R32制冷剂在小管径水平管内的沸腾换热与阻力特性实验研究

针对污染小、能效高、可燃性差、低毒性的新型R32可替代制冷剂在水平管内低温工况下的沸腾换热特性开展研究，设计并自主搭建了管内对流沸腾相变换热实验系统，分别开展了3 mm、4 mm小管径水平管内低温R32沸腾换热的实验研究，探究了质量流速、热流密度、饱和温度等参数对R32对流沸腾换热特性的影响，分析了蒸干对沸腾换热系数恶化的影响机制。结果表明：3 mm内径管的沸腾换热相比4 mm通道平均提升约8%～12%,且高质量流速下的临界干度几乎与管径无关；相较传热特性，R32饱和温度对两相流动阻力更为敏感，饱和温度自13℃降低至11℃时阻力损失提高约23%;利用改进的Fang关联式，可实现小管径水平管内R32对流沸腾换热系数预测，88.56%的实验数据误差可控制在±10%范围内。     

R417A与R22流动沸腾换热性能的比较分析

对R22与R417A在水平光滑管和2种不同几何参数的内螺纹管中的流动沸腾换热进行实验研究,分析比较了2种制冷剂流动沸腾换热性能的差异。实验结果表明:R417A的换热性能与R22相比有一定程度的降低,其降低程度因质量流速、干度及换热管参数的不同而异,质量流速越小,R417A换热性能的降低越严重;在x<0.6的较低干度区内,光滑管中R417A的换热系数比R22约降低了20%～40%,内螺纹管中的降低幅度更大,几乎达到50%～60%,在x>0.6的较高干度区内,不同换热管中R417A换热系数的降低幅度较为相近;光滑管中R417A换热系数的降低幅度受干度影响较大,且随干度的增加而增大,内螺纹管中的降低幅度受干度影响较小;强化管对换热的强化效果越好,R417A换热系数的降低幅度就越大。     

R417A在水平光滑管和内螺纹管中的流动沸腾换热

对非共沸混合制冷剂R417A在外径为9.52 mm的水平光滑管和2种不同几何参数的内螺纹管中的流动沸腾换热进行实验研究,分析讨论了制冷剂质量流速、热流密度、干度、强化管参数对换热系数的影响规律和影响机理.实验结果表明:换热系数随着质量流速的增大而增大.在以对流蒸发占优势的换热区,热流密度对换热系数的影响较小;换热系数随着干度的增大先呈现出增大趋势,增至高峰值后又迅速下降,高峰值随热流密度的增大和质量流速的减小向干度较大的方向移动;内螺纹管能有效强化制冷剂的流动沸腾换热,R417A在2种内螺纹管中的换热系数分别比在光滑管中高出130%~210%和150%~270%.     

R134a在锯齿型翅片中的沸腾换热实验研究

为设计板翅式蒸发器,采用实验方法研究不同质量流速下R134a在锯齿型翅片中的沸腾换热系数。对比Bertsch关联式计算值与实验值得到其沸腾换热系数修正式,并通过相同型面板翅式蒸发器实验对该修正式进行验证。实验结果表明:在不同入口条件下,沿流动方向,锯齿型翅片表面温度变化趋势一致,由起初较平稳状态到距入口290 mm处显著增大;在相同质量流速下,R134a在锯齿型翅片中的对流换热系数远大于平直通道;Bertsch关联式沸腾换热系数修正式计算的制冷量与实验值误差约为10%。     

混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热模拟

为研究板翅式换热器流道内混合冷剂沸腾换热规律,建立了竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热数学物理模型;基于理论推导的汽液相界面交互深度确定方法,采用CFX双流体模型模拟分析了混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热规律,并与文献已有经验关联式进行对比分析. 结果表明:由于混合冷剂物性影响,沸腾换热系数随干度增大而降低;由于对流沸腾和核态沸腾换热机理共同作用,沸腾换热系数随质量流率、热流密度增加而增大;同时,模拟与经验关联式对比结果表明,Lazarek换热关联式计算结果与模拟吻合较好,其误差在±15%以内,将其应用于估算竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热系数具有较高可靠性.      

