非共沸混合物在微通道水平单管内流动沸腾特性

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3.0 侯斌 2025-01-09 80 4 7.46MB 75 页 15积分

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摘要

本课题的主要目的是通过实验方法，研究不同比例非共沸混合工质

R32/R134a 在微尺度通道范围内的流动沸腾特性，主要进行以下几个方面的工作：

1. 选择合适的热力学状态方程，对低沸点工质的热力性质及迁移特性进行计算。

2. 对低沸点工质在水平微尺度圆管内的强制对流沸腾换热进行实验研究，主要内

容有：

(1).混合工质 R32/R134a 的质量比分别为：15% (R32)：85% (R134a)；25%

(R32)：75% (R134a)；35% (R32)：65% (R134a)，研究混合工质不同比例下组分对

换热效果的影响。

(2).设计及制作实验器件：不锈钢管（D=0.86mm）。在实验台上进行不同质

量流量 G，不同热流密度 q和不同干度 x下的流动沸腾换热实验。研究各工况参

数对微通道内流动换热的影响。

(3) .研究三种比例混合物的壁面温度变化特性和压降特性。

3. CFD 模拟三维管道内水的流动换热，考虑微尺度流动中重力等因素的影响，

探讨商用软件 CFD 在微通道领域内应用的可行性。

通过上述实验研究，本文得到了以下结论：（1）三种比例混合物的换热系数

在较低质量流量较低热流密度下的变化都较不明显，但是都呈现增加趋势，在大

热流密度和大质量流量时，变化都比较复杂，且三种比例下变化趋势不尽相同。

同时对比三种比例混合物的换热效果得出：比例为 35%/65%时的混合物制冷剂，

同等条件下的换热系数值最大，在三种比例换热效果总体最佳。（2）对三种比例

混合物来说，其换热系数随干度的变化关系的共同点是随干度呈波形变化，在较

低干度下换热效果较好，而到了大干度时换热系数有下降趋势。（3）壁面温度变

化特性上，沿程壁面温度呈波动变化，这可能是在入口很近处，流体就开始不断

气化，换热效果不断增强，随着气态热阻增加，换热系数减小，最后在接近出口

处，由于压力降低，汽化效果增强，干度增加，核态沸腾加剧从而强化换热，使

壁面温度又开始下降。（4）同质量流量下随热流密度增大，微通道内流体压降增

加；同热流密度下随质量流量增加，微通道流体压降也增加。混合物比例为

35%/65%时相同情况下相对压降最小，25%/75%混合物压降次之，15%/85%的混

合物在同种情况下压降最大。

关键词：微尺度水平单管流动沸腾换热系数

ABSTRACT

The main purpose of this topic is to research the characteristics of flowing boiling

in horizontal single micro-tube with non-azeotropic mixture R32 / R134a at different

mass ratios through the experiment method. The following aspects are main works:

1. Choose the appropriate thermodynamic state equation to calculate the thermal

properties and migration characteristic of the low boiling point refrigerants.

2. Research the performances of heat transfer and pressure drop for flow boiling in a

microtube by experiment, the main contents are:

(1). The mass ratios of mixture are: 15%(R32):85%(R134a); 25%

(R32):75%(R134a); 35% (R32):65% (R134a). Study the influence on heat transfer

efficient under different mixing ratio.

(2). Design and develop experimental device: stainless steel pipe (D=0.86mm).

Do the experiment under different mass flow G, heat flux qand different dryness xfor

flow boiling heat transfer.

(3). Study wall temperature variation characteristic and pressure drop

characteristic of the refrigerant mixture for three mass ratio.

3. Simulate flow boiling heat transfer through proper model by CFD with water

considering gravity factor. Discuss the availability of using CFD in micro scale field.

