非共沸混合物在微通道水平单管内流动沸腾特性
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摘 要
本课题的主要目的是通过实验方法，研究不同比例非共沸混合工质
R32/R134a 在微尺度通道范围内的流动沸腾特性，主要进行以下几个方面的工作：
1. 选择合适的热力学状态方程，对低沸点工质的热力性质及迁移特性进行计算。
2. 对低沸点工质在水平微尺度圆管内的强制对流沸腾换热进行实验研究，主要内
容有：
(1).混合工质 R32/R134a 的质量比分别为：15% (R32)：85% (R134a)；25%
(R32)：75% (R134a)；35% (R32)：65% (R134a)，研究混合工质不同比例下组分对
换热效果的影响。
(2).设计及制作实验器件：不锈钢管（D=0.86mm）。在实验台上进行不同质
量流量 G，不同热流密度 q和不同干度 x下的流动沸腾换热实验。研究各工况参
数对微通道内流动换热的影响。
(3) .研究三种比例混合物的壁面温度变化特性和压降特性。
3. CFD 模拟三维管道内水的流动换热，考虑微尺度流动中重力等因素的影响，
探讨商用软件 CFD 在微通道领域内应用的可行性。
通过上述实验研究，本文得到了以下结论：（1）三种比例混合物的换热系数
在较低质量流量较低热流密度下的变化都较不明显，但是都呈现增加趋势，在大
热流密度和大质量流量时，变化都比较复杂，且三种比例下变化趋势不尽相同。
同时对比三种比例混合物的换热效果得出：比例为 35%/65%时的混合物制冷剂，
同等条件下的换热系数值最大，在三种比例换热效果总体最佳。（2）对三种比例
混合物来说，其换热系数随干度的变化关系的共同点是随干度呈波形变化，在较
低干度下换热效果较好，而到了大干度时换热系数有下降趋势。（3）壁面温度变
化特性上，沿程壁面温度呈波动变化，这可能是在入口很近处，流体就开始不断
气化，换热效果不断增强，随着气态热阻增加，换热系数减小，最后在接近出口
处，由于压力降低，汽化效果增强，干度增加，核态沸腾加剧从而强化换热，使
壁面温度又开始下降。（4）同质量流量下随热流密度增大，微通道内流体压降增
加；同热流密度下随质量流量增加，微通道流体压降也增加。混合物比例为
35%/65%时相同情况下相对压降最小，25%/75%混合物压降次之，15%/85%的混
合物在同种情况下压降最大。
关键词： 微尺度 水平单管 流动沸腾 换热系数
ABSTRACT
The main purpose of this topic is to research the characteristics of flowing boiling
in horizontal single micro-tube with non-azeotropic mixture R32 / R134a at different
mass ratios through the experiment method. The following aspects are main works:
1. Choose the appropriate thermodynamic state equation to calculate the thermal
properties and migration characteristic of the low boiling point refrigerants.
2. Research the performances of heat transfer and pressure drop for flow boiling in a
microtube by experiment, the main contents are:
(1). The mass ratios of mixture are: 15%(R32):85%(R134a); 25%
(R32):75%(R134a); 35% (R32):65% (R134a). Study the influence on heat transfer
efficient under different mixing ratio.
(2). Design and develop experimental device: stainless steel pipe (D=0.86mm).
Do the experiment under different mass flow G, heat flux qand different dryness xfor
flow boiling heat transfer.
(3). Study wall temperature variation characteristic and pressure drop
characteristic of the refrigerant mixture for three mass ratio.
3. Simulate flow boiling heat transfer through proper model by CFD with water
considering gravity factor. Discuss the availability of using CFD in micro scale field.
Through the above experimental research, this paper gives the following conclusions:
(1) .The influence of mass ratio on heat transfer of these three mixtures under lower
mass flow and lower heat flux are not obvious, but the increasing trend is found. The
changes are more complex in high heat flux and high mass flow, and these three ratio’s
changing trends are not the same. Meanwhile, comparing the heat transfer of these
three type mixture proportion, there are conclusions: for ratio 35%/65%, under the
same conditions, the heat transfer coefficient is maximum, and it has best heat transfer
result. (2). For these three kinds of mixture, the same proportions for heat transfer
coefficient changing with dryness is a waveform change, and heat transfer affection is
better in lower dryness, worse in high dryness (3).For the changes on wall temperature,
fluctuate change along wall of the tube appears. That should be near the entrance of the
tube, the fluid begin vaporizing, which strengthen the heat transfer efficient. As the gas
state thermal resistance becomes high, the heat transfer efficient becomes worse. At
last near the end of the tube, the effects of the vaporizing become strengthen. The wall
temperature becomes lower because of the dropping pressure and the rising dryness,
and enhancing nuclear boiling. (4). Under the same mass flow, with the increase of
heat flux, the pressure drop increase; under the same heat flux, with the increase of
mass flow, the pressure drop increase, too. Under the same conditions, the pressure
drop for mass ratio 35%/75% is less than that of 25%/75%. The mixture with mass
ratio 15%/85% has the highest pressure drop.
