可燃性制冷剂微缝泄漏的理论与实验研究

作     者：李泽田 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈光明;郭智恺

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：制冷剂 泄漏 可燃性 数值模拟 微缝 

摘      要：为缓解氢氟烃类(HFCs)等制冷剂造成的温室效应,行业内寻求低全球变暖潜值(GWP,global worming potential)的制冷剂,该类制冷剂一般具有可燃性(例如R290)或微可燃性(例如R32),在推广使用之前需要对泄漏问题进行细致研究。蚁巢腐蚀是导致制冷剂泄漏的常见原因,在铜管表面腐蚀形成的微缝难以被察觉,目前关于制冷剂微缝泄漏方面的研究不够充分,给业内评定制冷剂泄漏危险级别造成了困难。为此,本文开展了新一代具备低温室效应但具有可燃性的制冷剂的微缝泄漏机理研究。本文调研了以蚁巢腐蚀为主的铜管泄漏腐蚀机理,工质在微通道下的流动特性,以及计算泄漏率的小孔公式模型;搭建了测量制冷剂气相和液相泄漏速率的实验台;加工了缝宽度(COD,crack of displacement)44～221μm的轴向和环向微缝,开展了R32和R290的微缝泄漏实验;基于剪切应力运输模型(k-ωSST model)建立了制冷剂气相微缝泄漏的数学模型,基于体积分数两相流模型(VOF model)建立了制冷剂液相微缝泄漏的数学模型;模拟得到了缝出口处的速度、压力和温度场变化情况,通过模拟结果与实验测量值的对比,验证了数值模拟的准确性;通过模拟分析了无量纲数(长径比、孔径比和雷诺数)过热度以及COD对泄漏速率的影响,并拟合得到了流量系数的修正计算公式以及微缝泄漏速率的计算经验式。本文的主要结果如下:(1)测量得到了COD=44～221μm微缝在经过轴向和环向微缝模块的气相和液相泄漏速率;(2)对于COD=44～221μm微缝,基于k-ωSST模型和真实物性的数值模拟所得气相泄漏速率与实测值的平均相对偏差为3.3%;(3)对于COD=44～68μm微缝,基于VOF两相流模型的数值模拟所得到液相泄漏速率与实测值的相对偏差为9.4%;(4)对于COD=10～50μm微缝,在针对不同制冷剂进行流量系数修正后,小孔公式计算所得泄漏速率与模拟结果的平均偏差减小了5.46%。