Through the above experimental research, this paper gives the following conclusions:

(1) .The influence of mass ratio on heat transfer of these three mixtures under lower

mass flow and lower heat flux are not obvious, but the increasing trend is found. The

changes are more complex in high heat flux and high mass flow, and these three ratio’s

changing trends are not the same. Meanwhile, comparing the heat transfer of these

three type mixture proportion, there are conclusions: for ratio 35%/65%, under the

same conditions, the heat transfer coefficient is maximum, and it has best heat transfer

result. (2). For these three kinds of mixture, the same proportions for heat transfer

coefficient changing with dryness is a waveform change, and heat transfer affection is

better in lower dryness, worse in high dryness (3).For the changes on wall temperature,

fluctuate change along wall of the tube appears. That should be near the entrance of the

tube, the fluid begin vaporizing, which strengthen the heat transfer efficient. As the gas

state thermal resistance becomes high, the heat transfer efficient becomes worse. At

last near the end of the tube, the effects of the vaporizing become strengthen. The wall

temperature becomes lower because of the dropping pressure and the rising dryness,

and enhancing nuclear boiling. (4). Under the same mass flow, with the increase of

heat flux, the pressure drop increase; under the same heat flux, with the increase of

mass flow, the pressure drop increase, too. Under the same conditions, the pressure

drop for mass ratio 35%/75% is less than that of 25%/75%. The mixture with mass

ratio 15%/85% has the highest pressure drop.

Key words: micro-scale, horizontal single microtube, flow boiling,

heat transfer coefficient

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 前言 ......................................................... 1

