纵荡对板翅式换热器通道内液化天然气流动沸腾换热特性的影响分析

海上纵荡工况下,板翅式换热器通道内两相流体相变流动特性会发生变化,从而影响换热器性能。为了明确纵荡对换热特性的影响机理,建立了纵荡工况下板翅式换热器通道内两相流动沸腾换热性能预测模型。首先对板翅式换热器内流型变化和传热传质机理进行分析,建立了陆基非晃荡工况下的流动与传热过程的数值模型;然后将纵荡加速度模型嵌入模型中,从而实现晃荡工况下换热特性的模拟;通过陆基工况下的实验数据对模型进行了验证。基于建立的模型,分析了不同干度下纵荡幅度和纵荡频率对传热性能的影响。结果显示：纵荡幅度增大,传热系数增大;纵荡频率提高,传热系数降低;随着干度的增大,纵荡对换热的影响逐渐由恶化变为加强;在0.2～0.8干度之间,纵荡对传热系数的影响因子范围为87.9%～110.0%;晃荡对传热系数时均值影响随工况不同而变化,最大恶化5.0%,最大强化2.0%。     

运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响

为了明确运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响,开展了丙烷介质在壳侧的流动沸腾换热实验研究。干度0.2～1.0,热通量4～10 kW·m^-2,质流密度40～80 kg·（m²·s）^-1。实验结果表明：随着干度增加,传热系数先增大再减小,在干度0.8～0.9工况下达到最大值;随着热通量增大,传热系数在干度小于0.8的工况下逐渐增大,但是在干度大于0.8的工况下却逐渐减小;随着质流密度的增加,传热系数在低热通量工况下呈增加趋势,而在高热通量工况下呈现出非单调变化。     

微小菱形离散肋通道中R134a的冷凝换热实验研究

建立了采用空气射流冲击冷却方法的冷凝换热实验系统,对R134a在铝质微小菱形离散肋通道中的冷凝换热特性进行了实验研究。实验工况范围为制冷剂干度0~1、饱和压力0.50~1.50 MPa、制冷剂质量流率160~380 kg/(m²·s)、热通量10.1~59.8 kW/m²。实验获得了不同工况下的通道局部冷凝传热系数,分析了干度、饱和压力、质量流率以及热通量对冷凝换热的影响规律。实验结果表明：局部冷凝传热系数随干度、质量流率和局部热通量的减小而减小,随饱和压力的降低而增大,其中在干度x>0.4的区域内质量流率对于冷凝传热系数的影响效果更为明显。基于实验数据,提出了一个适用于本实验中微小菱形离散肋通道的冷凝换热计算公式。     

微细通道内CO2沸腾换热与干涸特性

CO₂作为一种天然制冷剂在微通道内应用具有很大的换热优势,然而由于微尺度效应及其物性,在低干度区容易发生干涸,严重影响换热效果。为研究微细通道内CO₂流动沸腾换热与干涸特性,搭建了相应实验装置,对内径分别为1mm、2mm、3mm以及内表面粗糙度为16μm的不锈钢管,在CO₂制冷剂热流密度2~34kW/m²、质量流率50~1350kg/(m²·s)、饱和温度-10~15℃下进行换热性能与干涸实验对比研究。结果表明:常规管径换热特性在微细通道内不再适用;热流密度的增加对于强化核态沸腾换热具有显著影响,高于临界热流密度(critical heat flux,CHF)则发生干涸;质量流率对于核态沸腾区换热系数的影响则较小;不同饱和温度时换热特性有所不同,高饱和温度下换热系数随其升高而提高,低饱和温度下则相反;干涸过程对总换热系数的影响占34%。研究结论为CO₂微通道换热器的研究开发提供理论依据。     