R410A-油混合物在7 mm水平直光管内流动沸腾的换热特性Ⅰ.实验研究

实验研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在水平直光管内的流动沸腾换热特性.实验测试管长度2 m、外径7 mm.实验工况的蒸发温度为5°C,质量流率为200~400 kg/(m2.s),热流密度为7.56~15.1 kW/m2,入口干度x=0.2~0.7,干度变化为0.2,油的平均质量分数wno=0~5%.实验结果表明,R410A-油混合物管内流动沸腾的换热系数随质量流率的增大而增大;在x<0.7的工况下,油的存在总是增大换热,当wno从0增长到5%时,换热系数最大可增加61%.在x=0.8的高干度情况下,换热系数在wno=1%时达到最大值,然后随着wno的增大换热系数逐渐降低.     

胀管对R22和R1234ze(E)在微肋管内流动凝结换热影响试验

研究R22和R1234ze(E)在胀管前、后外径分别为5.10和5.26 mm微肋管内的截面尺寸变化、凝结换热和摩擦压降特性。分析质量流速、干度及胀管对凝结换热系数和摩擦压力梯度的影响。采用关联式对试验结果进行预测,并对关联式的预测性能进行分析。结果表明:胀管后微肋管的结构会发生一定程度的变形;凝结换热系数和摩擦压力梯度均随质量流速和干度增大而增大;质量流速为100 kg/(m^2·s)时,胀管会削弱微肋管的凝结换热性能;质量流速为200和300 kg/(m^2·s)时,胀管对换热系数的影响不明显;而质量流速为100~300 kg/(m^2·s)时,胀管对摩擦压力梯度的影响不显著。     

R410A/润滑油混合物在5mm水平强化管内的流动冷凝换热特性

探讨了不同质流密度、测试段入口干度及润滑油的质量分数等制冷工况下,R410A/润滑油混合物在5 mm水平内螺纹强化管内的流动冷凝换热特性.结果表明:在不同的质流密度条件下,R410A/润滑油混合物的换热系数随干度的增加先增大,当干度为0.7左右时,换热系数达到最大值,当干度大于0.7时,换热系数随干度的增加反而下降;在润滑油的质量分数为3%和5%条件下,油的存在恶化了换热特性,使其换热系数降低了9.3%~36.5%.基于混合物换热特性,建立了适用于R410A/润滑油混合物在强化管内流动冷凝的换热关联式,其预测值与92%的试验数据误差在±20%以内,平均误差为6.7%,最大误差为34.5%.     

小管径强化管内R410A-油混合物流动沸腾阻力特性

实验研究了环保制冷工质R410A-润滑油混合物在5 mm小管径内螺纹强化管内流动沸腾的摩擦压降特性.实验结果表明,对于纯制冷剂R410A,摩擦压降随着干度的增大先增大后减小,峰值出现在干度为0.7~0.8左右;R410A-油混合物的摩擦压降随油平均质量分数、干度和质流密度的增大而增大,当油平均质量分数从0增长到5%时,在干度为0.9的高干度工况下,摩擦压降最大可增加120%.R410A-油混合物在5 mm强化管内流动沸腾的摩擦压降与7 mm强化管的相比约增大10%~30%;用已有的7 mm强化管的压降关联式预测5 mm强化管的压降时,误差为±40%.以R410A-油混合物在7和5 mm强化管内摩擦压降的实验值为基础,建立了基于混合物物性的R410A-油混合物在不同管径强化管内的摩擦压降关联式.该关联式的预测值与95%的实验值误差在±20%以内.     

R410A-油在7 mm C形光管流动沸腾的压降特性

对R410A-油在7 mm C形水平光管内流动沸腾的压降特性进行了研究,并基于混合物性开发出7 mm C形水平光管内流动沸腾的压降预测关联式.测试段长度2 m,实验工况:质量流率为200,300,400 kg/(m2.s);蒸发温度5℃;入口干度0.2~0.7;测试段干度变化0.2;润滑油质量分数1%~5%.润滑油的存在引起压降增大,不同干度下,压降都随油浓度的增加而增大,压降最大增加33.5%.基于混合物性开发的关联式预测值与80%以上的实验数据偏差在±15%以内,平均偏差9.13%,最大偏差28.97%.     