§1.2 微尺度概念的解释 ............................................. 2

§1.3 微通道流动换热研究综述 ....................................... 2

§1.4 未来研究展望 ................................................. 7

§1.5 本课题的研究内容 ............................................. 7

第二章 R32/R134A 在水平微通道单管内流动沸腾实验 ...................... 9

§2.1 实验目的和内容 ............................................... 9

§2.2 实验方案 ..................................................... 9

§2.2.1 实验台介绍 ................................................ 9

§2.2.2 实验段及测量方法介绍 ..................................... 10

§2.3 测量原理介绍 ................................................ 12

§2.4 实验步骤 .................................................... 13

§2.5 实验工况 .................................................... 14

§2.6 实验数据 .................................................... 14

§2.6.1 混合工质物性的计算 ...................................... 14

§2.6.2 实验数据的采集 .......................................... 18

§2.7 热平衡实验 .................................................. 20

§2.8 不确定度分析 ................................................ 20

§2.9 本章小节 .................................................... 24

第三章实验结果与讨论 ............................................... 25

§3.1 概述 ........................................................ 25

§3.2 工况参数对流动沸腾换热系数的影响 ............................ 25

§3.2.1 热流密度对换热系数的影响 ................................ 25

§3.2.2 质量流量对换热系数的影响 ................................ 30

§3.2.3 质量干度对换热系数的影响 ................................ 32

§3.2.4 壁面温度特性 ............................................ 35

§3.2.5 组分对换热系数的影响 .................................... 42

§3.2.6 压降特性 ................................................ 45

§3.3 本章结论 .................................................... 48

第四章微通道数值模拟研究 ........................................... 51

§4.1 概述 ........................................................ 51

§4.2 模型介绍 .................................................... 53

§4.3 求解方法 .................................................... 54

§4.4 数据处理及分析 .............................................. 54

§4.4.1 速度 .................................................... 55

§4.4.2 湍动能 .................................................. 56

§4.4.3 压力 .................................................... 57

§4.4.4 温度 .................................................... 58

§4.4.5 换热系数变化 ............................................ 60

§4.5 本章小结 .................................................... 62

第五章结论 ........................................................ 63

§ 5.1 主要工作内容 ............................................... 63

§ 5.2 主要结论 ................................................... 63

§ 5.3 存在的不足和建议 ........................................... 65

附录 1：符号表 ...................................................... 66

参考文献 ............................................................ 67

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 71

致谢 ............................................................... 72

第一章绪论

§1.1 前言

相变是自然界中最普遍的现象之一，它是指工质在固、液、气三相或其中两

相之间的转换，伴随有潜热的吸收或释放,相变传热和单相传热最重要的区别在于

能量转换可以发生在均匀的温度条件下[1]。时至今日，人类对相变现象进行了长

达几十年的研究，从微观的角度看，相变是由于与工质相接触的边界条件改变后，