水平管内R245fa/R141b沸腾换热特性的实验研究

针对新型混合工质R245fa/R141b,开展水平光滑管(外径10 mm)内工质沸腾换热特性的实验研究,对比纯工质与混合工质的换热性能及4种常用关联式的预测精度。结果表明：纯工质与混合工质的沸腾传热系数均随质量流速和热通量的增加而增大,随饱和压力的增加而减小;随干度的增加,沸腾传热系数均先增大后减小,即存在“过渡干度”,且混合工质的过渡干度大于纯工质;干度小于0.55时,混合工质传热系数小于纯工质;干度大于0.55后,混合工质的传热系数更高;随R245fa质量分数的增加,混合工质的沸腾传热系数增大。在所选关联式中,Gungor-Winterton关联式能准确地预测工质在光滑管内的沸腾换热特性,平均相对误差为16.67%。     

CO2-C2H6共沸物分离的立方型状态方程选取

汽液平衡热力学模型的准确选取对CO₂-C₂H₆共沸物分离流程的设计和操作分析至关重要。在汽液平衡实验数据的基础上,依据逸度平衡原则,评估vdW、RK、SRK和PR立方型状态方程结合vdW、Margles和CVD混合规则预测CO₂纯物质、CO₂-C₂H₆共沸物和n-C₅H₁₂-CO₂-C₂H₆三元体系汽液平衡的可靠性,采用平均绝对误差的方法进行状态方程的选取。结果表明：SRK状态方程计算CO₂纯物质汽液平衡性质的精度最高;PR状态方程结合Margles混合规则可以准确计算CO₂-C₂H₆共沸体系汽液平衡特性;对于n-C₅H₁₂-CO₂-C₂H₆三元体系,SRK状态方程结合Margles混合规则计算精度明显优于vdW、RK和PR状态方程。通过试差迭代法优化CO₂-C₂H₆共沸体系和n-C₅H₁₂-CO₂-C₂H₆三元体系的二元交互作用参数,状态方程的计算精度得到明显提高。     

水平圆管内R1234yf流动冷凝传热特性研究

为了将低GWP制冷剂应用于客车空调,对R1234yf在5 mm水平光滑管内的流动冷凝传热特性进行了实验研究。实验研究工况为饱和温度30℃和40℃,平均干度0.1—0.96,质量流速100—600 kg/(m²·s)。研究结果表明：R1234yf管内传热系数在低质量流速[<200 kg/(m²·s)]下受干度和流速的影响不明显,随着流速的增大逐渐依赖蒸汽流速和干度,这表明管内主要传热机制由受温差较大影响的自然对流过渡至受流速影响较大的强制对流,引入了等效雷诺数Re_eq来划分这2种传热机制。饱和温度为30℃时,相同工况下R1234yf传热系数比R134a低3.7%—14.3%。对Cavallini和Bashar 2种关联式预测的传热系数与实验值进行了对比,Bashar关联式表现出较好的预测效果,平均绝对偏差为14%。     

纳米制冷剂管内流动沸腾换热特性

研究了CuO-R113纳米制冷剂在水平直光管内的流动沸腾换热特性。实验测试段长度1.5 m、外径9.52 mm。实验工况的质量流率为100～200 kg&#8226;m^-2&#8226;s^-1,热通量为3.08～6.16 kW&#8226;m^-2, 入口干度为0.2～0.7,纳米颗粒质量分数为0～0.5%。结果表明：CuO-R113纳米制冷剂的传热系数高于纯R113制冷剂的传热系数。纳米颗粒的加入,强化了制冷剂管内流动沸腾换热。质量流率为100、150、200 kg&#8226;m^-2&#8226;s^-1的情况下,传热系数分别最大提高了29.7%、22.7%、25.6%。     

三维双侧强化管内R410A蒸发换热特性

研究R410A制冷剂在新研发的内径为11.07 mm的三维双侧强化管内的蒸发换热特性,并与相同直径的光管内蒸发换热特性进行了对比。实验段测试管长2 m,制冷剂质量流速范围为70～150 kg/（m²·s）,饱和温度维持在10 ℃,干度变化范围为0.1～0.9。分析了低质量流速低干度和低质量流速高干度区域内光管和强化管内传热特性。光管实验结果同4个蒸发关联式进行比较,结果表明关联式的预估值与95.48%的光管实验数据吻合误差在±20%以内。     

