圆管内超临界CO_2的阻力特性

对超临界二氧化碳在圆管内流动时的压降和摩擦系数进行了实验研究。实验段长为2000 mm,内径为10mm。该实验压力范围为8～16MPa,质量流量范围为1000～1525kg·m~(-2)·s-1,内壁热通量范围为96.5～283.2kW·m~(-2)。得到了不同工况下竖直圆管内流动阻力的变化规律,分析了压力、质量流速、主流焓值和热通量对圆管内摩擦阻力的影响。实验结果表明摩擦压降随着质量流量和压力的增加而显著增加,特别是当主流焓值超过拟临界焓值后,其增加的速度变得更加剧烈,同时发现热通量对摩擦压降的影响较小。对于预测常物性摩擦因子的经验关联式并不能预测超临界CO_2的摩擦因子。因此提出了一个新的经验关联式,其实验数据在±20%误差范围内占83.31%。     

泡沫金属对圆管内R410A流动沸腾压降特性的影响

对填充泡沫金属的圆管中R410A流动沸腾的两相流压降特性进行了实验研究。实验对象为两根内径13.8 mm,分别填充5 PPI/95%孔隙率和10 PPI/95%孔隙率的泡沫铜的圆管。实验工况涵盖:蒸发压力995 kPa;质流密度30~90 kg·m^-2·s^-1;热通量5.9~16.5 kW·m^-2;入口干度0.175~0.775。实验结果表明:泡沫金属显著增加制冷剂流动沸腾的压降,在入口干度为0.775,质流密度为90 kg·m^-2·s^-1时,内嵌10 PPI 泡沫金属的圆管中的压降梯度达56 kPa·m^-1;泡沫金属PPI越大,压降增加越多,相同工况下内嵌10 PPI泡沫金属圆管中制冷剂流动沸腾的压降是内嵌5 PPI泡沫金属圆管中的压降的1.2倍左右。根据实验数据开发了适用于填充泡沫金属的内径13.8 mm圆管中的流动沸腾的压降关联式,结果表明90%的预测值与实验值的偏差在±15%以内。     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

0.5 MPa下液化天然气在竖直圆管中饱和流动沸腾传热

建立了一套实验装置用于对8 mm内径圆管内的液化天然气流动沸腾传热特性进行实验研究。测试压力为0.5 MPa,液化天然气质量流量为50～200 kg·m^-2·s^-1,热通量为8.0～36.0 kW·m^-2。主要研究了热通量、质量流量和干度等影响因素对传热的影响。发现质量流量对传热有重大影响,液化天然气管内流动沸腾传热系数一般随质量流量的增加而增大。而热通量对传热的影响主要体现在低干度范围内,且在质量流量较小时更为明显。而当干度小于0.5～0.6时,传热系数一般随干度的增加而增大。但当干度大于0.6时,传热系数随干度的增加显著下降。将实验结果与4种现存的混合物流动沸腾传热关联式进行比较,结果表明Zou等提出的计算关联式与实验结果最接近,计算误差约为30.2%。     

超临界CO2/R41小通道内的换热特性

对R41和混合工质CO₂/R41 (20.5/79.5)、CO₂/R41(51.4/48.6)在直径为2 mm的水平光滑圆管中的超临界冷却流动换热特性进行了实验研究。质量流速范围为400～800 kg·m^-2·s^-1,压力为6.0～8.0 MPa,热通量为12～48 kW·m^-2,流体温度为20～80℃。3种工质的对流传热系数的极值随CO₂含量的增加而增大,在相同条件下R41的传热系数小于CO₂/R41的传热系数。混合物的超临界传热系数变化规律与纯R41相同。实验条件下,3种流体的传热系数在2～25 kW·m^-2·K^-1之间,压力的影响显著,越接近临界压力对应压力条件下的传热系数极值越高。在远离准临界点的区域传热系数随热通量变化不明显,而在准临界点附近对流传热系数的极值随热通量的增加而小幅减小。将实验结果与经验关联式计算结果进行了比较,有4个关联式的预测效果较好,误差均在±30%以内,预测误差随CO₂含量的增加而下降。     

