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。     

R290在水平光滑管内的沸腾换热

对内径为4、6 mm水平光滑铜管内R290的沸腾换热特性进行了实验研究,分析了质流密度、热通量、饱和温度、管径对沸腾传热系数以及临界干度的影响,选择5种适用于R290的水平光滑管内沸腾换热关联式,对实验工况下R290的沸腾传热系数进行预测,并与实验值对比。结果表明,管径越小、质流密度越大,或者饱和温度越高,则沸腾传热系数越大;在干度逐渐增大的过程中,沸腾传热系数随热通量的增大先增大后减小。热通量、管径相比质流密度、饱和温度对临界干度的影响更明显,且热通量越大,临界干度越小;管径越小,临界干度越大。5种关联式中,Fang关联式的预测能力最佳。     

R290在水平光滑管内的沸腾换热

对内径为4、6 mm水平光滑铜管内R290的沸腾换热特性进行了实验研究,分析了质流密度、热通量、饱和温度、管径对沸腾传热系数以及临界干度的影响,选择5种适用于R290的水平光滑管内沸腾换热关联式,对实验工况下R290的沸腾传热系数进行预测,并与实验值对比。结果表明,管径越小、质流密度越大,或者饱和温度越高,则沸腾传热系数越大;在干度逐渐增大的过程中,沸腾传热系数随热通量的增大先增大后减小。热通量、管径相比质流密度、饱和温度对临界干度的影响更明显,且热通量越大,临界干度越小;管径越小,临界干度越大。5种关联式中,Fang关联式的预测能力最佳。     

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8 mm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10 k W·m-2,质流密度范围为300~500 kg·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300 kg·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500 kg·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。     

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。     

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。     

R152a/R1234ze(E)在小管径内的流动沸腾传热特性

为制冷工质应用于家用空调的蒸发器优化设计提供依据,在质流密度100—300 kg/(m~2·s)、热流密度10—20 kW/m~2、饱和温度287.15—291.15 K、平均干度0.1—0.9的实验条件下,研究近共沸混合工质R152a/R1234ze(E)(质量比为3∶2)在水平光滑管(内径4 mm)内的沸腾传热特性。分析上述实验条件对该混合工质的沸腾传热系数和临界干度的影响。结果表明:沸腾传热系数随质流密度、热流密度、饱和温度的增加而增大,而随平均干度的增加呈现先增大后减小的变化趋势;此外,临界干度随质流密度的增加而增大,随热流密度的增大而减小。并用4种经典沸腾传热关联式预测了该混合工质的沸腾传热系数,对比实验结果发现Fang等和Choi等的预测精度较高,其平均绝对误差分别为10.63%和24.39%。     

R1234ze(E)在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性

泡沫金属具有超大比表面积和高热导率,将其填充于换热管内可用于制冷空调系统的强化传热。研究了R1234ze(E) 在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性。实验工况为：干度0.1~0.9,质流密度90~180 kg·m^-2?s^-1,热通量12.4~18.6 kW·m^-2。测试样件为泡沫铜填充管,孔密度为10~40 PPI、孔隙率为90%~95%。实验结果表明,R1234ze(E) 比R410A的传热系数低2%~10%,两相压降低30%~42%;当干度大于0.8时,低质流密度下泡沫金属管内传热系数随干度的增加增幅更大;泡沫金属在强化流动沸腾换热的同时,造成压降显著增加,换热影响因子的范围为1.23~2.90,压降影响因子的范围为6~45。开发了适用于R1234ze(E) 的泡沫金属管内流动沸腾换热和压降关联式,传热系数和两相压降的预测值与95%的实验值误差分别在±15%和±25%以内。     

含油R32管内流动沸腾换热特性测试及关联式开发

R32作为低温室效应制冷剂得到广泛应用,空调器中循环的介质是制冷剂与润滑油的混合物,掌握R32-润滑油混合物的流动沸腾特性是R32空调器优化设计的关键。本文的目的是参照空调器实际运行工况,测试R32-润滑油混合物的管内流动沸腾换热特性,开发传热系数关联式。新搭建了具有防爆功能的R32-润滑油混合物管内换热性能测试台,采用换热管为7 mm铜管,测试的质流密度200~400 kg/(m²·s)、干度0.2~0.7、油浓度0~5%。实验结果表明,R32-润滑油混合物管内流动沸腾传热系数随质流密度的增大而增大;在中低干度下传热系数随油浓度的增大而增大,在高干度下随油浓度增大先增大后减小并于3%油浓度处取得最大值。基于混合物物性与流型开发了传热系数关联式,预测值与85%的实验数据的误差在±20%内。     

水平微细管内CO_2流动沸腾换热特性

对CO_2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 k W·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CO_2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%。     