纳米石墨冷冻机油对R600a流动沸腾换热的影响

搭建了纳米冷冻机油/制冷剂水平光管内流动沸腾换热测试实验台,研究了石墨/R600a纳米制冷剂在水平直光管内流动沸腾换热特性,分析了纳米石墨对含油制冷剂流动沸腾换热的影响。实验测试段为总长2.5 m、外径9.52 mm、内径8 mm、壁厚0.76 mm的紫铜管。在质量流速为150、200、250、300 kg·m^-2·s^-1下,分别测量纯R600a、含油R600a、不同质量分数(0.05%、0.1%、0.2%)纳米石墨冷冻机油和R600a混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数随干度的变化趋势。实验结果表明:纳米石墨的添加增强了含油制冷剂的流动沸腾换热。实验获得了基于石墨的含油纳米制冷剂流动沸腾换热关联式,关联式的预测值与94.5%的实验数据偏差在±15%以内。     

高热通量水平管外池沸腾传热

在制冷空调的满液式蒸发器中,制冷剂在壳侧沸腾蒸发,管内为水的单相对流传热。实验研究了高热通量下R134a在一根光管和一根强化管（No.1）外的池沸腾传热,并将光管实验结果和Cooper公式进行了比较。在不同的饱和温度下,热通量10～250 kW·m^-2的范围内,研究了R134a在光管和强化管外的沸腾传热系数随热通量的变化关系。光管和强化管外径分别为15.93 mm 和 25.36 mm。通过研究发现,在热通量10～250 kW·m^-2的范围内,光管的池沸腾传热系数和Cooper公式符合较好,偏差小于±15%。在双对数坐标下传热系数和热通量实验结果拟合直线斜率为0.67。在较高热通量,即热通量大于250 kW·m^-2时,光管的传热系数相对Cooper公式偏差开始增大。对于高效管,在小于40 kW·m^-2热通量下的传热效果最好。强化管的强化倍率随热通量增加一直减小,在较高热通量250 kW·m^-2下,强化管的传热系数和光管相同,甚至比光管小。     

微尺度通道内R134a的冷凝传热实验研究

建立采用射流冲击进行制冷剂冷却的冷凝传热实验系统,对当量直径为0.63 mm矩形微尺度通道内制冷剂R134a的冷凝传热特性进行研究。实验参数范围是制冷剂干度0~1,质量流率115~290 kg/(m²·s）,饱和压力0.35~0.5 MPa,实验获得了不同工况下微尺度通道的局部冷凝传热系数,并分析了制冷剂各参数对冷凝传热的影响。实验结果表明：冷凝过程中沿制冷剂流动方向,局部冷凝传热系数会随着干度减小而减小;在一定饱和压力下,局部冷凝传热系数与局部热通量相对应;冷凝传热系数随着饱和压力减小而增大。基于实验数据,整理出适用于本实验工况下微尺度通道内R134a的冷凝传热计算公式。     

错流旋转填料床的质、热同传性能及传热机理研究

为了研究错流旋转填料床的质、热同传性能,采用热空气-氨水体系,考察了进气温度T、超重力因子β、液体喷淋密度q和气速u对错流旋转填料床传热性能的影响,在相同实验条件下对比了丝网填料和乱堆填料的传热性能。研究结果表明：气相体积传质系数k_ya_e、体积传热系数(Ua)_s随进气温度、超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热效率ε、传热面积A随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热系数K随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大几乎不变,从而揭示了错流旋转填料床强化气液直接传热的机理是通过提高传热面积进而提高体积传热系数,而不是显著提高传热系数。在相同条件下,以丝网为填料时k_ya_e和(Ua)_s分别是乱堆填料的1.09~1.63倍和1.24~3.53倍。     

混合工质R447A在水平管内的流动沸腾换热特性

R447A是一种三元非共沸混合工质,已成为高温室效应工质R410A潜在的替代品之一。本文通过研究R447A在内径为10.6mm的水平光滑管内的流动沸腾传热特性,获得了R447A在水平光滑管内的流动沸腾传热数据以及传热现象,并分析了不同因素对R447A传热效果的影响。实验条件为：热流密度5~20kW/m²,质量流速100~300kg/(m²·s),蒸发温度5~25℃。实验结果表明：R447A的传热系数在0.8~4kW/(m²·K)之间。同时对R410A进行了相同工况下传热系数测试,发现热流密度对R410A传热系数的影响要大于对R447A的影响,而干度和质量流速则对R447A的传热影响更为显著。本文基于实验数据及实验现象发展了一种分干度区预测传热系数的新模型,新模型对R447A换热系数预测的平均偏差为+6.21%,绝对偏差为+12.96%。此研究结果可为这种工质的换热器设计提供帮助。     

