R410A—润滑油混合物管内流动沸腾换热和压降特性的研究

论文摘要

环保制冷剂R410A为近共沸混合物,温度滑移微小,具有优良的传热特性和流动特性,是R22的理想替代物。采用小管径换热管是降低R410A空调蒸发器成本和改善能效的重要手段之一。目前外径为7.0 mm和5.0 mm的小管径换热管正在被广泛地应用于R410A空调蒸发器,且有采用更小管径换热管的趋势。润滑油的混入增加了R410A在这类换热管内流动沸腾换热的复杂性。如何计算R410A-油混合物在小管径换热管内的流动沸腾换热系数和压力损失,定量评价润滑油的混入对蒸发器换热管内换热与压降性能的影响,对于设计开发紧凑式蒸发器,促进小管径换热管的工程应用,推动环保制冷剂R410A替代R22的进程,具有重要价值。本文从R410A-油混合物在单根换热光管和强化管内的流动沸腾换热特性和压力损失特性等基础性问题的研究入手,以实验为手段,以开发工程应用的换热及压降模型为目的,为预测润滑油对蒸发器换热系数、压力损失以及蒸发器性能等的影响奠定了一定基础。取得了以下几方面的成果:1.对R410A-油混合物在7.0 mm和5.0 mm光管内的流动沸腾换热特性进行了实验研究,并对流动型态进行了观测。研究发现润滑油的混入可以促进间歇流的提前形成,并延迟流型从环状流向干涸流的转化,从拍摄的流型可以发现,R410A-油混合物流动沸腾过程中存在发泡现象,这是润滑油增强换热的一个影响因素。基于R410A-油混合物的物性,开发了R410-油混合物在光管内流动沸腾的流型图,并将实验中观测的流型与开发的流型图进行验证,结果表明,实验观测的流型与流型图吻合较好。开发了基于混合物的流型和物性的R410A-油混合物在光管内的两相流动沸腾换热关联式。对于7.0 mm光管内的换热数据,新的关联式预测值与96%的实验数据的误差在±20%以内;对于5.0 mm光管内的换热数据,新的关联式预测值与92%的实验数据的误差在±30%以内,可以很好的预测R410A-油混合物在光管内流动沸腾的换热特性。2.对R410A-油混合物在7.0 mm和5.0 mm光管内流动沸腾的压降特性进行了实验研究,研究结果表明,R410A-油混合物的摩擦压降随平均油浓度的增大而增大,而且随着质流密度和干度的增大而增大。随着质流密度的增大,油的存在对摩擦压降的影响减小。与低干度和中等干度工况下相比,高干度工况时润滑油对压降的影响会增大。开发了基于混合物物性的R410A-油混合物在光管内的压降关联式,对于7.0 mm光管,新关联式的预测值与92%的实验数据误差在±20%以内;对于5.0 mm光管,新的关联式预测值与95%的实验数据误差在±25%以内。新的关联式能够很好地预测R410A-油混合物在光管内流动沸腾的压降特性。3.对R410A-油混合物在7.0 mm和5.0 mm强化管内流动沸腾的换热特性进行了实验研究,研究结果表明,在低干度工况下,换热系数随平均油浓度的增大而增大,在高干度时,随着干度和平均油浓度的增大,换热系数迅速降低;随着管径的减小,润滑油对强化管内换热系数的恶化作用减小;与光管内的换热特性相比,润滑油的存在对强化管内换热的影响较小,尤其在高干度工况下,润滑油会积聚在强化管的螺纹之间,会弱化强化管内强化结构对换热的扰动,因此在高干度工况下,润滑油的存在会恶化换热。开发了基于混合物物性的R410A-油混合物在强化管内的换热关联式,考虑了螺纹强化结构对换热的增强作用,同时考虑了润滑油的存在对混合物物性的影响。对于7.0 mm强化管内的换热数据,新的关联式预测值与87%的实验数据的误差在±30%以内;对于5.0 mm光管内的换热数据,新的关联式预测值与85%的实验数据的误差在±30%以内。新的关联式可以很好的预测R410A-油混合物在强化管内流动沸腾的换热特性。4.对R410A-润滑油混合物在7.0 mm和5.0 mm强化管内流动沸腾过程中的压降特性进行了实验研究,研究结果表明,润滑油的存在会增大压降,在高干度工况下,这种增强作用更明显。润滑油对5 mm强化管内压降的增强作用大于润滑油对7 mm管内压降的增强作用,表明随着管径的减小,润滑油对压降的增强影响变大。与光管内的压降相比,强化管内润滑油对压降的影响较小。开发了基于混合物物性的R410A-油混合物在强化管内的压降关联式,考虑了螺纹强化结构对压降的增强作用,同时考虑了润滑油的存在对混合物物性的影响。新的关联式与95%的实验数据误差在±20%以内;对于5.0 mm强化管,新的关联式预测值与93%的实验数据误差在±20%以内。新关联式能够很好的预测R410A-油混合物在强化管内流动沸腾的压降特性。最后给出了由于时间关系本文尚没有深入研究的问题,以及将来应重点关注的相关研究方向。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 R410A 管内流动沸腾换热与压降特性的相关研究现状
• 1.3 制冷剂-润滑油混合物管内流动沸腾换热与压降特性的相关研究现状
