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R410A在竖直管内蒸气向上流动凝结换热实验研究

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致谢

摘要

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 流型的研究

1.2.2 光滑管内凝结换热研究

1.2.3 强化管内凝结换热研究

1.3 本文研究的主要内容

1.3.1 目前研究中存在的不足

1.3.2 本文的主要研究内容

2 实验系统

2.1 实验装置

2.2 测量设备

2.3 实验件

2.3.1 可视化实验件

2.3.2 竖直套管换热实验件

2.4 制冷剂R410A

2.5 数据处理

2.5.1 进入实验段的制冷剂流量

2.5.2 预冷段出口蒸气干度

2.5.3 平均凝结换热系数

2.5.4 实验段的内壁面平均温度

2.5.5 可视化实验件的沿轴向局部凝结换热系数

2.5.6 摩阻压降

2.5.7 换热强化因子Eh和压降惩罚因子Pf

2.5.8 参数不确定分析

3 竖直矩形槽道内的液膜流型及换热特性

3.1 质量流速对壁面液膜流动形态的影响

3.2 沿槽道轴向不同观察位置处的流型对比

3.3 平均凝结换热系数随质量流速的变化

3.4 沿槽道轴向局部凝结换热的变化

3.5 本章小结

4 竖直光滑管内凝结换热实验研究

4.1 流型的判定

4.2 质量流速和饱和温度对凝结换热系数的影响

4.3 管长对凝结换热系数的影响

4.4 现有光滑管内换热关联式的适用性评价分析

4.5 竖直光滑管内凝结换热关联式

4.5 本章小结

5 内螺纹管和光滑管换热和压降的比较分析

5.1 质量流速和热流密度对凝结换热系数的影响

5.2 质量流速和热流密度对总压降的影响

5.3 换热强化因子

5.4 压降惩罚因子

5.5 现有内螺纹管内换热关联式的适用性评价分析

5.6 内螺纹管内凝结换热关联式

5.7 内螺纹管内摩阻压降关联式

5.8 本章小结

6 结论

参考文献

主要符号表

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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摘要

本文通过实验方法,探讨了制冷剂R410A干饱和蒸气在竖直方向垂直向上流动凝结换热条件下的凝结液膜表面流动特征、凝结换热系数和压降的特性。实验采用了具有可视窗的竖直矩形槽道实验件、光滑铜管换热实验件和内螺纹铜管换热实验件,分析讨论了蒸气质量流量的影响,制冷剂的饱和温度、管长、热流密度等因素对凝结换热系数的影响。比较了内螺纹管和光滑管在相同的冷却水入口条件下的换热能力和压力损失能力,对现有的一些广泛应用的光滑管内和内螺纹管内的换热关联式进行了适用性评价分析。最后通过实验数据的回归分析,获得了适用于蒸气向上流动凝结换热的光滑管内和内螺纹管内换热关联式和适用于内螺纹管内的摩阻压降关联式。
  竖直矩形槽道内的可视化实验中,通过高速摄影仪拍摄手段,观察了制冷剂R410A干饱和蒸气在水力直径为14.34mm、长度为160mm的竖直矩形槽道内垂直向上流动凝结过程中壁面液膜的流动特征。实验结果表明:在质量流速范围为1.8-23 kg/m2s实验条件下,随着质量流速的增大,壁面出现假滴状流动和层流波状流动,并且随着质量流速的增大凝结液膜逐渐增厚,液膜表面波动亦更加明显;槽道内的平均凝结换热系数随质量流速的增大出现先增大后减小的趋势。实验得到沿槽道轴向由壁面测温点分割出的四段壁面的各段中心位置处的近似局部凝结换热系数的变化情况。
  通过实验方法研究了R410A干饱和蒸气在内径为8.02mm,管长为300 mm、400 mm、500 mm和600mm的光滑铜管管内向上流动时的凝结换热特性。实验所测的质量流速范围为103-490 kg/m2s,饱和温度分别为31℃、38℃和48℃。管内制冷剂的平均干度范围为0.91-0.98。分别对管长、饱和温度、质量流速对凝结换热的影响进行了讨论。四个广泛应用的并且不受管道倾角影响的换热关联式的预测值与实验值进行了对比分析,通过数据拟合修正了Shah[21]的换热关联式,新关联式的预测值与实验值的偏差范围为±15%。
  通过实验方法比较了外径均为9.52mm,内径为8.32mm的光滑管和齿顶内径为8.46mm的内螺纹管在四种相同的冷却水入口条件下的凝结换热和压降特性。实验的制冷剂质量流速范围为80-345 kg/m2s,饱和温度为40℃和48℃。利用换热强化因子Eh和压降惩罚因子Pf描述了在相同工况条件下内螺纹管相对于光滑管的换热强化和压降损失能力。四个广泛应用的内螺纹管内凝结换热关联式的预测值与实验值进行了对比分析,修正了Cavallini等人[71]的换热关联式,新关联式的预测值与实验值的偏差范围为±15%。根据实验获得的压降数据,修正了Haraguchi等人[79]的摩阻压降关联式,新关联式的预测值与实验值的偏差范围为±25%。

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