鼓励使用自然制冷剂（Du Toit，2023）。在这方面，氨因其出色的性能和零臭氧消耗潜能值（ODP）及零全球变暖潜能值（GWP）正在重新确立其地位。已有研究探讨了氨在各种蒸发器中的传热特性（Abbas等，2018）；然而，与压降相关的研究较为有限，尤其是在180°回弯管和低温应用中。

已有文献报道了氨在直管中两相流压降特性的研究。Chaddock等（1976，1986）的初步研究发现，压降随质量流速和油浓度的增加而增加，但随饱和温度的升高而降低。Ungar和Cornwell（1992）报告了较小直径管（1.46至3.14 mm）中较低的压降，表明表面张力的作用在使液-汽界面平滑方面有助于降低压降。Shah（1974，1976，1978）报告管壁上的油膜起到绝缘作用，降低传热同时增加压降。类似地，Kabelac和De Buhr（2001）以及Da Silva Lima等（2009）的研究证实，压降随质量流速和干度的增加而增加。此外，Kelly等（2002）和Vollrath等（2003）的研究报道，微翅和强化管的压降比光滑管高1.4至2倍。

关于回弯管中氨两相流压降的研究比直管的研究少得多。Cotter（2009）最初研究了4 °C至-24 °C之间的氨冷却器，指出虽然饱和温度降低14 °C几乎使水平管中的压降翻倍，但直管与带有180°弯管的管道之间的差异仍然可以忽略不计。然而，Cotter强调垂直弯管增加了空隙率——这对压降预测是一个关键因素——尽管该研究并未隔离U型弯管内的具体压降，也未改变R/do比值。另一方面，Muzaffar等（2024，2025a，2025b）对各种管径（9.52至22.2 mm）和R/do比值（1.2至2.5）的详细研究报告，在相似条件下回弯管中的压降高于相邻直管。结果表明压降随质量流速和蒸汽干度的增加而增加，但随管径、弯管R/do比值和饱和温度的增加而降低。据报道，垂直方向下的压降受重力影响，特别是在低质量流速和低蒸汽干度区域。然而，许多氨工业制冷系统在低至-40 °C（-40°F）的温度下运行。将饱和温度从-15 °C降低至-40 °C会使液体粘度增加超过30%，并使蒸汽比容翻倍。这两种性质都会影响空隙率和局部压力梯度（Lemmon等，2002）。

除了氨之外，对气水混合物（Whalley，1980；Usui等，1980a，1980b；Hoang和Davis，1984；Hsu等，2015；Autee和Giri，2016；Dassler和Janoske，2019；Hayashi等，2020）以及制冷剂如R22（Pierre，1964；Geary，1975；Christoffersen，1993；Cho和Tae，2000；Domanski和Hermes，2008）、R12（Pierre，1964；Traviss和Rohsenow，1971；Padilla等，2009）、R134a（Christoffersen，1993；Tran等，2000；Chen等，2004；Padilla等，2009；Lima和Thome，2010；Da Silva Lima和Thome，2012；De Kerpel等，2012，2016）和R410A（Tran等，2000；Chen等，2001，2004；Domanski和Hermes，2008；Padilla等，2009，2011；Da Silva Lima和Thome，2012）的研究一致表明，回弯管中的两相流压降显著高于直管——有时高出一个五倍的系数。这些研究表明，压降随质量流速、蒸汽干度和油浓度的增加而增加，但随较高饱和温度和较大弯管曲率比的增加而降低。据报道，弯管中的离心力在垂直方向上占主导地位，超过了重力作用，尽管方向和管径会影响蒸汽干度是否显著影响梯度。

已提出各种关联式来预测几何和流动参数对两相流压降的影响。直管模型（Friedel，1979；Müller-Steinhagen和Heck，1986；Chen等，2002；Cavallini等，2002）利用两相倍增因子来调整单相预测值。用于预测回弯管中压降的关联式（Geary，1975；Chisholm，1983；Paliwoda，1992；Chen等，2004；Domanski和Hermes，2008；Padilla等，2009；Quibén和Thome，2007）在模型中进一步纳入了弯管几何形状、流体特性和流动条件。这些模型基于R22、R410A、R12和R134a的实验数据，在特定的几何和实验范围内，即管径从3.25至11.6 mm，质量流速从100至900 kg m?2 s?1，温度在5至25 °C之间，干度从0.1至0.9，弯管曲率比从2.3至8.2。文献中可用的压降关联式主要是基于氨以外制冷剂的实验数据开发的，因此不能可靠地应用于氨（Muzaffar等，2024）。尽管可用的压降关联式对各种实验参数遵循相似的趋势，但关联式之间的变异非常大。此外，以往的研究均未涉及饱和温度低于5 °C的数据，这进一步引发了这些关联式在较低饱和温度下适用性的担忧。

