非共沸混合工质池沸腾成核及换热机理研究

发布时间：2020-08-17 13:04

【摘要】：混合工质在低温制冷、天然气液化、气体分离等领域有广泛的应用。与纯工质相比,混合工质核态沸腾的换热性能会大幅降低。因此,探寻混合工质沸腾换热的衰减机制、获得混合工质沸腾换热的特性规律,对换热器的优化设计、混合工质表面换热技术的强化、混合工质制冷循环的设计均有重要的意义。本文从混合工质的成核过程,沸腾时的气核密度,气泡成长过程和沸腾换热系数等方面研究了混合工质沸腾的换热机理和换热特性。首先,本文基于相变时吉布斯自由能的改变分析了非共沸混合工质的非均相成核过程,得到了混合物沸腾时的临界半径,有效能的改变量,起始沸腾过热度和热流密度的解析解。计算结果表明,在相同的过热度下,随着高沸点组分的增加,混合工质的起始沸腾热流密度先增加后减小,且混合物沸腾时的临界半径和最大可用能改变均大于对应的纯工质。因此,在混合工质中形成气泡需要克服更大的能量壁垒。为了验证计算结果,本文对R22、R124及R22/R124混合物的起始沸腾过热度和热流密度进行了实验研究。结果表明,随着R124浓度上升,混合物的起始沸腾过热度和热流密度先增加后减小。且实验与计算结果较好吻合,大部分实验数据的误差为+20%~-40%。混合工质沸腾时气核密度减少是其沸腾换热系数下降的一个主要原因。本研究从气泡形成概率的角度出发,使用涨落理论解释了混合工质沸腾时气核密度衰减的现象。本文首先提出支持浓度涨落假设的证据,然后通过计算低沸点组分在局部区域中变化时系统的熵变,得到了发生浓度涨落的概率和混合工质沸腾时气泡密度的衰减率。另外,本研究还测试了丙烷,异丁烷和丙烷/异丁烷,R134a/R22混合物在透明石英管中沸腾时的气核密度,发现纯工质沸腾时的气核密度随壁面过热度的增加而线性增加,混合工质在相同壁面过热度下沸腾时的气核密度均小于对应的纯工质。而且,实验获得的混合工质沸腾时相对纯工质的气核衰减率与根据浓度涨落理论计算结果较好吻合。气泡成长速度的衰减也是混合工质沸腾换热系数下降的主要另一个主要原因。为了研究混合工质沸腾时传质阻力的影响和气泡成长速度的衰减率,本文建立了相关的实验系统,对单个气泡分别在R134a、R142b、异丁烷和不同浓度R134a/R142b混合物中的成长过程进行了实验研究。通过对比实验衰减因子与根据文献中已有模型计算出的衰减因子,发现已有的模型都低估了传质阻力的影响。在重新考虑传质阻力的影响之后,本研究提出了一个适用于混合工质气泡成长的衰减因子计算模型,误差在+30%~-30%之间。最后,本文对R22,R124和不同浓度R22/R124混合物在压力为0.7~0.85 MPa,热流密度为10000~100000 W/m~2下的池沸腾换热系数进行了实验研究。通过对比已有的纯工质和混合工质传热关联式的计算结果与本文的实验结果,发现其计算结果的准确性均欠佳。因此,本文根据实验结果拟合了新的混合工质池沸腾传热关联式,其平均绝对误差为12.69%,平均相对误差为0.32%。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124
【图文】：

气泡,过热液体,化学势,博士学位论文

气泡受力另外，从化学式变化的角度出发，在过热液体中形成气泡前后化学势的变化如公

化学势,气泡,液体温度,半径

图 1-2 气泡半径与液体温度和化学势的关系式(1-4)，化学势变化量与气泡半径的关系如图 1-2 所示。图中同液体温度，且 Ts<Tl,1<Tl,2，其中 Ts对应液体的饱和温度。如温度下，化学势的变化量随气泡半径的增大而先增加后减小；气泡半径 rc越小，化学势的变化量的最大值越小，发生沸腾所小，液体越容易发生沸腾。自发的过程中，系统的化学势总是往小的方向进行。当气泡半临界半径时（r<rc），气泡将自行消失，而当气泡半径大于临界半径过热液体中继续成长[1]。当Δ 达到最大值时，临界半径 rc的表达体中形成气泡所要做的功（成核临界功）Δ 如式(1-6)所示。 =2 ( )42

示意图,池沸腾,换热实验,示意图

第二章混合工质沸腾换热机理实验系统研究混合工质沸腾换热机理，本论文建立了一套实验系统。实验系统按同可分为两套子系统：（1）起始沸腾及池沸腾换热实验系统；（2）气核长实验系统。下面将对此进行详细介绍：验系统及设备起始沸腾及池沸腾换热实验系统研究纯工质及其混合物的起始沸腾条件和池沸腾时的换热系数，本文建2-1 所示的实验系统。此系统由低温恒温槽、沸腾容器、盘管换热器、可陶瓷加热器、加热铜柱、摄像机、光源和数据采集系统组成。这些部件用：

【参考文献】