（制冷及低温工程专业论文）制冷剂管内强制对流换热的可视化研究.pdf

呲y 帆1 m 7 77 帆8 2 叭5 矾4 帅 制冷剂管内强制对流换热的可视化研究 t h ev i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ho nf o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro f r e f r i g e r a n t i np i p e 专业：制冷及低温工程 研究生：孙志利 导师：臧润清教授 天津商业大学机械工程学院 二。一。年四月 中文摘要 制冷剂管内沸腾换热一直以来都是两相流研究的重点，目前对于制冷剂在实际制冷系 统中的流动状态研究甚少，为研究重力供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统蒸发器沿管 长方向的换热特性、管内制冷剂流动状态和换热过程，课题组设计了可视化的玻璃管蒸发 器对上述问题进行研究。考虑到玻璃管蒸发器的承压能力较小的问题，系统采用r 1 3 4 a 为 制冷工质。 搭建重力供液和直接膨胀供液制冷系统可视化玻璃管蒸发器的实验装置，用热平衡法 测试其在不同供液高度下玻璃管蒸发器的换热量；用高速摄像仪观察制冷剂管内流动状 态，对直接膨胀供液制冷系统和重力供液制冷系统玻璃管蒸发器内制冷剂流动状态进行分 析；将玻璃管蒸发器沿管长方向温度变化进行比较。 建立重力供液蒸发器的传热模型，利用阻力平衡关系对重力供液制冷系统进行分析。 采用4 种管内沸腾换热关联式对重力供液玻璃管蒸发器制冷剂侧换热系数进行理论分析， 将关联式计算数值与实验值相比较，筛选出预测精度较好的理论模型。 研究表明，在库体内温度5 c 以上时，重力供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统都 存在蒸发器供液的周期性，但造成周期性的原因是不同的，重力供液制冷系统是其蒸发器 供液形式和循环过程造成的，而直接膨胀供液是由热力膨胀阀工作特性决定的；在库体内 温度5 c 以上时，重力供液制冷系统的制冷量小于直接膨胀供液制冷系统，且库体内温度 越高，直接膨胀供液制冷量越大，优势越明显，由此可知，在库体内温度5 c 以上时应用 重力供液制冷系统不存在优势：对两个供液高度下重力供液制冷系统进行比较，再次验证 了重力供液制冷系统存在最佳供液高度；对重力供液制冷系统玻璃管换热器制冷剂侧换热 系数进行了模拟，模拟结果表明s h a h 关联式与试验工况下测得的制冷剂侧表面换热系数 较为接近，其平均误差在1 5 4 5 。 关键词：制冷剂；沸腾换热；可视化；重力供液制冷系统 a b s t r a c t r e f r i g e r a n tb o i l i n gh e a tt r a n s f e ri nt u b eh a sb e e nt h ef o c u so ft w o - p h a s es t u d y t h e r ew e r el i t t l e s t u d yo nt h ea c t u a lr e f r i g e r a n tf l o ws t a t ei nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m s f o rs t u d yt h eh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so ft u b el e n g t h ，t u b er e f r i g e r a n tf l o w i n gs t a t ea n dt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft h e l i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gb yg r a v i t ya n dd i r e c te x p a n s i o nf o rt h ee v a p o r a t o rr e f r i g e r a t i o n s y s t e m ，t h er e s e a r c hg r o u pd e s i g n e dav i s u a lg l a s st u b ee v a p o r a t o r t a k i n gi n t o a c c o u n tt h e p r e s s u r el o a d i n gc a p a c i t yp r o b l e m so ft h ee v a p o r a t o rt u b e ，t h es y s t e mu s e sr 13 4 aa st h e r e f r i g e r a n t t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eh a sb e e ns e tu pi nt h el a b o r a t o r y u s i n gt h et h e r m a lb a l a n c em e t h o d t e s t e dt h