制冷剂氟乙烷（HFC-161）管内流动沸腾换热特性研究

【摘要】：在缓解臭氧层破坏和温室效应的背景下,制冷剂替代研究已成为领域内的热点问题之一。新型制冷剂氟乙烷(HFC-161)环境性能优异(ODP=0,GWP=12),充注量小,通用性好,被视为R22和R502的潜在替代品。制冷剂管内换热特性是衡量其综合性能和替代潜力的重要指标。目前,国内外关于HFC-161管内换热的研究尚未开展,缺乏相关研究数据和计算模型。开展此项研究将在填补相关空白的同时,为紧凑高效换热设备的设计开发提供重要依据,对于实际制冷装置运行工况优化,提高换热效率和系统综合效率,促进新型环保制冷剂的推广进程,具有重要意义。 本文从HFC-161在单根光滑管和微肋管内沸腾换热的基础性问题着手,以实验为手段获得了沸腾换热系数和压降数据,从理论上分析了工况对换热与压降的影响,对比了HFC-161与传统工质R22的换热与压降性能,开发了适用于新型制冷剂HFC-161光滑管与微肋管内沸腾的预测关联式,主要取得了以下几方面的成果： 1.搭建了用于研究制冷剂管内沸腾换热性能的实验装置,并通过R22测试实验,验证了装置的可靠性。 2.研究了HFC-161在9mm内径光滑管内的沸腾换热特性。实验获得了饱和温度5-10℃,热流密度15-25kW/m2,质量流速100-200kg/(m2·s)范围内的换热系数与摩擦阻力,开发了HFC-161光滑管沸腾换热预测模型。结果表明：1)HFC-161局部换热系数随制冷剂干度的增大而增大,并在干度为0.5-0.7时达到最大值,之后出现干涸现象,换热系数随干度增长而下降;2)HFC-161换热系数随质量流速、热流密度的增大而增大,随饱和温度的升高而降低；3)HFC-161摩擦压降随饱和温度升高而降低,随质量流速增大而显著增大,随热流密度增大而略微增大；4)Gungor-Winterton关联式、Mathur关联式及Liu-Winterton关联式对光滑管内HFC-161沸腾系数预测偏差小于其他关联式；5)新关联式对实验数据的平均预测偏差为+3.4%,绝对平均偏差为6.4%,最大偏差为-19.0%,88.6%的预测值以小于±18%的偏差与实验数据相吻合。 3.研究了HFC-161在7mm外径微肋管内的沸腾换热特性。实验获得了饱和温度-5-8℃,热流密度28.15-49.29kW/m2,质量流速100-250kg/(m2·s)范围内的沸腾换热系数与压降,开发了HFC-161微肋管沸腾换热预测模型。结果表明：1)微肋管内HFC-161局部沸腾换热系数随干度呈先增后减趋势。“干涸”开始时所对应的干度值与工况基本无关,在0.8左右;2)质量流速、热流密度对HFC-161微肋管内换热特性的影响与光滑管相似,但饱和温度的影响没有明显规律；3)微肋管内HFC-161摩擦压降随工况的变化趋势与光滑管内一致；4)Cavallini关联式及Yun关联式对微肋管内HFC-161沸腾系数预测偏差小于其他关联式；5)新的关联式对实验数据的预测平均偏差为+1.6%,绝对平均偏差为5.6%,最大偏差为+48.6%,89.1%的预测值以小于±10%的偏差与实验数据相吻合。 4.对比了HFC-161与R22光滑管与微肋管内的沸腾换热特性,结果表明：1)在相同工况下,HFC-161光滑管内沸腾换热系数显著高于R22,尤其在干度0.4时,换热系数相对增长达到25%-32%,同时在光滑管内,HFC-161摩擦压降比R22降低20%左右；2)在7mm外径微肋管内,HFC-161沸腾换热系数相对于R22提高5%-40%,摩擦压降减小约18%。相比R22,HFC-161具有更好的管内沸腾换热性能和更低的压降。 【关键词】：沸腾换热 光滑管 微肋管 关联式
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB611;TB64
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 主要符号表9-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.2 制冷剂光滑管内沸腾换热研究进展15-18
• 1.2.1 光滑管沸腾换热实验研究15-17
• 1.2.2 光滑管沸腾关联式研究进展17-18
• 1.3 制冷剂微肋管内沸腾换热研究进展18-21
• 1.3.1 微肋管沸腾换热实验研究18-20
• 1.3.2 微肋管沸腾关联式研究进展20-21
• 1.4 本文的主要工作21-23
• 第2章 管内沸腾换热实验装置与数据处理23-44
• 2.1 制冷剂管内沸腾换热特性实验装置23-32
• 2.1.1 实验装置设计搭建23-24
• 2.1.2 实验装置介绍24-30
• 2.1.3 实验测试段介绍30-32
• 2.2 实验步骤与数据采集32-35
• 2.2.1 实验步骤32-33
• 2.2.2 数据采集33-35
• 2.3 数据处理与误差分析35-41
• 2.3.1 数据处理35-39
• 2.3.2 误差分析39-41
• 2.4 实验装置可靠性验证41-43
• 2.5 小结43-44
• 第3章 HFC-161光滑管内沸腾换热研究44-71
• 3.1 HFC-161光滑管内沸腾换热特性实验研究44-57
• 3.1.1 实验工况44-45
• 3.1.2 沸腾流型观察45-47
• 3.1.3 HFC-161光滑管内沸腾换热系数47-54
• 3.1.4 HFC-161光滑管内沸腾流动压降54-57
• 3.2 HFC-161与R22光滑管内沸腾换热与压降特性对比57-60
• 3.3 HFC-161光滑管内沸腾换热关联式研究60-70
• 3.3.1 HFC-161基本物性计算60-62
• 3.3.2 已有关联式对HFC-161光滑管内沸腾换热的预测性62-68
• 3.3.3 HFC-161光滑管内沸腾换热关联式开发68-70
• 3.4 小结70-71
• 第4章 HFC-161微肋管内沸腾换热研究71-87
• 4.1 HFC-161微肋管内沸腾换热特性实验研究71-78
• 4.1.1 实验工况71-72
• 4.1.2 HFC-161微肋管内沸腾换热系数72-75
• 4.1.3 HFC-161微肋管内沸腾流动压降75-78
• 4.2 HFC-161与R22微肋管内沸腾换热与压降特性对比78-80
• 4.3 HFC-161微肋管内沸腾换热关联式研究80-85
• 4.3.1 已有关联式对HFC-161微肋管内沸腾换热的预测性80-84
• 4.3.2 HFC-161微肋管内沸腾换热关联式开发84-85
• 4.4 小结85-87
• 第5章 结论及展望87-90
• 5.1 主要结论87-88
• 5.2 前景展望88-90
• 参考文献90-98
• 攻读硕士期间取得的成果98-99
• 致谢99-100

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