非均匀热流下水平管内R245fa流动沸腾特性的实验与模拟研究

发布时间：2020-04-03 09:19

【摘要】：太阳能是一种可再生能源,具有环保、可持续的优势,是应对能源短缺和气候变化的重要选择之一。采用有机工质的槽式直膨系统以太阳辐射为热源,产生的气体可直接进入有机朗肯循环做功,热功转化效率较高,且规模较小,运行温度压力较低,集热效率更高,适用于分布式能源系统,目前相关研究较少,技术可行性有待验证。为此,建立实验台,研究非均匀热流下R245fa的沸腾传热性能,可为有机工质槽式直膨系统的应用提供参考,具有一定的工程应用价值。采用实验研究和数值模拟相结合的方法,研究了非均匀热流下R245fa在水平圆管内的流动沸腾特性,主要工作和结论如下:1、设计并建立非均匀热流下R245fa流动沸腾换热实验台,主要由预热段、实验测试段、冷凝段和工质泵等四分组成,实验试验段内径为29 mm,实验工况为质量流速80~160 kg/(m~2·s)、热流密度8~14 kW/m~2、饱和温度55~75℃、干度0~0.35。2、通过实验数据分析,研究干度、质量流速、热流密度及饱和温度等参数对沸腾换热系数的影响,将实验结果和四种常用两相换热关联式的计算结果进行对比,开发新的实验关联式。结果表明:1)在周向非均匀热流和低干度条件下,分层流区域内R245fa的换热系数随干度的增大而减小;2)沸腾换热主要受气泡作用的影响,质量流速的变化对R245fa换热系数几乎没有影响;3)较高的热流密度容易形成更多的汽化核心,核态沸腾得到显著增强;4)随着饱和温度的增加,生成气泡所需壁面过热度下降,两相换热系数随之增加;5)现有关联式对实验数据的预测普遍偏小;6)利用实验数据开发了新的换热系数关联式,对于95.4%的数据预测偏差在±20%以内,对所有实验数据的平均预测偏差为-4.56%,绝对平均偏差为8.84%。3、根据实验工况,采用数值模拟软件Fluent对非均匀热流下R245fa在水平管内的流动沸腾换热进行研究。模拟结果显示,气泡运动破坏了非均匀热流在流体内部产生的二次流,强化了流动换热。现有多相流模型Lee模型没有考虑非均匀热流对气泡产生的增强作用,有必要完善现有源项,尤其是在低干度的区域内。
【图文】：

示意图,实验系统,实验段

实验系统的可靠性分析。实验系统及设计实验原理为使有机工质能在管道中在设定工况下流入、在设定加热量下相变，整个验系统由预热段、非均匀加热实验段、冷却部件、动力部件四个主要部分组成其中非均匀加热实验段为核心。图 2-1 和图 2-2 分别是实验系统示意图和实验统实物图。工质循环流动过程如下：流体先在预热段中受热升温，通过外部加量的控制，使流体以接近饱和的状态进入非均匀实验段，在实验段中受到壁面非均匀加热进入两相状态，流出实验段后经过节流降压，进入冷凝器被冷凝成冷液，经过工质泵的加压进入下一轮循环。实验主要测量的参数包括实验段流进出口温度和压力、进口体积流量和管壁温度，，通过对数据的分析，可以得到体饱和温度、质量流速和热流密度对两相换热系数和管壁温度分布的影响，从得到非均匀热流对有机工质两相流动换热过程的影响。

实验台,实物,预热段

图 2-2 实验台实物图Figure 2-2 Picture of experiment platform预热段热段的作用是将流体的温度加热到实验设定的温度，使得流体以接进入实验段。为此，预热段选择铜管外缠绕金属加热丝的设计，通的两端电压来控制管壁的加热量。预热段选用内径为 29 mm，外导热系数和加工性能较好的紫铜管，总长为 2.5 m，由于实验台长被分成了等长的两段。预热段的设计最大加热量为 7 kW，为此在等长地缠绕了 6 段镍铬加热丝，镍铬丝直径为 0.5mm，每米电阻段加热丝的电阻在 42 Ω 左右。保证金属丝和紫铜管的绝缘，先用手持式电动磨砂机将紫铜管的外，然后缠上有粘性的聚酰亚胺耐高温绝缘胶带，这样金属丝通过绝给铜管加热，只要高温胶带不破裂，它就能起到绝缘的作用，在测
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

【参考文献】