水平管内R245fa/R141b流动沸腾特性的实验研究

【摘要】：有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)是一种极具发展前景的中低温余热发电技术。作为ORC系统的主要部件,蒸发器的管内沸腾换热与阻力特性会影响其出口参数与换热面积。在沸腾换热过程中,非共沸混合工质具有温度滑移的特点,能有效降低蒸发器传热过程的不可逆损失,从而提高ORC系统的热力性能。因此,研究非共沸工质的管内沸腾换热与阻力特性对ORC系统蒸发器设计具有重要指导作用。本文针对一种新型非共沸混合工质R245fa/R141b,通过实验手段研究不同混合比下水平光滑管与微肋管内工质的沸腾换热与压降特性,并确定沸腾换热系数与摩擦压降的预测关联式。论文主要工作和结论如下:(1)搭建有机工质水平管内流动沸腾特性实验台,验证实验系统的可靠性。R245fa单相热平衡和换热实验结果表明:实验段热损失率小于3%,单相换热系数与Dittus-Boelter计算结果相对误差在10%以内,具有较好的可靠性。(2)R245fa/R141b在光滑管和微肋管内沸腾换热特性的实验研究。结果表明:不同混合比下,R245fa/R141b在两种管型中的沸腾换热系数均随质量流速、热流密度的增大而增加,随饱和压力的升高而降低;混合工质换热系数随R245fa质量分数的增大而增加;换热系数随干度的增加先增加后降低,即存在一个过渡干度。光滑管内,干度小于纯工质过渡干度(值为0.55)时,混合工质的换热系数小于纯工质;而干度大于0.55后,混合工质换热系数大于纯工质。微肋管内,整个干度范围内,混合工质的换热系数均大于R141b而小于R245fa。此外,相同工况下工质在微肋管内的沸腾换热系数最高比光滑管增加了98.12%。(3)R245fa/R141b在光滑管和微肋管内流动阻力特性的实验研究。结果表明:两种管型中,不同混合比下工质摩擦压降均与质量流速和热流密度成正比,与饱和压力成反比;混合工质摩擦压降与R245fa质量分数成正比。光滑管中混合工质的摩擦压降大于两种纯工质;微肋管中混合工质摩擦压降大于R141b而小于R245fa。同时,相同工况下工质在微肋管内的摩擦压降最高比光滑管增加了193.13%。此外,微肋管对混合工质强化传热效果优于纯工质,混合工质效率指标最高为1.769,纯工质效率指标最高为1.253。(4)验证几种常用关联式预测精度,并根据实验结果进行修正,最终确定R245fa/R141b沸腾换热系数和摩擦压降的预测关联式。结果表明:Gungor-Winterton-C和Yun-Kim-C修正关联式可准确预测工质在光滑管和微肋管内沸腾换热系数,平均绝对误差分别为9.27%和8.89%;Filho-C(s)和Filho-C(m)修正关联式可良好预测工质在光滑管和微肋管内摩擦压降,平均绝对误差分别为15.65%和10.34%。