HFC245fa水平管束外冷凝换热及其强化的试验研究

摘要

能源与环境问题是当今世界各国面临的重大社会问题。我国形势尤为严峻，能源短缺，能源利用率低，能耗高，CO2和SO2排放量居世界各国前列。随着城市化进程和经济发展速度的加快，我国将长期面临能源供应和环境保护的巨大压力，热泵技术是利用低品位的余热、废热及自然能源(水、地热和土壤)等来满足民用和工业对较低品位能量需求的先进技术，对减少化石燃料消耗、提高能源的利用效率，解决我国当前面临的节能环保问题具有重要的意义。
　　壳管式冷凝器是热泵机组的核心部件。三维表面强化管在壳管式冷凝器中的使用可极大的增强壳管式换热器的换热性能，取得显著的紧凑性效果。高效能壳管式冷凝器的自主开发设计需要工质在管外的冷凝换热特性参数。目前热泵系统冷凝器设计研究中缺乏新型热泵工质在水平管外的冷凝换热特性的试验参数，尤其缺乏新型工质在水平管束上的冷凝换热特性的试验参数。为此，本文改进了工质冷凝换热试验台，试验研究了HFC245fa在光管与三维强化管管外的冷凝换热性能，为高效能壳管式冷凝器的自主开发设计及高温热泵机组的开发提供大量基础的冷凝换热数据。本文主要完成了以下工作。
　　1.总结并分析了前人在工质冷凝换热与强化领域的理论与试验研究成果，指出该领域当前面临的主要问题，提出本文的主要研究目标。
　　2.改进了原有高温工质冷凝换热试验台。
　　3.试验研究了HFC245fa在水平布置的光管与Turbo-CSL高效换热管管束上的冷凝换热特性，并根据试验结果分析了单管与管束上冷凝换热的主要影响因素。
　　4.分析了强化表面上冷凝换热强化机理，提出强化因子与其计算表达式，建立了强化表面上工质冷凝换热理论模型。
　　5.提出了强化管束外冷凝换热的方法，试验验证了冷凝管导液器对管束冷凝换热的强化效果。
　　最后是结论与展望。总结了本文的主要研究结果，指出了管外冷凝换热需要研究和发展的方向。

目录

HFC245fa水平管束外冷凝换热及其强化的试验研究

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ONCONDENSATION HEAT TRANSFERAND ITS ENHANCEMENT OF HFC245faOUTSIDE HORIZONTAL TUBEBUNDLEs

摘要

Abstract

符号表

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 高温工质研究进展与选择

1.2.1 工质选择与性能分析

1.2.2 试验用高温工质的确定

1.3 冷凝换热试验研究现状与进展

1.3.1 光管管外冷凝换热试验研究

1.3.2 低肋管管外冷凝换热试验研究

1.3.3 强化管管外冷凝换热试验研究

1.4 管外冷凝换热理论研究进展

1.4.1 光管单管外冷凝换热理论研究

1.4.2 低肋管单管外冷凝换热理论研究

1.4.3 强化管单管外冷凝换热理论研究

1.4.4 水平管束间冷凝换热理论研究

1.5 本文的研究目的与主要工作

1.5.1 研究目的

1.5.2 主要工作

第2章 HFC245fa冷凝换热试验原理

2.1 冷凝换热试验原理

2.1.1 冷凝换热现象与理论

2.1.2 试验原理方程

2.1.3 试验测试参数

2.2 原试验系统校核分析

2.2.1 试验工况设置

2.2.2 冷却水流量校核分析

2.2.3 电加热器功率校核分析

2.2.4 有效工质循环量校核分析

2.2.5 系统承压能力校核分析

2.3 原试验系统误差分析

2.3.1 误差分析基本原理

2.3.2 误差分配方案

2.3.3 冷凝换热试验误差计算方程的建立

2.3.4 冷凝换热系数相对误差实例分析

2.4 本章小结

第3章 原试验系统的改进

3.1 原试验系统及其主要装置介绍

3.1.1 试验系统

3.1.2 主要试验装置

3.2 工质循环系统改进

3.2.1 蒸气发生装置改造

3.2.2 试验段的改造

3.3 冷却水流量分配与测试装置改进

3.3.1 流量分配均匀性对试验精度的影响

3.3.2 流量分配方式的改造

3.3.3 流量测试系统的改造

3.3.4 改造后流量分配与测试装置的性能分析

3.4 温度测试装置的选择与测试方法的改进

3.4.1 试验系统对温度测试精度的要求

3.4.2 温度测试装置的选择

3.4.3 温度测试方法的改进

3.5 改造后试验系统的组建

3.5.1 试验设备的组装与测点布置

3.5.2 试验前的准备工作

3.5.3 试验操作

3.6 本章小结

第4章 HFC245fa 水平管外冷凝换热试验

4.1 试验管材的确定

4.1.1 光管结构特性参数

4.1.2 Turbo-CSL 高效换热管结构特性参数

4.2 试验工况设置

4.2.1 光管试验工况设置

4.2.2 强化管试验工况设置

4.3 光管外冷凝换热特性试验结果分析

4.3.1 单管试验结果分析

4.3.2 管束试验结果分析

4.4 Turbo-CSL管外冷凝换热试验结果分析

4.4.1 单管试验结果分析

4.4.2 管束冷凝换热结果分析

4.5 光管与Turbo-CSL管试验结果对比分析

4.6 试验结果的理论分析

4.6.1 强化换热面外冷凝换热强化机理分析

4.6.2 强化表面上的冷凝换热模型

4.7 本章小结

第5章 水平管束外冷凝换热强化试验研究

5.1 高比热流下管外冷凝换热强化方法

5.1.1 不同比热流下强化管的表面特征

5.1.2 利用导流板强化管外冷凝换热

5.2 管束外冷凝换热强化方法

5.2.1 冷凝管导液器的构想

5.2.2 导液槽在试验管束中的实现

5.3 管束外冷凝换热强化试验结果分析

5.3.1 光管管束外对比试验结果分析

5.3.2 强化管管束外对比试验结果预测分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录1

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