CO2/R32混合工质管内流动沸腾换热特性研究

作     者：李瑞捷 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘忠彦

授予年度：2024年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：CO2 R32 混合工质 换热特性 

摘      要：R32具有换热性能突出、价格低廉、产能充足等优点,而CO2与R32混合组成的混合工质在传热沸腾的循环有两方面的优势;一方面,可以平衡纯CO2作为制冷剂的系统中压力过大的缺点,使系统更加安全;另一方面R32的混合可以让换热器和换热流体之间实现更加有效的匹配,进一步提高系统效率。 在研究混合工质换热特性的过程中,首先,搭建了混合工质两相流动换热实验台,得到了实验的相关数据;其次,在Ansys中建立了CO2/R32混合工质流动沸腾换热的模拟模型,最后,分别分析了实验数据和模拟数据中的影响因素;在流动沸腾换热过程中,CO2/R32混合工质主要研究的浓度配比分别为90/10、75/25、50/50、25/75,然而混合工质在流动的过程中主要研究影响换热系数的三种因素,分别是质量流量、热流密度、饱和温度;得到主要结论如下: 在实验数据中,当质量流量的增加时,总体传热系数会呈上升的趋势,需要注意的是,传热系数随着干度增加也会减小,质量流量越高传热系数减小的速率则会越大;加大热流密度会增强传热过程;从而导致壁面温度显著增加,还会导致初始干度产生明显延后的现象,在流体较低的干度时,热流密度变化对传热系数的影响是比较强的,与此相反,在流体干度较大的区域,热流密度对传热系数的影响程度相对减小,显示出较为微弱的关联性;换热系数的变化还会随着饱和温度的减小而增大,整个趋势是换热系数下降的趋势,在较高的饱和温度下,混合工质越容易出现干涸区,从而促进壁面干涸,恶化对流传热。 在数值模拟中,质量流速从100kg/（m2s）增加到400kg/（m2s）,总体传热系数会呈上升的趋势,在低质量干度条件下,质量流量的增加导致干湿点逐渐减小,进而提前干涸。这是因为增大的质量流量会带走大量液滴,同时促使核态沸腾加速变化为对流沸腾;热流密度从30k W/m2分别增加到50k W/m2和60k W/m2时,传热系数分别平均增大了5.15%和6.7%,可见热流密度的升高对该沸腾传热系数有促进的影响;当饱和温度从268K升高到288K时,会逐渐靠近CO2/R32混合工质的临界温度,此时在临界点附近,混合工质的热物性发生变化,随着饱和温度的提高,CO2/R32液气密度比和粘度比下降,导致壁面上的液膜不稳定,从而换热系数减小。 CO2/R32的混合工质在管道内的传热系数模拟值随干度变化的趋势与实验出的数据趋势几乎一样,实验值和模拟值与D-B模型关联式误差分别在10%和25%以内,而实验值与模拟值之间的误差在20%以内,这种偏差仍被视为可接受的范围,说明本文提出的CO2/R32混合工质管内沸腾传热模型得到的数据是可以接受的,具有较高的准确性。