ec o o l i n gc a p a c i t yo ft h ev i s u a l i z a t i o no fg l a s st u b ee v a p o r a t o r , w i t hh i g h s p e e dv i d e o c a m e r ao b s e r v a t i o no ft h ef l o ws t a t eo fr e f r i g e r a n tp i p ea n da n a l y z e dt h ef l o ws t a t eo fr e f r i g e r a n t i nt h e s et w od i f f e r e n ts t y l er e f r i g e r a t i o ns y s t e m s i na d d i t i o n ，t h et e m p e r a t u r ea l o n gt h ev i s u a l e v a p o r a t o rh a sb e e nt e s t e da n dc o m p a r e d i nt h i sp a p e r , t h er e s i s t a n c ee q u i l i b r i u ma n a ly s i so ft w o p h a s ef l o wf o rg r a v i t yf e e d i n gs y s t e m s w e r ed o n e , ah e a tt r a n s f e rm o d e lo fg r a v i t y f l o o d e d e v a p o r a t o rw a se s t a b l i s h e d f o u r c o r r e l a t i o n sf o rb o i l i n gh e a tt r a n s f e rw e r ea n a l y z e da n dt h ep r e d i c t e dv a l u e sb yt h ec o r r e l a t i o n s w e r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l ts h o w st h a ts h a hc o r r e l a t i o nc a l lw e l l p r e d i c ti n t u b eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fg r a v i t y f l o o d e de v a p o r a t o rw i t hs m a l le n 叼哐 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg r a v i t y f l o o d e de v a p o r a t o rw a s p r o v e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h el i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gb yg r a v i t ya n dd i r e c te x p a n s i o nf o rt h e e v a p o r a t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e me x i s tp e r i o d i c i t yl i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n g t h er e a s o n so f t h i s p h e n o m e n o ni sd i f f e r e n t ，t h ee x p a n dv a l v ed e p e n dt h ee x p a n s i o nr e f r i g e r a n ts y s t e ms u p p l y i n g l i q u i dp e r i o d i c i t ya n dt h el i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gb yg r a v i t yr e f r i g e r a t i o ns y s t e m s p e r i o d i c i t yl i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gd e p e n db yt h es t r u c t u r eo fs y s t e ma n dc i r c l es t y l e w h e n t h er o o mt e m p e r a t u r eo v e r 一5 t h el i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gb yg r a v i t yr e f r i g e r a t i