• 1.3.1 含油制冷剂物性计算模型
• 1.3.2 含油制冷剂管内流动沸腾换热特性
• 1.3.2.1 含油制冷剂管内流动沸腾换热特性的实验研究
• 1.3.2.2 含油制冷剂管内流动沸腾的换热模型研究
• 1.3.3 制冷剂-润滑油混合物管内流动沸腾的压降特性
• 1.3.3.1 含油制冷剂管内流动沸腾压降特性的实验研究
• 1.3.3.2 含油制冷剂管内流动沸腾的压降模型研究
• 1.4 目前研究工作的不足
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 实验装置与测试方法
• 2.1 R410A-润滑油混合物管内流动沸腾换热和压降特性测试实验台
• 2.1.1 已有的R22-润滑油管内流动沸腾换热和压降特性测试实验台
• 2.1.2 R410A-润滑油管内流动沸腾换热和压降特性测试台的搭建
• 2.2 实验测试段
• 2.2.1 换热管结构参数
• 2.2.2 测试管的制作
• 2.3 测试工况范围及调节参数
• 2.3.1 测试工况范围
• 2.3.2 调节参数
• 2.4 实验数据导出方式及误差分析
• 2.4.1 实验数据导出
• 2.4.2 误差分析
• 2.5 小结
• 第三章 R410A-油混合物在光管内流动沸腾换热特性的实验研究与关联式
• 3.1 流型研究
• 3.2 换热特性实验研究
• 3.2.1 R410A-润滑油混合物在7.0 mm 光管内的换热特性
• 3.2.2 R410A-润滑油混合物在5.0 mm光管内的换热特性
• 3.3 已有的制冷剂-润滑油混合物在光管内流动沸腾换热关联式对 R410A-润滑油的预测性分析
• 3.3.1 已有的油影响因子换热关联式预测值与实验数据的对比分析
• 3.3.2 已有的两相增强因子换热关联式预测值与实验数据的对比分析
• 3.3.3 已有的基于流型的换热关联式预测值与实验数据的对比分析
• 3.4 R410A-润滑油混合物在光管内流动沸腾换热关联式的开发
• 3.5 小结
• 第四章R410A-油混合物在光管内流动沸腾压降特性的实验研究与关联式
• 4.1 R410A-润滑油混合物在光管内流动沸腾压降特性的实验研究
• 4.1.1 R410A-润滑油混合物在7.0 mm光管内流动沸腾的压降特性
• 4.1.2 R410A-润滑油混合物在5.0 mm光管内流动沸腾的压降特性
• 4.2 已有的制冷剂-润滑油混合物在光管内压降关联式对 R410A-润滑油压降特性的预测性分析
• 4.2.1 已有的油影响因子压降关联式预测值与实验数据的对比分析
• 4.2.2 已有的基于纯制冷剂物性的压降关联式预测值与实验数据的对比分析
• 4.2.3 已有的基于混合物物性的压降关联式预测值与实验数据的对比分析
• 4.3 R410A-润滑油混合物在光管内流动沸腾压降关联式的开发
• 4.4 小结
• 第五章 R410A-油混合物在内螺纹强化管内流动沸腾换热特性的实验研究与关联式
• 5.1 R410A-润滑油混合物在内螺纹强化管内流动沸腾换热特性的实验研究
• 5.1.1 R410A-润滑油混合物在7.0 mm内螺纹强化管内的换热特性
• 5.1.2 R410A-润滑油混合物在5.0 mm内螺纹强化管内的换热特性
• 5.2 已有的制冷剂-润滑油混合物在强化管内流动沸腾换热关联式对R410A-润滑油的预测性分析
• 5.2.1 已有的油影响因子换热关联式预测值与实验数据的对比分析
• 5.2.2 已有的简单线性数学统计关联式预测值与实验数据的对比分析
• 5.2.3 已有的纯制冷剂在强化管内的换热关联式预测值与实验数据的对比分析
• 5.3 R410A-润滑油混合物在强化管内流动沸腾换热关联式的开发
• 5.4 小结
• 第六章 R410A-油混合物在内螺纹强化管内流动沸腾压降特性的实验研究与关联式
• 6.1 R410A-润滑油混合物在内螺纹强化管内流动沸腾压降特性的实验研究
• 6.1.1 R410A-润滑油混合物在7.0 mm 内螺纹强化管内流动沸腾的压降特性
• 6.1.2 R410A-润滑油混合物在5.0 mm 内螺纹强化管内流动沸腾的压降特性
• 6.2 已有制冷剂-润滑油混合物在强化管内压降关联式对 R410A-润滑油压降特性的预测性分析
• 6.2.1 已有的油影响因子压降关联式预测值与实验数据的对比分析
• 6.2.2 已有的基于混合物物性的压降关联式预测值与实验数据的对比分析
• 6.3 R410A-润滑油混合物在强化管内流动沸腾压降关联式的开发
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.1.1 研究的目的
• 7.1.2 研究的内容
• 7.1.3 创新
• 7.2 展望
• 附录 R410A-油混合物的物性计算公式
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表与录用的学术论文