R245fa水平内螺纹管内流动沸腾特性的实验与模拟研究

摘要

作为新一代中高温制冷剂，R245fa(五氟丙烷)具有良好的环保特性和热物理性能，在低品位余热驱动的有机朗肯循环发电系统中得到了广泛的应用。管壳式蒸发器是有机朗肯循环的关键部件，其管内沸腾换热特性与流动阻力将直接影响系统的不可逆损失和发电效率。为此，本文搭建了制冷剂沸腾换热与阻力特性实验装置，研究了R245fa在不同工况下的传热性能与摩擦压降，为高效蒸发器的设计与优化提供理论基础，具有一定的工程应用价值。
　　本文采用实验测量与数值模拟方法，研究不同参数对水平内螺纹管内R245fa流动沸腾特性的影响规律。论文的主要工作和结论如下：
　　1）设计并搭建了R245fa流动沸腾换热性能和阻力特性的实验平台。该平台主要由制冷剂回路、冷却水回路、电加热部分、数据采集部分等四部分组成。在此基础上，本文还介绍了了实验参数的测量与数据处理方法。
　　2）研究了R245fa在7mm水平内螺纹管内的流动沸腾换热特性，获得了2100组换热系数数据。分析了干度、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，确定了适于R245fa内螺纹管内沸腾换热关联式。实验表明：沸腾换热系数随质量流速的增加而大幅增加；随饱和温度和热流密度的增加而降低；随着干度的增加，沸腾换热系数先增加后减小；在四种常用的关联式中， Kandlikar关联式对R245fa沸腾换热系数的预测精度最高，预测值与91.6％的实验值偏差在±25%以内，预测的相对误差和绝对误差分别是为4.7%和11.2%。
　　3）研究了R245fa在7mm水平内螺纹管内的流动沸腾摩擦压降特性，获得了260余组摩擦压降数据。分析了质量流速、热流密度及饱和温度等参数对摩擦压降的影响，并确定了适于R245fa内螺纹管内摩擦压降的关联式。在实验工况下，摩擦压降随质量流速和热流密度的增加而增加，随饱和温度的升高而降低；在四种常用压降关联式中，Muller-steinhagen-heck关联式对R245fa摩擦压降值预的测最为准确，预测值与84.1%的实验值偏差在±20%以内，预测的相对误差为9.36%。
　　4）采用Fluent软件，对R245fa在内螺纹管和光滑管内的沸腾换热和流动阻力进行数值模拟。相比光滑管，内螺纹管内的沸腾换热系数和摩擦压降值分别提升23.4%和19.8%，综合传热性能提升约17%。

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主要符号对照表

第1章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 水平光滑管沸腾换热与阻力特性的研究

1.3 水平内螺纹管的沸腾换热与阻力特性研究

1.4 管内流动沸腾的数值模拟

1.5 本文的主要工作

第2章 制冷剂流动沸腾换热与阻力特性实验系统

2.1 实验系统

2.2 预热段与实验段的设计

2.3 实验参数测量

2.4 实验数据处理

2.5 实验流程

2.6 本章小结

第3章 R245fa内螺纹管内沸腾换热与阻力特性的实验研究

3.1 沸腾换热系数的实验结果和分析

3.2 R245fa内螺纹管内流动沸腾换热的预测

3.3 摩擦压降的实验结果和分析

3.4 R245fa内螺纹管内摩擦压降的预测

3.5 本章小结

第4章 R245fa内螺纹管内沸腾换热与阻力特性的数值模拟

4.1 数值方法

4.2 内螺纹管模拟结果分析

4.3 光滑管的模拟结果和内螺纹管的实验结果对比

4.4 内螺纹管强化换热技术评价

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 主要工作与结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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