R134a在卧式螺旋管内的两相流动与传热特性研究

【摘要】： 螺旋管因其具有传热效率高、结构紧凑和加工制作方便等优点,在高效蒸汽发生器和冷却器、核反应堆、电站锅炉、船舶动力、石油化工、航天航空、微电子器件冷却、先进燃料电池系统冷却、食品制药、以及制冷与低温技术等领域得到了非常广泛的应用。 螺旋管内的两相流与传热由于离心力和二次流的作用而比直管内的要复杂的多,其水动力学和传热特性与机理研究是当前两相流与传热领域的重要课题之一。流体在卧式螺旋管内流动方向的连续变化使得作用在流体上的重力和离心力的大小、方向和作用机制都不断发生变化,致使其两相流与传热现象更为复杂。已有卧式螺旋管内两相流与传热的研究大多是以空气—水或水—水蒸汽为工质的,而对环境友好的新制冷剂R134a在卧式螺旋管内的两相流与传热特性与机理的研究却鲜有报道。因此,本文的主要目的是在设计建设两相流与传热实验台基础上,对R134a在卧式螺旋管内流动沸腾的流型、阻力与传热特性进行系统的研究,建立流动与传热过程的流型图,得到沸腾过程中管壁温度的变化特性,发展流动阻力与传热系数计算的经验关联式,并对卧式螺旋管内的凝结传热特性进行研究。 利用透明螺旋管实验段对流动沸腾过程的流型进行了可视化研究,并对各种流型的形成及其转变特性进行了机理分析。在得到了文献中常见的泡状流、弹状流或塞状流、分层流、波状分层流、块状流以及环状流外,还观察到了两种新流型,本文分别称之为“波环状流型”和“超大气弹流型”。波环状流型出现在较高质量流速、低干度条件下上升段中波状分层流向环状流之间的过渡过程:超大气弹流则出现在相同条件下下降段中分层流和环状流之间的过渡过程。由于卧式螺旋管的上升段和下降段之间流型存在较大的差别,因此,基于实验数据和Kattan流型图,分别发展了R134a卧式螺旋管内流动沸腾上升段和下降段的流型图。 对卧式螺旋管内的流动沸腾阻力特性进行了研究,得到了工质的干度、质量流速和压力等参数对两相摩擦阻力压降系数φ_(10)~2的影响关系。系统压力和工质干度对φ_(10)~2的影响比较明显,φ_(10)~2随着干度的增加而增加,随着压力的增加而减小。质量流速对φ_(10)~2也有一定的影响,φ_(10)~2随质量流速的增加稍有增加。通过实验数据的回归分析得到了流动沸腾摩擦阻力压降的计算关联式,最大偏差为19.7%,有95.3%的实验数据分布在拟合公式的±15%误差范围内。 对卧式螺旋管内流动沸腾的壁温分布特性进行了研究与机理分析,得出了卧式螺旋管沿管长和横截面圆周方向的壁温分布规律。螺旋管壁面温度沿管长呈逐渐降低的趋势,沿横截面圆周方向,最外侧壁温最低,最内侧壁温最高。而且在环状流区域,螺旋管顶部截面的内外侧壁面之间的温差比底部截面的内外侧温差要大。 对卧式螺旋管内流动沸腾的传热特性进行了系统的研究和机理分析,得出了局部传热系数沿管长的变化规律,获得了工质的干度、质量流速、压力以及热流密度和螺旋管结构等参数对局部传热系数的影响关系。沸腾传热系数沿管长总体呈逐渐升高的趋势,传热系数随着干度、热流密度和质量流速的增加而增加,低干度区质量流速对传热系数的影响较小,随着干度的增加质量流速对传热系数的影响愈加显著;在高热流密度、小质量流速的条件下,高干度区传热出现恶化,传热系数有所减小;系统压力和螺旋管曲率对传热系数的影响不大,传热系数随系统压力和曲率的增大稍有增加。通过对实验数据的回归分析,发展了本实验参数范围内R134a卧式螺旋管内流动沸腾传热系数的计算关联式,最大偏差为22.1%,有90.3%的实验数据分布在拟合公式的±15%误差范围内。 对卧式螺旋管内的凝结传热特性进行了研究,获得了工质的干度、质量流速和冷凝温度对平均凝结传热系数的影响关系。工质的干度和质量流速对平均凝结传热系数的影响较大,传热系数随着干度和质量流速的增加而增加;低干度区质量流速对传热系数的影响较小,随着干度的增加,质量流速对传热系数的影响愈加显著:螺旋管与直管内凝结传热特性的比较表明,螺旋管的平均凝结传热系数比直管的要大,低干度、小质量流速时螺旋管的凝结传热效果更好。 总之,本文在R134a卧式螺旋管内的两相流与传热的流型、流动阻力和沸腾传热特性等方面都取得了具有一定创新性的研究成果,为制冷空调领域已有设备的更新改造和新设备的开发设计提供了急需的基础数据和设计依据,为新型螺旋管传热器的设计开发奠定了基础。