上述文献揭示了关于直管和回弯管中制冷剂两相流压降的 various研究，其中氨的研究有限，尤其是在回弯管中。开放文献中关于低温应用下压降的研究非常稀少。只有Cotter（2009）的一项研究报告了在-24 °C、水平管中带有180度回弯管的两相氨流压降的有限数据。该研究不是在受控条件的实验室中进行的，而是在冷藏设施现场采集数据。虽然有所帮助，但几何形状和流动条件有限，180度回弯管的影响未被隔离或量化。

工业中实际的制冷系统主要基于蒸气压缩循环，其中使用润滑油（可溶/不溶）来润滑压缩机。系统中循环的油的浓度由于传热表面形成油膜和物理性质的变化而同时影响传热和压降性能。对于使用不溶性矿物油进行润滑的系统，油分离器是必要组成部分，通常位于压缩机出口和冷凝器入口之间以及膨胀阀和蒸发器之间。在健康的制冷系统中，不溶性油的浓度通常低于0.1至0.5%。虽然高达0.4%的油浓度会使传热性能降低多达50%，但其对压降的影响通常<10%（Bandarra Filho等，2009；Boyman等，2004）。

本文试图填补这一空白，报告了在-24 °C低饱和温度下氨在回弯管及上下游相邻直管中两相流压降的新实验数据。实验在无油的泵送回路中使用9.5 mm和15.9 mm公称外径、壁厚1.6 mm的管子进行。回弯管曲率半径与管径（R/do）比值范围为1.2至2.5。研究了回弯管的三种方向，即水平、垂直向上和垂直向下。由于实验装置的限制，小管中的质量流速范围为30至60 kg m?2 s?1，中管中的质量流速范围为15至30 kg m?2 s?1。此外，小管的蒸汽干度在30 kg m?2 s?1下为0.1至0.8，在60 kg m?2 s?1下为0.05至0.4。类似地，中管在15 kg m?2 s?1下的蒸汽干度为0.05至0.4，在30 kg m?2 s?1下为0.05至0.2。

由于超低温所需的专门设备和较高的能源需求，将饱和温度维持在-40 °C的实验尝试未能成功。调试测试确定-24 °C是现有泵送回路装置能够进行稳定、可重复测量的最低点。该温度与Cotter（2009）研究的条件一致，并与大多数工业氨蒸发器的操作温度非常接近，确保了扩展几何和流动参数数据的实际相关性。

实验测试装置

本研究所用实验装置的示意图如图1所示。齿轮泵在接收器和过冷器之间的旁路回路中输送氨。泵入口处的过冷度是通过在过冷器中循环的硅油的温度和流量来实现的，过冷器由低温冷机冷却。一旦达到所需的过冷水平，氨通过流量计流入U型弯管测试段，通过Data reduction

两相流中测量的压降（Δpm）对应三个压降组分：

Δpm = Δpf + Δpacc + Δpstatic

压降的静力分量（Δpstatic）是由于静压头引起的，加速分量（Δpacc）是由蒸发和闪蒸引起的流动加速产生的，而摩擦分量（Δpf）是由于摩擦效应引起的。

数据验证

在饱和温度-15 °C、质量流速50 kg m?2 s?1、9.5 mm直径管子以及弯管垂直向上方向的条件下，进行了初步调试测试，以比较在相同条件下从本设施（AUB）获得的压降数据与另一设施（GIK）的结果。GIK在相同设置上的数据由Muzaffar等（2025a）提供。在进行进一步的实验测试之前，这一初步比较是必要的。

不确定性分析

按照Dieck（2007）概述的程序，进行了实验不确定性分析，以考虑测量值的不确定性对导出结果不确定性的影响。表3列出了导出结果中的最大不确定度值。值得注意的是，最大不确定度出现在实验测量值最小时。

水平方向

图5比较了在弯管曲率比1.2和2.5、水平方向的9.5 mm和15.9 mm管在回弯管和直管中的压降。数据显示U型弯管中的压降始终高于直管。这种差异源于U型弯管的曲率引入的额外摩擦损失和湍流。此外，直管和回弯管中的压降都随蒸汽干度的增加而增加，反映了

结论

本文报告了氨在回弯管及上下游相邻直管中新摩擦压降数据。

在饱和温度为 ?24 °C 的条件下进行了实验，该温度非常接近工业氨制冷蒸发器中遇到的运行温度，从而使本研究所产生的数据可用于低温应用中的压降估算。使用了两种公称外径分别为 9.5 mm 和 15.9 mm 的管道。

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**资助**

为便于审稿而省略。

**CRediT作者贡献声明**

Lorenzo Cremaschi：写作——审阅与编辑，监督，获取资助。Jerin Robins Ebanesar：写作——审阅与编辑，数据整理，概念构思。Ahmad Abbas：写作——原稿撰写，验证，调查，获取资助，形式分析，数据整理。Zahid Ayub：写作——审阅与编辑。

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