微通道热沉内液氮的流动沸腾换热实验

通过实验研究了质量流量在62.6~598.6kg/(m2·s)下不锈钢材质的平行微通道热沉内液氮流动沸腾的传热特性,并将实验所测得局部换热系数与经验关联式计算所得结果进行比较.结果表明:在核态沸腾阶段,随着干度增大,热沉的局部换热系数增加并逐渐达到一个峰值;当干度继续增大时换热系数逐渐减小;热沉的局部换热特性受其流型和低温流体工质特殊性的影响,在干度较低的条件下,其实验结果与模型预测结果的变化趋势一致,但预测值大于实验值.     

含油金刚石纳米制冷剂的核态池沸腾换热特性

研究了含油金刚石纳米制冷剂（即由制冷剂R113、润滑油VG68和金刚石纳米颗粒组成的纳米流体）的核态池沸腾换热特性,分析了金刚石纳米颗粒对含油制冷剂核态池沸腾换热的影响.实验中饱和压力为101.3 kPa;热流密度为10~80 kW/m2;纳米油(纳米颗粒和润滑油的混合物)的质量分数为0~5%;在纳米油中金刚石纳米颗粒的质量分数为0~15%.实验结果表明：金刚石纳米颗粒增强了含油制冷剂的池沸腾换热,在测试工况下换热系数最大可增加63.4%,并且增加幅度随纳米油中纳米颗粒质量分数的增加而增加,随纳米油质量分数的降低而增加.开发了含油纳米制冷剂池沸腾换热关联式,关联式预测值与94%的实验数据偏差在±20%以内.     

热泵热水器螺旋套管冷凝器中R22的凝结换热性能

螺旋套管换热器因其优越的结构特性和高效的换热效率在热泵系统中得到了广泛应用,本文通过实验方法对螺旋套管冷凝器中R22的凝结换热性能随制冷剂干度、进水温度、进水流量的变化情况进行了测试,得到R22的凝结换热系数随制冷剂干度、进水温度、进水流量的变化关系。结果表明:R22的凝结换热系数随干度的减小而增大。R22的凝结换热系数随进水温度的升高而减小,进水流量为0.4 m3/h时,当进水温度由17℃上升至34℃,R22的凝结换热系数由3 346 W·m-2·k-1减小至3 002 W·m-2·k-1.R22的凝结换热系数随进水流量的增大而增大。当进水温度为17℃时,进水流量由0.4 m3/h增至0.53 m3/h,R22的凝结换热系数由3 346 W·m-2·k-1增至4 168 W·m-2·k-1.通过对文献中制冷剂在相似流动通道内换热关系式进行合理修正,计算得到R22在螺旋环形通道内的凝结换热系数,并与实验结果进行比较。     

水平管内工质R152a的流动沸腾传热特性研究

采用直流电源加热不锈钢管的方式,设置热流密度为31～73 kW/m²,质量流速为248～460 kg/(m²·s),研究工质R152a于高蒸发温度为60～80℃时在水平管内的流动沸腾传热特性,并将实验结果与文献报道的3个传热关联式的预测值进行比较。结果表明：工质R152a的流动沸腾传热系数随着蒸发温度的升高而减小,随着干度的变化呈现先减小后增大再减小的趋势,质量流速的变化对流动沸腾传热系数的影响较小;3个传热关联式的预测值与实验值的平均绝对偏差均偏大。     

R410A-油在φ7 mm水平直光管内流动沸腾阻力特性

研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在水平直光管内的流动沸腾摩擦压降特性,探索了油的平均质量分数、干度和质量流率对摩擦压降的影响.实验测试管为光管,长度为2m,外径为7.0 mm,内径为6.34 mm.实验结果表明,R410A-油混合物在光管内流动沸腾的摩擦压降随平均油浓度、干度和质量流率的增大而增大,当油的平均质量分数从0增长到5%时,压降最大可增加50%.开发了适用于R410A-油混合物光管内的流动沸腾摩擦压降关联式,新的关联式预测值与92%以上的实验数据偏差在±15%以内,平均误差为6.6%,最大误差为29.4%.     