水平微细管内CO2流动沸腾压降特性

对CO₂在内径1.5 mm水平微细管内流动沸腾换热摩擦压降特性进行了实验研究。实验工况：热通量（7.5～30 kW·m^-2）、质量流率（300～600 kg·m^-2·s^-1）、饱和温度（-40～0℃）。实验结果表明：热通量的增加对摩擦压降影响很小,几乎为零;质量流率是影响摩擦压降的最主要因素;随着饱和温度的升高摩擦压降减小;干度对摩擦压降影响主要由管内流型变化导致。将实测摩擦压降变化趋势绘制于CO₂流态图中,比较发现理论预测摩擦压降最大值落在环状流末端区域。实验过程中对各个工况管内流态进行可视化研究,理论分析所采用的流态形式与实际CO₂在微细通道内所具有的流态类型基本一致。     

超临界压力水在垂直上升内螺纹管中的传热特性

在压力22.5～30 MPa,质量流速430～1200 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷284～719 kW·m^-2范围内,对超临界压力水在均匀加热垂直上升内螺纹管内的传热特性进行了实验研究,得到了内螺纹管内超临界压力水的传热特性,分析了压力、热负荷和质量流速变化对内螺纹管壁温及传热系数的影响,探讨了拟临界区的传热机理,并给出了能用于工程实际的传热实验关联式。实验结果表明：垂直上升内螺纹管中超临界水具有良好的传热特性。在低焓值区内螺纹管壁温随焓增平缓增加,而在高焓值区壁温随焓增的升高明显。由于热物性的剧烈变化,超临界水在拟临界焓值区发生了明显的传热强化。压力与热负荷的增大以及质量流速的减小均会导致内螺纹管壁温的升高和传热系数的减小,使得传热强化现象削弱,甚至出现传热恶化。     

高温高压水在垂直下降管内的传热特性

在压力11.5~28 MPa,质量流速450~1550 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷50~585 kW·m^-2的范围内,对水在垂直下降管内的传热特性进行了实验研究,得到了垂直下降管内水的传热特性,分析了热负荷对内壁温度和传热系数的影响,给出了能用于工程实际的传热实验关联式,并且对垂直下降流动和垂直上升流动的传热特性进行了比较。实验结果表明:在亚临界和近临界压力区,垂直下降管会发生第一类传热恶化--膜态沸腾和第二类传热恶化--干涸。热负荷的增大,会导致传热恶化的提前发生和传热恶化发生后的壁温飞升值增大。在超临界压力区,壁温在低焓值区随焓值平缓增加,而在高焓值区随焓值明显升高,表明在拟临界点附近发生了传热强化现象。     

立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点特性

在系统压力P=412～850 kPa,过冷度△T_sub=4.7～15.0℃,热通量q"=0.11～10.90 kW·m^-2,质量流量G=147.5～443.7 kg·m^-2·s^-1的条件下,对立式和卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾起始点特性进行了实验研究。研究结果表明：当实验系统参数相同时,立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的热通量基本相同,但是立式螺旋管内过冷沸腾起始点壁面过热度小于卧式螺旋管;过冷沸腾起始点的热通量、壁面过热度随着过冷度和质量流量的增大而增大,但随着压力、螺旋直径的增大而减小。通过无量纲分析对实验数据进行非线性拟合,发展了适用于螺旋管过冷沸腾起始点的关联式。     

新型制冷剂R1234ze(E)水平圆管内流动沸腾换热特性

新型制冷剂R1234ze(E)(trans-1,3,3,3-tetrafluoropropene)因较低的GWP值备受制冷行业关注,有望替代R134a。在内径为8mm水平圆管内对R1234ze(E)流动沸腾换热特性进行实验研究,并在相应实验工况下与R134a进行对比。本研究的实验工况:流动沸腾换热的饱和温度为10℃±0.5℃,热通量为5.0和10kW·m^-2,质流密度范围为300~500kg·m^-2·s^-1。分析质流密度、热通量以及干度对R1234ze(E)和R134a饱和流动沸腾传热系数的影响。结果表明,R1234ze(E)和R134a的流动沸腾传热系数随质流密度和热通量的增大而增大;在低质流密度300kg·m^-2·s^-1工况下,R1234ze(E)传热系数较R134a偏低14.68%左右,但随质流密度增大到500kg·m^-2·s^-1,其偏差缩小为7.35%。最后将实验结果同4种常见预估关联式进行比较,结果表明Kandlikar关联式计算结果较优,全工况范围内Kandlikar关联式对R1234ze(E)和R134a的预估值与90%的实验数据偏差在±25%以内,平均偏差分别为23.13%和11.50%,满足工程设计要求。     

