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二元非共沸混合工质的管内流动沸腾换热特性

韩金蓉  
【摘要】:由于多相流中流体的流动、传热传质方式复杂,相关的理论研究又比较匮乏,因此多相流沸腾传热过程成为目前多相流研究领域的重要课题。研究二元非共沸混合工质在管内的流动沸腾换热特性,可以为今后寻找替代制冷剂和相应的蒸发器的研制提供理论依据。本文对二元非共沸混合工质R123/R245fa(0.1/0.9)在水平管和微肋管内的沸腾换热特性进行了数值模拟、神经网络预测分析和关联式计算精度对比,主要结论如下:(1)以300kg/(m~2?s)的质量流速、30k W/m~2的热流密度和40℃的蒸发温度为代表工况,采用多相流Mixture模型、RNG k-ε湍流模型和组分运输模型对混合工质的管内流动沸腾换热进行模拟研究。结果表明:管壁受到恒定热流密度加热时,在整个换热过程中,光滑管和微肋管内工质温度主要集中在315K左右;沿着管长方向,上壁面温度逐渐升高,气相体积分数逐渐增加,流动速度逐渐增大;沿着管径方向,管上壁面温度高于主流温度,越靠近管上壁,温度梯度越大,气相体积分数越大,速度也越大,由于管壁附近的沿程阻力大于管内,因此管壁附近的流动速度小于管中的流动速度。(2)分别模拟质量流速、热流密度和蒸发温度变化时,对工质管内流动换热性能的影响,结果表明:当热流密度和蒸发温度保持不变,在光滑管中,质量流速为265kg/(m~2·s)、300kg/(m~2·s)和375kg/(m~2·s)时,换热系数随质量流速的增加而增加;在微肋管中,质量流速为275kg/(m~2·s)、300kg/(m~2·s)和350kg/(m~2·s)时,换热系数在低干度区随质量流速的增加而增加,在高干度区,275kg/(m~2·s)的换热系数出现波动,300kg/(m~2·s)和350kg/(m~2·s)的换热系数仍随质量流速的增加而增加。当质量流速和蒸发温度保持不变,热流密度为25k W/m~2、30k W/m~2和40k W/m~2时,在光滑管中,换热系数在低干度区随热流密度的增加而增加,而在高干度区逐渐减小;在微肋管中,换热系数在低干度区随热流密度的增加逐渐减小,在高干度区,20k W/m~2的换热系数出现波动,而30k W/m~2和40k W/m~2的换热系数随着热流密度的增加而增加。当质量流速和热流密度保持不变,在光滑管和微肋管中,换热系数均随蒸发温度的增加逐渐减小。(3)利用模拟数据作为样本数据建立了水平光滑管和微肋管内非共沸混合工质R123/R245fa(0.1/0.9)流动沸腾换热的RBF神经网络预测模型,将网络模型的预测结果与数值模拟结果进行对比,并对五个传统关联式的计算精度进行分析,结果表明:分别经过140次和104次迭代训练后,达到设定的目标误差0.00001,训练的均方根误差分别为0.9427%和1.1301%,平均误差分别为0.0096%和0.0155%,绝对误差分别为0.5875%和0.7623%;预测的均方根误差分别为11.4294%和1.3784%,平均误差分别为-3.1468%和-0.1393%,绝对误差分别为4.3242%和0.9168%;当质量流速、蒸发温度和热流密度分别改变时,RBF神经网络预测所得的换热系数与数值模拟所得的换热系数变化趋势一致,并有较好的吻合度;在低干度区,Chen公式的计算结果与RBF预测值较接近,而在高干度区,Kandlikar公式的计算结果与RBF预测值较接近,对整个换热过程,Kandlikar公式的误差比Chen公式小。


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