泡沫金属内制冷剂润滑油混合物沸腾传热与两相流动特性

摘要

泡沫金属是一种新兴的多孔介质材料，具有孔隙率高、比表面积大和空间结构复杂等特点，将其填充于换热管内有望提高制冷剂的流动沸腾换热性能。在实际的制冷系统中，压缩机中的润滑油不可避免的随制冷剂流入蒸发器，对制冷剂的流动沸腾换热和压降特性产生影响。针对泡沫金属内制冷剂润滑油混合物沸腾传热与两相流动特性进行研究，并提出相应的定量描述方法，对于将泡沫金属应用于实际的制冷系统具有重要价值。
　　制冷系统实际运行中热流密度低于临界热流密度，核态池沸腾是沸腾传热的基本形式，因此首先需要了解泡沫金属和润滑油对制冷剂核态池沸腾换热的影响规律。两相流流型是制冷剂在管内流动沸腾换热的重要影响因素，因此需要了解填充泡沫金属圆管内制冷剂两相流流型及流型间的转化规律。在此基础上，了解泡沫金属圆管内制冷剂润滑油混合物流动沸腾换热与压降特性，以评价泡沫金属对蒸发器性能的影响。因此，本文的研究内容包括制冷剂润滑油混合物在覆盖泡沫金属加热表面上的核态池沸腾换热特性、在填充泡沫金属圆管内的两相流流型以及流动沸腾换热和压降特性。取得了以下几方面的成果：
　　1）得到了泡沫金属和润滑油对制冷剂核态池沸腾换热特性的影响规律，并建立了换热系数计算关联式。泡沫金属的存在极大强化了制冷剂的核态池沸腾换热，本文实验工况下换热系数较平加热面最大提高440％；在泡沫金属的结构参数中，PPI（每英尺孔的数量）对制冷剂的核态池沸腾换热的强化起主要影响，PPI越大，泡沫金属的比表面积越大，润湿面积也越大，强化换热的效果也越明显，但另一方面，PPI越大，泡沫金属的孔径越小，对气泡生长的抑制作用也越强，对泡沫金属强化传热的抑制作用也越严重；随着泡沫金属厚度的增加，制冷剂核态池沸腾换热系数增大，且增幅随厚度逐渐减小。润滑油的存在恶化制冷剂在覆盖泡沫金属加热表面上的核态池沸腾换热，本文实验工况下换热系数较纯制冷剂最多降低90%；泡沫金属的PPI越大，润滑油对换热的恶化越明显。所建立的换热关联式可以准确反应泡沫金属结构和润滑油浓度对制冷剂核态池沸腾换热的影响，覆盖的工况范围包括：泡沫金属孔隙率90%～98%、PPI10～20、厚度5～10mm、润滑油浓度0～40%。
　　2）得到填充泡沫金属圆管内制冷剂主要的几种两相流流型并建立流型图。通过可视化实验观测到泡沫金属圆管内制冷剂两相流流型主要有弹状流、塞状流和环状流。三种流型随干度增大依次出现，且环状流在填充更高PPI的泡沫金属圆管中发生的起始干度更低。泡沫金属的存在促进了管内环状流的形成，相比于无泡沫金属的光滑圆管，填充泡沫金属的圆管内环状流在更低的质流密度和更低的干度下形成。在对填充泡沫金属圆管内两相流流型的实验结果的基础上，建立了填充泡沫金属圆管内的两相流流型图及流型间的转化准则，并与已有的填充泡沫金属圆管内的流型图进行了对比分析。
　　3）得到了泡沫金属和润滑油对制冷剂管内流动沸腾换热特性的影响规律，并建立了换热预测关联式。泡沫金属的存在极大增强了制冷剂流动沸腾换热，本文工况下换热系数较无泡沫金属的光滑管最多提高220%；在泡沫金属的结构参数中，PPI对制冷剂流动沸腾换热的强化起主要影响，PPI越大，泡沫金属提供的换热面积越大，其强化换热的效果越明显；泡沫金属强化传热的效果随着制冷剂质流密度的增大而减弱。在低干度工况下，润滑油的存在强化制冷剂在填充泡沫金属的圆管内流动沸腾换热，换热系数最多提高47%；在高干度工况下，润滑油的存在恶化制冷剂在填充泡沫金属的圆管内流动沸腾换热，换热系数最多降低30%；润滑油强化与恶化换热的转折点随制冷剂质流密度的增大向更低的干度移动。
　　4）得到了泡沫金属和润滑油对制冷剂管内两相流动压降特性的影响规律，并建立了压降预测关联式。泡沫金属的存在极大增加了制冷剂在圆管内的两相流动压降，压降较光滑管提高2个数量级；填充泡沫金属圆管内制冷剂的两相压降随质流密度或者干度的增大单调递增；在泡沫金属的结构参数中，PPI对制冷剂两相流动的压降起主要影响，PPI增大一倍，压降增大约30%。润滑油的混入增大了制冷剂在填充泡沫金属圆管内的两相流动压降，压降随油浓度的增加而增大，较纯制冷剂最大提高15%；润滑油对压降的影响随着质流密度或者干度的增加而减弱。

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第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 相关领域研究现状

1.3 本文的研究内容与技术路线

第二章 实验装置与方法

2.1 泡沫金属加热面含油制冷剂核态池沸腾实验装置与方法

2.2 泡沫金属圆管内含油制冷剂流动沸腾实验装置与方法

2.3 小结

第三章 泡沫金属加热表面上制冷剂润滑油混合物核态池沸腾换热特性

3.1 低油浓度下泡沫金属加热面制冷剂油混合物池沸腾换热特性

3.2 高油浓度下泡沫金属加热面制冷剂-油池沸腾换热特性

3.3 泡沫金属加热面制冷剂油核态池沸腾换热关联式

3.4 小结

第四章 填充泡沫金属圆管内的两相流流型

4.1 7.9 mm内径泡沫金属圆管内两相流流型的可视化研究

4.2 13.8 mm与23.4 mm内径泡沫金属圆管内的两相流流型

4.3 填充泡沫金属圆管内的流型图

4.4 小结

第五章 泡沫金属圆管内制冷剂流动沸腾换热特性及润滑油的影响

5.1 纯制冷剂在泡沫金属管内流动沸腾换热特性及关联式开发

5.2 润滑油对泡沫金属管内制冷剂流动沸腾换热特性的影响

5.3 小结

第六章 泡沫金属圆管内制冷剂两相流动压降特性及润滑油的影响

6.1 纯制冷剂在泡沫金属管内的两相压降特性

6.2 润滑油对制冷剂在泡沫金属管内两相流动压降特性的影响

6.3 小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录1:R410A-油混合物的物性计算公式

致谢

攻读博士学位期间已发表录用的论文