垂直上升内螺纹管内流动沸腾传热特性

在压力9～22 MPa,质量流速450～2000 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷200～700 kW·m^-2的参数范围内,试验研究了用于1000 MW超超临界锅炉φ28.6 mm×5.8 mm垂直上升内螺纹水冷壁管内汽水流动沸腾传热。研究表明：内螺纹管内壁螺纹的漩流作用可抑制偏离核态沸腾（DNB）传热恶化,内螺纹管在高干度区发生蒸干型（DO）传热恶化。增大质量流速可推迟壁温飞升,壁温飞升幅度随质量流速增大而降低。热负荷越大管壁温越高,随热负荷增大管壁壁温飞升提前,且传热恶化后壁温飞升值增大。随着压力增加,壁温飞升发生干度值减小。内螺纹管汽水流动沸腾传热系数呈π形分布,传热系数峰值出现在汽水沸腾区。文中还给出了亚临界压力区内螺纹管单相区和汽水沸腾区的传热系数试验关联式。     

水平微细管内CO2流动沸腾换热特性

对CO₂在水平微细管内流动沸腾换热进行了实验研究。实验工况：饱和温度-40～0℃,热通量5～35 kW·m^-2,质量流率200～1500 kg·m^-2·s^-1,管径1.5 mm。实验结果表明：热通量增加对于强化核态沸腾换热具有显著影响,同时加快干涸发展进程,降低干涸起始干度;质量流率对于传热系数的影响较小,随着质量流率的增加干涸起始干度降低,干涸后的传热系数有所增加;饱和温度对CO₂物性的影响是造成其不同工况时换热特性差异的主要原因,饱和温度升高干涸起始干度具有降低的趋势,且干涸后传热系数下降更为剧烈。通过与理论预测模型的对比研究：Cheng模型对干涸前具有较高的预测精度,在30%误差带内预测精度达到77.1%,绝对平均偏差为20.5%,干涸后对应预测精度比与绝对平均偏差仅为22.9%与57.8%。     

微细通道中R32流动沸腾换热的数值模拟

利用VOF多相流模型对R32在1、2 mm水平光管内流动沸腾换热进行了二维非稳态数值模拟。模拟的工况为：质量流速100 kg·m²·s^-1,热通量12 kW·m^-2,饱和温度15℃。模拟结果显示：2 mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、弹状流;1 mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、受限泡状流、弹状流。利用模拟所得气相体积分数分布、温度分布,分析了R32管内流动沸腾过程中的基本规律和气泡运动特点,以及管径对流动沸腾换热过程流型的影响。利用数值模拟结果与实验结果进行对比,显示较好的一致性。     

填充泡沫铜圆管内R32单相流动换热

在泡沫金属纤维两端布置电极,采用电加热方法,实验测量了填充泡沫金属的管内R32流体和泡沫金属纤维的温度分布,得到了泡沫纤维与流体之间的对流传热系数。实验条件为：实验段管径5 mm,泡沫铜孔隙率0.95,孔隙密度15、45 PPI,流体温度280~325 K,热通量1~18 kW·m^-2,质量流速20~200 kg·m^-2·s^-1。实验及模拟结果表明：泡沫纤维与单相R32的对流传热系数随Re、泡沫铜的孔隙密度的增大而增大。基于流体外掠光滑圆管换热实验数据的Zukauskas经验关联式的预测值与泡沫金属纤维和R32流体之间的对流传热系数的实测值偏差为-35%~-67%,即该关联式不适用于泡沫金属纤维与流体之间的对流传热系数的预测。     

低质量流速下超临界CO2在管内冷却换热特性

开展了低质量流速下超临界CO₂在水平直管内冷却过程的换热特性的实验研究。实验压力为p=7.5~9.0 MPa,质量流速为G=79.6~358.1 kg·m^-2·s^-1,流体温度为25.0~50.0℃。分析了质量流速、压力、流体温度对换热的影响,并引入Richardson数阐述浮升力对超临界CO₂在水平直管内冷却换热影响。实验结果表明: 传热系数随着质量流速的增加而增大。传热系数峰值点随压力的升高向高温区偏移。当质量流速较小时,传热系数峰值点出现在准临界温度之前,且浮升力作用加大,流体处于混合对流状态。将传热系数的实验值和已有的换热关联式计算值作对比后发现在低质量流速下误差较大,拟合了低质量流速工况的超临界CO₂在水平直管内冷却换热的关联式,94%的实验值和拟合关联式误差在±20%范围内。