液态R134a工质热能-压力波转换及其对传热影响机理研究

发布时间：2020-04-02 01:03

【摘要】：近年,本课题组发现在一定热力学状态下,液态工质将吸收的热量转换为压力波,称为热压转换效应现象,提出“基于热压转换效应的强化传热技术”。热压转换效应本质上是利用工质的内能与机械功耦合作用,达到高强度传热的目的。然而,热压转换效应的机理尚未完全揭示,未能实现热压转换效应的定量描述。本文首先以实验数据为基础,分析热压转换过程的影响因素并计算出理论转化效率;接着提出压力波热压转换效应强化传热模型,通过理论推导验证内能向压力波的转换过程;最后通过数值模拟方法分析了热压转换效应对强化热量传递的影响及规律。由于现有文献在温度293K~313K、压强1.1MPa~1.5MPa范围内的R134a工质无相关热物性参数的方程,需进行精确的拟合计算。首先通过结构加和法和Chueh-Prausnitz压缩液体方程得到液态R134a密度关于温度和压强的拟合方程,进而得到等温压缩系数以及等膨胀系数的拟合方程;接着通过焓的方程得到比热容的拟合方程。以此,为后续理论推导奠定基础。在压缩流体R134a中,流体的密度变化引起流体压力的变化,从而产生压力波。本文通过对能量项泰勒级数展开,得出单位体积流体压力波携带的能量与流体中压力波传播速度和压力波振幅有关。根据波数方程,含气率在51%左右时均相流声速最小;根据循环方程和状态方程,充液率趋近100%时,压力波振幅最大。根据实验数据理论计算出热量转化成压力波最大效率为2.43%。由此,可以证明热压转换效应不能产生足够的压力波来传输工质的内能,由此预测压力波在热压转换效应中是起强化换热作用。本文提出压力波强化传热理论模型:初始工质单元在压力波作用下处于压缩态,对周围放热;半个周期后压力波的相位产生变化,工质单元又处于膨胀态,工质单元对周围吸热。如此进行吸放热循环达到传热的目的。根据理论模型,计算出每个循环周期内,单位换热量传递最多需要消耗0.52%压力波的机械功,验证热压转换效应过程能够产生足够的压力波起到强化传热作用,对实际传热现象解释合理。本文建立一维密闭模型,左边界施加脉冲热源,仿真模拟研究不同条件下热压转换效应对传热影响。模拟出左边界的温度、压力;计算出工质的动能、内能变化量、压缩功及各自占比;换算出工质R134a在热压转换效应下的换热系数。研究得出不同长度模型的传热特性相似;加热功率越大,压缩功占比越大,压力波的压缩功对传热的占比增加;加热时间越长振幅的衰减系数越大。换热过程主要通过微对流换热方式,传热系数为50000 W·m~(-2)·K~(-1)左右。热压转换效率越高,传热系数越大。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124

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本文编号：2611217