o n s y s t e m sc o o l i n gc a p a c i t yi sl e s st h a nd i r e c te x p a n s i o nr e f r i g e r a t i o n ，t h ed i r e c te x p a n s i o ns y s t e m c o o l i n gc a p a c i t yl a r g e rt h a nt h el i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gb yg r a v i t yr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma s t h er o o mt e m p e r a t u r eh i g h e ra n ds h o w sa d v a n t a g ei nh i g h e rr o o mt e m p e r a t u r e i tc a nb es e e n a p p l i c a t i o no ft h el i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gb yg r a v i t yr e f r i g e r a t i o ns y s t e m d o e sn o te x i s t a d v a n t a g ei n t h er o o mt e m p e r a t u r ea b o v e 一5 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts h a h c o r r e l a t i o ni sm o r ec l o s et ot h ee x p e r i m e n t a lv a l u e ，a n dt h ea v e r a g ee r r o ri s15 4 5 k e y w o r d s ：r e f r i g e r a n t ；b o i l i n gh e a tt r a n s f e r ；v i s u a l i z a t i o n ；t h el i q u i dr e f r i g e r a n ts u p p l y i n gb y g r a v i t yr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 目录 第一章绪论1 1 1 选题的背景及意义l 1 2 相关领域的国内外研究现状2 1 3 重力供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统的研究现状4 1 4 本文的主要工作9 第二章气液两相流及流型图1 3 2 1 气液两相流的主要流动参数一l3 2 2 两相流的流型分类1 4 2 3 两相流的流型识别方法1 7 第三章制冷剂管内强制对流换热的相关数学模型2 0 3 1 重力供液玻璃管蒸发器的数学模型建立思路2 0 3 2 数学模型2 0 第四章制冷荆管内强制对流换热可视化实验台的建立3 6 4 1 实验台介绍3 6 4 2 主要测试仪器。3 9 4 3 实验方法4 l 第五章制冷剂管内强制对流换热可视化研究4 4 5 1 漏冷实验4 4 5 2 直接膨胀供液制冷系统制冷荆管内强制对流换热的可视化研究4 5 5 3 重力供液制冷系统制冷剂管内强制对流换热的可视化研究：；一5 2 5 4 两种制冷系统蒸发器换热特性及制冷剂流动状态对比分析6 7 5 5 重力供液蒸发器的理论计算与实验值的比较6 9 第入章总结与研究展望7 l 6 1 结论71 6 2 研究展望7 2 参考文献一7 3 攻读硕十期间论文及专利情况7 7 学位论文独创性卢明7 8 学位论文及研究成果使川授权声明7 9 致谢8 0 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 多相流热物理学是在流体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等学科的基础上发展 起来的一门新兴学科，对国民经济的发展有十分重要的作用。汽( 气) 液两相流是多相流 热物理学的重要分支之一，它广泛应用于能源、动力、核反应堆、石油化工、制冷、低温、 环境保护及航天技术等许多工业部门。 沸腾换热是汽( 气) 液两相流的中的重要的研究方向，沸腾换热心1 就是通过大量气泡 的形成、成长和运动将工质由液态转换成气态的一种剧烈的蒸发过程，是一种伴随气液相 变的热量传递过程。在近半个世纪中，人们已对沸腾换热进行了大量的研究。目前为人们 接受的核化理论是固体表面凹形内腔穴残存或截留蒸汽或不凝性气体模型；对于沸腾换热 机理有汽泡扰动模型、蒸汽一液体交换模型、微层蒸发模型和组合模型等。这些理论和模 型对沸腾换热做出了一定的合理解释，但仍存在局限性。例如汽泡扰动模型和蒸汽一液体 交换模型认为沸腾换热系数高是山汽泡的扰动和容积对流引起的，但有实验表明汽泡的扰 动最多只能使对流换热强化4 倍。由此可知，管内沸腾换热还有很大的研究空间，尤其是 对于制冷剂管内沸腾换热的可视化研究。 