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R134a在卧式螺旋管内的沸腾换热特性与临界热流密度特性研究

陈文文  
【摘要】: 由于螺旋管在传热与结构方面具有直管无法比拟的优越性,且螺旋管加工制作简单方便,结构紧凑,同样空间可以布置更多换热面积,因此在换热器中应用广泛,两相流动与传热在现代科学技术及工业领域有着广泛的应用,特别是在锅炉、核反应堆、油田、气田的开采制冷和低温等化工设备中,是世界各国研究者研究的重要领域。由于螺旋管的广泛应用,螺旋管内两相流动与传热问题成为研究领域的重要课题之一。 随着人们对臭氧层保护意义的提高,新型环境友好型制冷剂逐渐替代对臭氧层具有严重破坏作用的氯氟烃类(CFCs)制冷剂走进制冷工业应用领域。制冷剂R134a是新型替代制冷剂,对大气臭氧层的破坏能力系数(ODP)为零,地球温室效应(GWP)值为0.26,不易燃,无毒,无腐蚀作用:是最具实用性的替代制冷剂工质,并且已经投入商业应用。因此R134a螺旋管内沸腾换热的研究,具有重要的学术研究意义以及工程应用价值。 本文主要内容包括实验台的搭建、调试运行,实验数据的采集处理,以及依据实验数据为基础得到的较低参数范围内R134a卧式螺旋管内沸腾换热的特性、温度分布规律以及干度、质量流速、热力密度、系统压力等参数对换热特性的影响,R134a卧式螺旋管内临界热流密度特性。实验参数范围为质量流速G=50~450kg/(m2·s)、系统压力p=0.3~0.9MPa、热流密度q=5~25kw/m2、质量干度x=-0.2~1。 重点研究了R134a在螺旋管内的沸腾换热特性,实验研究发现,螺旋管内沸腾换热系数与系统压力、质量流速、热流密度等因素有密切关系。文中给出了卧式螺旋管发生流动沸腾时管外壁面温度沿着螺旋管管长方向的温度分布以及螺旋管横截面壁温的周向分布规律,针对螺旋管内流体流动的特点分析了这种温度分布的原因。螺旋管内沸腾换热系数沿管长方向逐渐增大,对一圈螺旋管,换热系数在上升段增大,下降段减小,呈周期性变化规律。在实验数据的基础上,得到了质量流速、热流密度和系统压力等参数发生变化时换热系数的变化趋势,分析了质量流速、热流密度、系统压力等因素对沸腾换热特性的影响。质量流速增大时,换热系数会随之升高,质量流速减小时,换热系数减小。系统压力、热流密度和质量干度对换热系数的影响与质量流速类似。并在实验数据的基础上,利用线性回归的方法得到了与实验数据吻合良好的换热系数的关联式,结果证实,该关联式能真实反映本实验参数范围内的换热系数,与实验数据间误差较小。 还研究了低潜热工质R134a在卧式螺旋管内的临界热流密度特性,通过对实验数据的分析,阐明了发生临界热流密度时,壁面温度的分布沿管长的情况以及各测点温度沿质量干度的变化趋势,并且通过对实验数据的分析,得到了入口干度、压力以及质量流速等因素对临界热流密度的影响。研究结果发现: 临界热流密度随着入口干度的增大呈现不断下降的趋势,压力的变化对临界热流密度的影响不太明显,在干度不同时,系统压力对临界热流密度的影响表现出不同的规律,低干度时,临界热力密度随着系统压力的增大略微增大,当干度大于某一值时,临界热流密度随着压力的增大呈略微下降的趋势。质量流速对临界热流密度影响较大,同一压力下,入口干度相同时,随着质量流速的增大,临界热流密不断增大,且增长速度很大。


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