R410A-油混合物在7 mm强化管内流动沸腾的换热特性

实验研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在强化管内的流动沸腾换热特性,探索了质流密度、干度和平均油浓度对换热特性的影响。实验测试管为内螺纹强化管,长度为2000 mm、外径为7.0 mm。实验结果表明,纯制冷剂R410A的传热系数随干度的增大先增大后减小,峰值出现在干度为0.7～0.8左右;对于R410A-油混合物,在干度小于0.5的工况下,油的存在增强换热,在干度大于0.6的高干度情况下,传热系数随平均油浓度和干度的增大迅速降低。基于混合物性开发了R410A-油混合物在7 mm强化管内流动沸腾的换热关联式,新的关联式预测值与89%的实验数据的误差在±30%以内,平均误差为17.3%。     

R290在小管径水平微肋管内凝结换热实验研究

实验研究水平微肋管内R290的两相流凝结换热特性,在内径为4.3 mm,长度为900 mm的铜管内,测得R290在质流密度180—300 kg/(m~2·s)、饱和温度40—55℃、热流密度3—10 kW/m~2以及干度0.9—0.1范围内的凝结换热系数;分析了质流密度、饱和温度、热流密度以及干度对R290凝结换热性能的影响。结果发现:凝结换热系数随质流密度、热流密度的增大而增加,随饱和温度的升高而减小;随着R290的凝结液化,干度减小,其凝结换热系数也随之减小,仅在热流密度过大时出现先增后减现象。并分别采用4种经典的凝结换热关联式预测R290的凝结换热系数,对比实验结果得出Chang等和Yu等的预测精度比较高。     

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10~250kW·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10~250kW·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250kW·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40kW·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250kW·m~(-2)下,强化管的传热系数和光管相同,甚至比光管小。     

紧凑通道内CO_2/润滑油混合物沸腾换热特性研究

为了测试润滑油对二氧化碳流动沸腾换热特性的影响,对外径6 mm、内径4 mm紧凑通道内的CO_2/润滑油混合物的换热进行实验研究。实验工况为质量流量2.74～5.61 kg·h~(-1),饱和温度-4～8℃,热通量3.2～5kW·m~(-2),油浓度0～6%。结果表明:润滑油浓度越大,CO_2的局部传热系数越小;含1.5%油浓度相对于无油工况下平均传热系数下降了约42.4%;传热系数随热通量、饱和温度的升高而增加,干涸后随着质量流量的增加传热系数增加;干涸随油浓度的增加、热通量的减小、饱和温度的升高、质量流量的增加而延迟;干涸特性对传热系数有显著影响,干涸阶段占整个换热过程的35.4%。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m~(-2)·s~(-1),有效热通量为10～240 W·cm~(-2)的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现:在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

液化天然气绕管式换热器壳侧混合工质流动及传热特性

绕管式换热器壳侧的流动及传热特性对大型液化天然气/浮式液化天然气装备设计和优化具有重要意义。本文建立了两相流动沸腾数值模型以预测壳侧流型、压降及其传热效果。通过耦合VOF模型、相变传质模型和表面张力模型,探究了不同质流密度、干度等因素对壳侧流动传热特性的影响,并通过绕管式换热器流动换热实验平台进行了实验验证,证明了模拟所得规律与实验结果有良好的吻合性。结果表明：压降随干度的增加而增加;传热系数随干度的增加有所减小;壳侧制冷剂在不同干度下主要呈现柱状流、滴状流、气状流等流型。本研究为设计和优化绕管式换热器提供了理论基础。     

R290在小管径水平微肋管内沸腾传热的实验研究

实验研究小管径水平微肋管内R290的两相流沸腾传热特性,分别在内径为4、6 mm,有效长度为900 mm的紫铜管内,得到R290在质量流量密度100～250 kg·m^-2·s^-1、饱和温度7～11℃、热通量13～24 kW·m^-2以及干度0.1～0.9范围内的沸腾传热系数;分析了质量流量密度、饱和温度、热通量、管型以及干度对R290沸腾传热系数及临界干度的影响。结果发现：沸腾传热系数随质量流量密度、饱和温度的增大而增加;随着热通量的增大,传热系数出现先增后减的现象;热通量越高,临界干度越小;微肋管相比于光滑管临界干度更大;且随着R290的沸腾汽化,干度逐渐增大并出现干涸现象,导致沸腾传热系数先增至一极值后降低。分别采用6种常用的沸腾传热关联式预测R290的沸腾传热系数,对比实验结果得出Fang等和Choi等的预测精度比较高。     

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。     

空气源热泵系统换热器及机组性能的实验研究

基于现有的实验测试平台,实验分析了质流密度、干度、风速、翅片形状、蒸发温度、冷凝温度等实验变量对空气源热泵系统性能的影响规律。经实验验证：强化管内换热特性均优于光滑管,在冷凝换热实验中,管内换热系数与质流密度、干度均成正相关,而在沸腾换热实验中,管内换热系数随干度的增加呈现先增大后减小的变化趋势;3种不同翅型换热器,其换热特性优劣顺序为桥片型翅片换热器、百叶窗型翅片换热器、波纹型翅片换热器,而对于同一翅型换热器,空气侧换热系数与风速呈正相关、与翅片间距呈负相关;工况环境主要通过影响压缩机吸排气饱和压力影响机组性能,即压缩机压缩比的增加导致等熵耗功的增大,进而使系统性能降低。     

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%。