作为制冷、空调系统中两大主要的换热设备蒸发器和冷凝器，其中进行的都是制 冷剂管内沸腾换热和凝结的过程。随着经济的发展，制冷、空调所占耗能比例必将越来越 大。能源价格不可避免的上涨使得节能指标在工程与设备的竞争中也越来越重要，因此制 冷与空调设备的节能显得非常重要。充分研究蒸发器和冷凝器中的沸腾换热过程及其特 性，可以为更好的提高换热设备的传热效率，为强化传热提供最可靠的理论依据。从而为 设计和生产节能型制冷、空调设备和系统找到最有效的方法。 在制冷系统中，按蒸发器的供液方式不同，可将其分为直接膨胀供液制冷系统、重力 供液制冷系统和泵供液制冷系统。在以上几种形式的系统中，直接膨胀供液制冷系统是最 常见的制冷系统，广泛应用于制冷空调中，具有设备少、结构简单、一次投资少、可连接 多个蒸发器、无泵功耗等优点。泵供液制冷系统常见于大型的氨制冷系统中，其具有制冷 剂流量大、供液均匀、调节方便、存在泵功耗等特点。相对于以上两种形式的制冷系统而 言，重力供液制冷系统应用较少，但其具有无泵功耗、低温下蒸发器效率高等优点，在设 第一章绪论 计人员选择选择制冷系统形式时仍有优势。目前重力供液制冷系统应用较少的主要原因是 时该种制冷系统供液形式认以不足，未从根本上了解重力供液制冷系统的节能优势和潜 力。目前重力供液制冷系统还处于研究阶段，对其在实际应用过程遇到的问题萨在逐步深 入的研究。天津商业大学臧润清、张枫、李星瞳3 1 等人近年来对重力供液制冷系统进行了 实验研究和理论分析，从实验中可以看出，低温工况下以r 2 2 和r 4 0 4 a 为制冷剂重力供液 制冷系统比直接膨胀供液制冷系统更具优势。低温工况下，重力供液制冷系统蒸发器的换 热能力加强，制冷效率明显提高。 虽然经研究发现重力供液制冷系统在低温工况下比直接膨胀供液制冷系统更具优势， 但对蒸发器内部的传热和制冷剂流动状态的认识仍比较模糊。因此本文对重力供液制冷系 统和直接膨胀供液制冷系统蒸发器沿管长方向的换热特性、管内制冷剂的流动状态和换热 过程进行分析研究。 1 2 相关领域的国内外研究现状 到目前为止国内外已对管内对流换热进行了长期的研究探索n 1 ，并取得了一定的成果。 在以r 13 4 a 制冷剂水平管内强制对流换热的研究中，国内外也取得了很多研究成果。 k w a n g i ic h o i 等人对r 2 2 、r 1 3 4 a 和c 0 2 制冷剂在水平微通道中的沸腾换热进行了试验研 究，得到了饱和温度为l o ，热流密度在1 0 4 0k w m 2 之间，质量流量在2 0 0 6 0 0 k g m 2 s 的沸腾换热传热系数，并修f 了过热区内微通道沸腾换热的数学模型，使模 型平均误差在11 2 1 之内瞄1 。i nc h e o lb a n g 署l l s o o nh e u n gc h a n g 等人对垂直矩形管道r 1 3 4 a 过冷段沸腾进行了可视化研究，通过高速数码摄像设备对r 1 3 4 a 垂直受热管中过冷沸腾流 动贴壁区的结构进行了观察，获得了气泡边界层内气泡形成和气泡结合的影像资料【6 j 。伊 朗德黑兰大学m a a k h a v a n b e h a b a d i ，r a v ik u m a r 矛t l m j a m a l i 等人水平管中r 1 3 4 a 制冷剂 的涡旋流动沸腾换热和压力降进行了调查研究，将双扭曲带放入实验段使制冷剂形成涡旋 流动，研究双扭曲带对水平管中制冷剂侧强化换热和压力降的影响，实验段为制冷系统蒸 发器的一部分，采用电加热对蒸发器提供热量，研究表明双扭线的加入使系统的换热系数 和压力降都得到增加盯。西班牙维哥大学的j o s 6f e m f i n d e z s e a r a 、f r a n c i s c oj u h i a 、r u b 6 n d i z 平f l a l b e r t od o p a z o 等人对以r 1 3 4 a 为制冷剂的水平整体钛翅片管的凝结换热进行研究，实 验是在饱和温度为3 0 、4 0 和5 0 ，过冷度在0 5 - 一9 下进行。实验结果表明对于光滑 管的凝结换热系数与理论值吻合较好，均误差在+ 2 3 8 ，而对于整体钛翅片管的凝结换热 2 第一章绪论 系数与理论值误差相对较大，且随着冷凝温度的升高而增大脚3 。美国华盛顿州立大学a m i r j o k a r 、m o h a m m a dh h o s n i 币t l s t e v e nj e c k e l s 等人对r 1 3 4 a 在板式蒸发器和板式冷凝器中的 换热进行了分析，对制冷剂r 1 3 4 a 在板式换热器微通道中的换热进行了理论和实验的对比， 实验表明适用于传统板式换热器的理论关联式并不适合在微通道板式换热器中应用砷1 。泰 国国王科技大学的s o m c h a iw o n g w i s e s 矛l m a i t r e ep o l s o n g l r d a m 对r 1 3 4 a 在卧式螺旋套管换热 器中的沸腾换热和压力降进行了研究，通过实验总结了螺旋管中制冷剂沸腾换热和压力降 新的实验关联式四1 。此外，s o m c h a iw o n g w i s e s 等人还对水平光滑管蒸发器内r 1 3 4 a 在两相 区的强制对流换热系数特性进行了研究，与其它实验研究不同，s o m c h a iw o n g w i s e s 等人在 制冷剂管路中添加了润滑油，实验结果表明，新的对流换热实验关联式更加适合制冷系统 的实际情况n 。