水平微小通道内CO2沸腾换热研究

论文摘要

随着人们对CFCs和HCFCs制冷剂对大气臭氧层的破坏作用和生态环境影响的认识的深入,天然工质CO2以其优良的热物理性能和对环境的友好性再次受到重视。近年来,国内外学者针对CO2制冷、空调和热泵等系统进行了大量的研究,其中关键设备蒸发器是开发研究的重点之一。由于CO2热物性方面的特殊性,目前开发的CO2蒸发器多数采用紧凑式的微通道换热器。然而,迄今为止,对CO2在微小通道内的沸腾换热的研究尚不多见。现有文献对工质在微小通道内沸腾换热方面的研究成果还不能对设备开发和生产形成有效的指导作用,为此本文对CO2工质在微小圆管内的流动沸腾换热性能进行了实验研究和分析。 本文首先系统介绍了CO2的热物性参数及其有关图表,并将工作压力、密度、粘性等对沸腾换热系数和压降影响较大的物性参数与其它制冷剂进行了比较。为了分析探讨微小通道内的沸腾换热机理,本文对研究相对成熟的大通道内的沸腾换热流型和传热机理进行了简单介绍,并和微小通道内沸腾换热情况做了比较。受通道尺寸的限制,微小通道内沸腾换热流型与大通道内流型虽然有相似之处,但相对而言传热特性有较大差异。 为了深入研究微小通道内CO2的沸腾换热特性,设计和搭建了一个内径为1mm流动沸腾换热开式实验装置。针对热流密度、质量流速、蒸发温度和干度等参数对沸腾换热的影响状况进行了实验研究。基于实验结果,分析了这些参数与沸腾换热系数之间的变化关系。在质量流速200kg/m2s～400kg/m2s范围内,沸腾换热系数随热流密度增大而升高;在干度10%～40%之间时,随着质量流速的增大,沸腾换热系数基本保持不变;在干度小于10%和大于40%时,质量流速对沸腾换热系数略有影响;沸腾换热系数随蒸发温度变化几乎不变。 将实验结果与现有经验关联式进行了对比,在实验数据基础上得到了一个新的修正关联式。从现有沸腾换热关联式与实验数据的计算值的对比结果发现:沸腾换热系数随干度的变化与Kandlikar（1990）(Ffl=1.41)关联式的计算结果有相似的趋势;并用无量纲局限数Nconf对Gungor-Winterton（1987）关联式进行了修正,在干度10%到60%之间,新关联式与实验值的平均绝对偏差在9%以内。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 微小通道内流动沸腾换热的研究状况
• 2沸腾换热的研究状况'>1.2.1 CO₂沸腾换热的研究状况
• 1.2.2 微小通道内沸腾换热的研究状况
• 1.3 本课题的主要研究工作
• 第二章 二氧化碳的热物理特性
• 2热物理性质'>2.1 CO₂热物理性质
• 2.2 小结
• 第三章 沸腾换热流型与换热
• 3.1 大通道内流动沸腾的流型和换热
• 3.1.1 大通道内沸腾流动的流型
• 3.1.2 大通道内流动沸腾的换热分析
• 3.1.3 水平与垂直大通道内流型的比较
• 3.2 微小通道内沸腾流动流型和换热分析
• 3.2.1 微小通道与大通道内两相流流型比较
• 3.2.2 微小通道内流动沸腾的换热分析
• 3.3 小结
• 第四章 实验装置
• 4.1 实验方案
• 4.2 实验系统介绍
• 4.2.1 冷却环路和预冷环路
• 4.2.2 实验段
• 4.2.3 加热方法和加热环路
• 4.2.4 U形弯
• 4.2.5 实验系统结构设计
• 4.3.参数测量
• 4.3.1 流量测量
• 4.3.2 温度测量
• 4.3.3 压力测量
• 4.3.4 电压电流的测量
• 4.4 数据处理方法
• 4.4.1 数据处理
• 4.4.2 实验系统操作
• 4.4.3 实验系统的不确定性分析
• 4.5 热平衡实验
• 4.6 小结
• 第五章 实验结果与分析讨论
• 5.1 质量流速的影响
• 5.2 热流密度的影响
• 5.3 蒸发温度的影响
• 5.4 干度的影响
• 5.5 小结
• 第六章 实验结果与有关沸腾换热关联式的比较
• 2流动沸腾换热系数的比较'>6.1 与文献中有关微小通道内CO₂流动沸腾换热系数的比较
• 6.2 与现有经验关联式的比较分析
• 6.2.1 光滑通道内沸腾换热模型
• 6.2.2 实验数据与关联式估算值的比较与分析
• 6.3 小结
• 第七章 全文总结及展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献