Key words: micro-scale, horizontal single microtube, flow boiling,
heat transfer coefficient
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 前言 ......................................................... 1
§1.2 微尺度概念的解释 ............................................. 2
§1.3 微通道流动换热研究综述 ....................................... 2
§1.4 未来研究展望 ................................................. 7
§1.5 本课题的研究内容 ............................................. 7
第二章 R32/R134A 在水平微通道单管内流动沸腾实验 ...................... 9
§2.1 实验目的和内容 ............................................... 9
§2.2 实验方案 ..................................................... 9
§2.2.1 实验台介绍 ................................................ 9
§2.2.2 实验段及测量方法介绍 ..................................... 10
§2.3 测量原理介绍 ................................................ 12
§2.4 实验步骤 .................................................... 13
§2.5 实验工况 .................................................... 14
§2.6 实验数据 .................................................... 14
§2.6.1 混合工质物性的计算 ...................................... 14
§2.6.2 实验数据的采集 .......................................... 18
§2.7 热平衡实验 .................................................. 20
§2.8 不确定度分析 ................................................ 20
§2.9 本章小节 .................................................... 24
第三章 实验结果与讨论 ............................................... 25
§3.1 概述 ........................................................ 25
§3.2 工况参数对流动沸腾换热系数的影响 ............................ 25
§3.2.1 热流密度对换热系数的影响 ................................ 25
§3.2.2 质量流量对换热系数的影响 ................................ 30
§3.2.3 质量干度对换热系数的影响 ................................ 32
§3.2.4 壁面温度特性 ............................................ 35
§3.2.5 组分对换热系数的影响 .................................... 42
§3.2.6 压降特性 ................................................ 45
§3.3 本章结论 .................................................... 48
第四章 微通道数值模拟研究 ........................................... 51
§4.1 概述 ........................................................ 51
§4.2 模型介绍 .................................................... 53
§4.3 求解方法 .................................................... 54
§4.4 数据处理及分析 .............................................. 54
§4.4.1 速度 .................................................... 55
§4.4.2 湍动能 .................................................. 56
§4.4.3 压力 .................................................... 57
§4.4.4 温度 .................................................... 58
§4.4.5 换热系数变化 ............................................ 60
§4.5 本章小结 .................................................... 62
第五章 结 论 ........................................................ 63
§ 5.1 主要工作内容 ............................................... 63
§ 5.2 主要结论 ................................................... 63
§ 5.3 存在的不足和建议 ........................................... 65
附录 1：符号表 ...................................................... 66
参考文献 ............................................................ 67
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 71
致 谢 ............................................................... 72
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 前言
相变是自然界中最普遍的现象之一，它是指工质在固、液、气三相或其中两
相之间的转换，伴随有潜热的吸收或释放,相变传热和单相传热最重要的区别在于
能量转换可以发生在均匀的温度条件下[1]。时至今日，人类对相变现象进行了长
达几十年的研究，从微观的角度看，相变是由于与工质相接触的边界条件改变后，
引起分子间距的变化，而导致分子间势能及时均动能的变化，从宏观的角度看，
发生了能量的转化[2]。理论上，分子动力学方法可以在无任何假设的条件下解决
相变问题，遗憾的是目前计算机所能处理的分子个数太有限了，同时也由于描述
分子间势能方程方面的困难，使得分子动力学在真正揭示相变现象时受到很大的
限制，因而相变问题大多依赖于实验[3]。
随着制冷工业的发展，逐渐采用了小直径的毛细管。这种管径的尺寸一般在
3mm 左右，随着空间、信息及生物等高技术的发展，紧凑式蒸发器的研制得到了
广泛的重视。除此之外，微尺度相变技术已被成功地应用于生物芯片的微泵、
MEMS 等。随着航天、信息、生物等高技术的发展，微尺度热物理问题得到了更
广泛的重视，但是作为高效的能量转换方法，微尺度相变传热的研究并不成熟。
微尺度通道内的传热问题最早是在 80 年代高密度微电子器件冷却的工程背
景下提出来的。微细尺度传热现象和过程，因其潜在的学科发展意义和鲜明强烈
的应用背景，成为当今传热传质学研究发展的热点之一[4]。微尺度槽道为微米和
纳米量级，换热面的面体积比非常高。小尺度槽道为毫米量级，也具有比较高的
面体积比。小尺度范围内的槽道换热器同样具有体积小、质量轻、传热效率高的
特点，并且在工业应用上也比较容易，便于开发多种抗腐蚀耐高温材料；制造比
较简单，大部分产品只需传统加工技术，可工业化批量生产；小尺度槽道可以从
200μm 到几毫米，对介质的清洁度要求不算高，可适用于不同流体。小尺度槽道
换热器对压头的要求不甚高，又能带走较高的热量，因此，在不同的工业领域有
广泛的应用前景。
但目前对于微细尺度换热器的研究，暂无可靠的设计规范和最优化方法．要
设计出散热效果最佳、适于批量生产的小尺度换热器来解决散热问题，还需要对
其流动换热的机理及如何增强传热进行研究。
已经有实验证明微小通道内的换热系数比常规管道要大很多，除了比表面积
大的原因应该还有更主要的因素在作用，初步认为微尺度管内的流动沸腾换热规
律应与常规管道的有所不同。如果可以通过试验得出微尺度通道内的换热规律并
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2025-01-09 6
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：75 页
大小：7.46MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