引起分子间距的变化，而导致分子间势能及时均动能的变化，从宏观的角度看，

发生了能量的转化[2]。理论上，分子动力学方法可以在无任何假设的条件下解决

相变问题，遗憾的是目前计算机所能处理的分子个数太有限了，同时也由于描述

分子间势能方程方面的困难，使得分子动力学在真正揭示相变现象时受到很大的

限制，因而相变问题大多依赖于实验[3]。

随着制冷工业的发展，逐渐采用了小直径的毛细管。这种管径的尺寸一般在

3mm 左右，随着空间、信息及生物等高技术的发展，紧凑式蒸发器的研制得到了

广泛的重视。除此之外，微尺度相变技术已被成功地应用于生物芯片的微泵、

MEMS 等。随着航天、信息、生物等高技术的发展，微尺度热物理问题得到了更

广泛的重视，但是作为高效的能量转换方法，微尺度相变传热的研究并不成熟。

微尺度通道内的传热问题最早是在 80 年代高密度微电子器件冷却的工程背

景下提出来的。微细尺度传热现象和过程，因其潜在的学科发展意义和鲜明强烈

的应用背景，成为当今传热传质学研究发展的热点之一[4]。微尺度槽道为微米和

纳米量级，换热面的面体积比非常高。小尺度槽道为毫米量级，也具有比较高的

面体积比。小尺度范围内的槽道换热器同样具有体积小、质量轻、传热效率高的

特点，并且在工业应用上也比较容易，便于开发多种抗腐蚀耐高温材料；制造比

较简单，大部分产品只需传统加工技术，可工业化批量生产；小尺度槽道可以从

200μm 到几毫米，对介质的清洁度要求不算高，可适用于不同流体。小尺度槽道

换热器对压头的要求不甚高，又能带走较高的热量，因此，在不同的工业领域有

广泛的应用前景。

但目前对于微细尺度换热器的研究，暂无可靠的设计规范和最优化方法．要

设计出散热效果最佳、适于批量生产的小尺度换热器来解决散热问题，还需要对

其流动换热的机理及如何增强传热进行研究。

已经有实验证明微小通道内的换热系数比常规管道要大很多，除了比表面积

大的原因应该还有更主要的因素在作用，初步认为微尺度管内的流动沸腾换热规

律应与常规管道的有所不同。如果可以通过试验得出微尺度通道内的换热规律并

非共沸混合物在微通道水平单管内流动沸腾特性

且掌握决定其高换热系数的主要因素，那么在日后的研究和实际应用中，就有了

理论和实际的指导，微尺度换热将得到更广泛的使用，微型换热器将成为换热器

发展的主要方向。

因为混合工质的温度滑移特性能减少制冷工质与换热流体之间的传热温差，

提高换热效率，因此，利用混合工质组成特性来进行强化换热研究具有重要的现

实意义。

§1.2 微尺度概念的解释

通常科学上所讲的尺度有空间尺度和时间尺度。因此尺度的微小化相应的包

括空间尺度的微小化和时间尺度的微小化。不同的行业里面对微尺度的概念有不

同的定义，他是一个相对的概念，而不是指某一特定尺度，本文课题研究范围内

的尺度的概念体现在空间尺度上的微小化上。对于不同的物理现象，尺度的划分

没有一个定论。在微尺度的传热问题上，通常所讲的微尺度的是指当研究的对象

微小到一定程度以后，出现了流动和传热的尺度效应，即，当尺度微小化后，其

流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热规律便把该尺度称

为微尺度。如对竖直平板对流换热，当物体的尺度小到厘米量级时，其换热规律

已有明显不同，所以这时厘米量级就可称为微尺度[5]。

现在，一般将大于 1mm 的尺度称为宏观尺度,1 μm～1mm 的尺度称为微尺

度(Micro scale)。也有的学者提出将 100 μm～1mm 的尺度称为细尺度 (Mini

Scale)。尺度划分的标准也不相同 ,有的仅仅是按几何尺寸的数值划分 ,有的则是

根据不同作用力的范围来进行尺度划分。当管道特征尺度缩小至与核化穴的当量

直径具有同一数量级时，相变及其换热规律必会发生变化。本课题研究微尺度管

道内流动沸腾换热特性，因此本文中的微尺度指 1μm~1mm 之间的尺度。

§1.3 微通道流动换热研究综述

李战华和崔海航[6]通过微推进器小型化的具体问题说明微型化不是简单的尺

寸缩小。微尺度流动所基于的物理因素与宏观流动不同，体现在流动涉及的表面

积与体积之比增强、梯度参数效应及界面力效应等。物理因素作用的改变或新的

因素参与，使微尺度流动呈现新的特点，这为设计芯片和传感器中的流动提供了

新的思路。

王洋[7]等针对低雷诺数下单相水流经矩形微通道时的流动特性和换热特性进

第一章绪论

行了试验和理论研究。试验工质为去离子水，微通道宽度为 50μm，高度为 200μm，

雷诺数 2. 3～15. 6。试验结果表明，在低雷诺数下的流动特性和传统理论存在偏

差：矩形微通道实验压降值与阻力系数均大于传统理论值的预测，阻力系数的最

大偏差为 7. 9 %。

黄蕾[8]实验研究了小雷诺数下单相水在微通道中受热流动的传热特性和水力

特性。通过分析计算相关的实验数据表明，水在微通道内流动时的传热特性的实

验结果则与传统理论较为吻合，而压降值与阻力系数值均大于传统理论预测值。

研究表明，尺度的微小化给微通道流动沸腾换热研究带来了表面效应、尺度

效应、压缩性与壁面作用以及流体的稀薄性等问题，微通道的流动沸腾换热已表

现出了明显不同于常规通道内的换热规律[9]。

Tran[10]等对制冷剂在微尺度通道内的两相流动压降进行了实验研究并提出

了相应的实验关联式。他们对三种工质，三个不同尺寸的微尺度通道作了一系列

的实验，发现与常规通道类似，两相流动的压降随饱和压力的降低而升高，随质

量流量和出口干度的增加而增大。他们同时对不同工质的压降进行了对比，发现

蒸发潜热大的工质，压降相对小些，说明工质的热物性对压降有一定的影响。当

微尺度通道的几何形状不同，而当量直径相等时，相同条件下的两相流动的压降

相近，说明几何形状对微尺度通道的压降影响不大（这与王[8]等人的研究结果不

同）

,最后，他们将实验数据与一些适用于常规通道中压降关联式的预测值进行了

对比，发现在低质量流量，低干度和一定压力下，有些关联式的预测值与实验数

据比较吻合，但没有一个关联式的预测值与所有的实验数据比较一致，他们认为

这是微尺度通道内的流动机理不同于常规通道的原因，微尺度通道内的两相流动

压降除与以上因素有关外，还与流体的表面张力，气泡的形成，生长和运动有着

密切关系。在前人的基础上，他们提出了一个与实验结果比较吻合的实验关联式。

Hihara[11]等实验研究了 CO2在内径为 1 mm 的不锈钢管道的流动特性，实验

过程改变热流密度、改变质量流率。得出的结论与 Tran[12]等人的研究结果相同：

即流体的在流动过程中的干度仅与质量流率有关，与热流密度的关系不大。

Kew[13]等通过实验对微尺度通道内沸腾换热机理进行了探索。他们认为微尺

度通道内的流体沸腾换热机理与流体的流动机理密切相关。他们根据微尺度通道

内气泡的存在形式观察到了微尺度通道内的流体流动的四个流动区域：单个气泡

的流动，气泡在受限空间中的流动，柱状流，部分“干涸”流动。在每一个区域，

占主导地位的换热方式是不一样的，在核沸腾的初始阶段，换热以核沸腾为主。

随着干度的提高，对流换热的作用越来越明显，微尺度通道内壁面液膜的厚度对

换热有着很大的影响。当干度进一步提高时，微尺度通道内壁面出现部分“干涸”

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