两种波纹深度板片传热及阻力特性的对比实验研究

通过实验的方式和对比的方法对两种不同波纹深度板片组成的可拆板式换热器的传热及阻力特性进行研究,每种深度板片组成的板式换热器采用硬板63°/63°、软板29°/29°和混合板63°/29°三种波纹角度组合,此实验采用水/水换热,设置了两种工况,一种是冷热两侧等流速,另一种是固定热侧流速,计算两种工况下传热系数和压降的数值,描绘出对应的曲线。实验证明相同波纹夹角板片组合,该浅密波纹板片的传热系数均高于普通波纹板片,平均高于140 W/(m²·K),即传热系数平均提高1.9%,在混合板中两者传热系数的差别在300 W/(m²·K)以上,提高达4.8%,阻力的变化趋势与传热系数相同。推导出每组设备适用于一定Reynolds数范围的Nusselt数方程和摩擦系数方程,与已有研究成果对比分析,证明了该实验的正确性,同时也揭示这两种波纹板片的传热和阻力性能有优化的余地,为进一步的研究指明了方向。该实验也表明,除深度外的几何尺寸和结构均相同的两种波纹板片,虽然外形接近,但对应的Nusselt数和摩擦系数关系式却不相同,而且差别很大。     

R404A在水平内螺纹管中的冷凝传热研究

经过实验与理论对比,研究了R404A在外径9.52 mm内螺纹管内局部平均冷凝换热系数。采用Cavallini纯工质与混合工质关联式分别计算的冷凝换热系数,最大偏差不到4%。在工程计算R404A内螺纹管内冷凝换热系数时,可将其以纯质来对待。分析比较Cavallini,Yu-Koyama和Kaushink-Azer关联式,各自的理论预测值和实验结果相比,表明Cavallini关联式的预测精度最高,其标准偏差为7.76%。因此Cavallini关联式对于R404A在管内的冷凝换热预测有较好的适用性。研究结果对R404A冷凝器的工程设计及其优化具有一定的参考意义。     

热泵空调翅片管换热器流路优化研究进展

换热器的性能提升对制冷与热泵系统能效的提升具有重大影响,其中翅片管换热器的流路优化由于无需额外的成本、易于操作,是换热器性能提升的重要研究方向。本文总结了国内外学者对翅片管换热器流路的优化方法和评价指标。主要方法有基于空气侧风速分布的优化以及制冷剂侧流量的优化,基于管路结构的优化（包括管径、管路分合点、可变流路）,基于微元换热最大化的优化,基于不可逆损失最小的?分析、熵产最小化、热阻平衡法以及遗传算法的优化。总结得出可变流路可以同时满足蒸发器与冷凝器的最佳流路,是冷暖两用制冷与热泵系统流路优化的最佳选择;此外,热阻平衡法可以同时优化蒸发器与冷凝器的流路,是当前适用性较好的优化方法。评价指标中等泵功率下换热量的大小与热阻平衡是较为通用的评价指标。基于上述分析,针对翅片管换热器的优化方法以及评价指标提出了展望与建议。     

一种新型连续螺旋折流板管壳式汽车空调回热器

带有气-液回热器的空调制冷系统已经被广泛使用,对相同几何尺寸的传统管壳式汽车空调回热器和新型连续螺旋折流板式回热器进行对比性的数值模拟研究。结果表明：以制冷剂R404A为工质,在相同质量流量下,回热器整体换热量提高32.2%,总传热系数提高41.7%;壳侧为制冷剂液体,壳侧平均传热系数提高3.5倍,同时壳侧压损也提高11倍;管侧为制冷剂气体,管侧平均传热系数和压损几乎不变。换热器整体回热效率从0.21提高到0.29,提高了38.1%。