R410A-油在φ7 mm水平直强化管内流动沸腾阻力特性

研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在水平直强化管内的流动沸腾摩擦压降特性,探索了油的平均质量分数、干度和质量流率对摩擦压降的影响.实验测试管为内螺纹强化管,长度为2 m、外径为7.0 mm.实验结果表明,R410A-油混合物在强化管内的流动沸腾摩擦压降随油的平均质量分数、干度和质量流率的增大而增大,当油的平均质量分数从0增长到5%时,压降最大可增加31%.R410A-油混合物在强化管内流动沸腾的摩擦压降与光管相比大约增大10%~35%;润滑油的存在对强化管内摩擦压降的增强作用与光管相比较小.开发了适用于R410A-油混合物强化管内流动沸腾的摩擦压降关联式,新的关联式预测值与97%以上的实验数据偏差在±10%以内,平均误差为4.25%,最大误差为14%.     

R410A-油在5 mm小管径光管内流动沸腾的阻力特性

为了促进环保制冷剂R410A在制冷空调紧凑式换热器设计中的实际应用,研究了R410A-油混合物在小管径光管内的流动沸腾摩擦压降特性.测试管的外径为5 mm,内径为4.18mm.实验结果表明:对于纯制冷剂R410A,小管径管内的摩擦压降随着干度的增大先增大后减小,峰值出现在于度为0.7～0.8左右处;R410A-油混合物的摩擦压降随平均油浓度、干度和质量流率的增大而增大,当油的平均质量分数Wno从0%增长到5%,在干度为0.9的高于度工况下,摩擦压降最大可增加80%～120%.R410A-油混合物在5 mm小管径光管内流动沸腾的摩擦压降与7 mm光管相比大约增大10%～50%.基于混合物性开发了R410A-油混合物在5 mm小管径光管内流动沸腾的摩擦压降关联式,新的关联式预测值与94%的实验数据误差在土20%以内,平均误差为8.5%.     

CO_2微通道气体冷却器压降与传热特性研究

在微通道平行流式气冷器内进行了CO2的压降和换热特性实验研究,探讨了跨临界CO2循环换热过程中制冷剂质量流量、系统压力对气冷器换热性能、进出口压降的影响.实验结果表明:在接近临界温度时,CO2物理性能受压力和温度的影响较大,换热系数是远离临界区的7～9倍;随着CO2质量流量的提高,微通道管内流体Re相应提高,而较高的Re又使得湍流扩散率、管内温度梯度增大,同时在制冷剂入口附近的微通道换热器高温区域面积增大,表明当系统压力相同时,制冷剂入口温度随CO2质量流量的增加而增大.在一定的质量流量或压力下,存在着一个最佳的压力或质量流量,使得气冷器进出口压降达到最小.随着Re增加,气冷器的CO2压降关联式的预测精度均有所提高,为此提出了新的换热关联式和压降关联式.     

R12在水平管内流动沸腾换热实验研究

本文对R12在水平管内流动沸腾换热特性作了实验研究。实验结果表明,管内流动沸腾换热与单相对流换热一样,存在热进口效应,国外早期的实验数据由于未能考虑热进口效应而偏大。实验结果还表明,水平流动沸腾周向不均匀换热主要受流动结构影响;截面平均换热系数则与质量流速、热流密度、质量干度和蒸发压力密切相关。分析实验数据证实,流动沸腾换热是由气泡产生而引起的流动充分发展核态沸腾和双相对流蒸发两部分组成的。本文的实验数据与国外已有的换热关系式能较好吻合。     

加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响

为揭示加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响,对8种不同尺寸光滑硅片表面在FC-72中的池沸腾换热性能进行了实验研究,通过高速相机观察了不同热流密度下各尺寸硅片表面的气泡动力学行为,分析了加热面尺寸对汽泡成核、脱离特性和换热系数的影响。结果表明,自然对流区内,相同热流密度条件下加热面尺寸越大,硅片对液体的热对流扰动越小,壁温越高且换热系数越小;随热流密度增大,换热面周边最先产生汽泡,大尺寸换热面与绝热胶的接触周长更大,产生的缺陷和凹坑能捕捉更多气体,因此率先进入核态沸腾。核态沸腾区内,小尺寸加热面汽泡脱离直径小、脱离频率高,换热性能好。高热流密度范围内,大尺寸表面的汽泡脱离直径和脱离频率随热流密度增大而迅速增大,表面换热增强。临界沸腾点时,换热系数随加热面尺寸的增加呈先增大再减小最后缓慢增大的变化趋势。