同本东京大学s h i z u os a i t o h 、h i r o f u m id a i g u j i 年l e i j ih i h a r a 等人对r 13 4 a 在 水平管中的沸腾换热关联式进行了研究，在研究中主要考虑管径对关联式精度的影响。研 究中对c h e n 关联式进行了修f 。结果表明，经修正的c h e n 关联式在干饱和和过热区的对流 换热系数计算中有能有很好的与实验吻合，并且能适合较大范围管径的变化1 。 此外，在查阅相关文献的过程中发现，我国台湾地区的国立交通大学c h i h p i n gy i n a 等人对制冷剂r 1 3 4 a 管内沸腾换热进行了大量的实验。c h i h p i n gy i n a 、y i y i ey a n a 、 t s i n g f al i n a 坪l b i n g - c h w e ny a n g b 等人先后在1 9 9 8 、2 0 0 0 和2 0 0 6 年发表了s u b c o o l e df o w b o i l i n gh e a tt r a n s f e ro fr 一13 4 aa n db u b b l ec h a r a c t e r i s t i c si n ah o r i z o n t a la n n u l a rd u c t 、 e v a p o r a t i o nh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o po fr e f r i g e r a n tr 13 4 ai nas m a l lp i p e 和e x p e r i m e n t a l s t u d yo fe v a p o r a t i o nh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fr e f r i g e r a n t sr - 13 4 aa n dr - 4 0 7 ci n h o r i z o n t a ls m a l lt u b e s - - 篇文章，在这三篇文章中，作者先后讨论了r 1 3 4 a 在过冷情况下的流 动沸腾换热和制冷剂气泡在水平管中的形成特性、制冷齐l r l 3 4 a 在小管径水平螺旋管蒸发 器中的换热和压力降及制冷剂r 1 3 4 a 和r 4 0 7 c 在水平小管道中的换热特性n 引。 在国内也有很多大学和研究机构对制冷剂管内沸腾换热和制冷剂流动状态进行分析 研究，同样取得了可喜的成果。段雪涛、马虎根等人r 4 1 0 a 的流动沸腾换热性能进行了研 究，分析了质量流量、热通量和干度对局部传热系数的影响，并对光管和微翅管的沸腾换 热性能进行了对比分析，结果表明微翅管的沸腾传热系数随质量流量、热通量和干度的增 加而增加；在质量流量和干度较高时强制对流占主导作用，而在高热通量下，核态沸腾占 主导作用。李碧堤对r 1 3 4 a 在水平放置的微槽道内流动的阻力特性及沸腾换热特性进行 了实验研究，研究结果表明不凝性气体对流体的流动阻力影响较大；流体流速增加换热系 数增大；正方形的微槽道换热系数大于正三角形微槽道的换热系数；随着微槽道的当量直 3 第一章绪论 径减小，换热系数增加n 引。问楠臻、刘金平和叶灿滔等人对空气源热泵蒸发器内制冷剂流 动与传热过程进行实验研究，研究结果表明：随着沸腾过程的进行，压降逐渐增加，而换 热系数也f i 断增大n6 1 。张小力等人对r 1 3 4 a 水平管内对流换热进行了实验研究，用实验所 获数据与常用换热关联式进行了比较，计算结果表明p e t u k h o v 和t a k a m a t s u 关联式与实验数 据吻合较好本文最后用实验数据拟合出一个r 13 4 a 管内单相对流换热关联式，在给定的 范围内，其算术平均误差为0 1 6 4 ，绝对平均误差为4 9 6 8 n7 。山东大学孙宗保对r 1 3 4 a 在螺旋管内的沸腾换热特性进行了研究，研究结果表明：平均传热系数随着质量流量的增 大而增人，随蒸发温度的增大而增大；当热流密度较小时，局部传热系数随干度的增加单 调增加，而当热流密度增加到一定程度后，局部传热系数先增加，当干度达到一定值时， 丌始有所降低。热流密度越大，局部传热系数丌始减小时的干度越小。对水平直管和螺旋 管的局部传热系数随干度的变化关系进行了比较，在相同条件下，直管的换热系数比螺旋 管的小。随干度的增加，直管中局部传热系数开始减小时的干度比螺旋管的小，并且降低 的速度比螺旋管的快n 川。山东大学韩吉阳等人对r 1 3 4 a 在水平直管和螺旋管内凝结换热特 性进行实验研究，研究结果表明，r 1 3 4 a 在螺旋管内的凝结换热系数比直管的大4 1 3 8 1 1 。 1 3 重力供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统的研究现状 表1 1 实验j i ：况列表 干球温度( ) 6 81 0 1 21 41 61 82 0 湿球温度( ) 2 9 94 7 46 4 88 2 29 9 5 11 6 8 1 3 4 11 5 1 4 以上介绍了国内外制冷剂管内沸腾换热及可视化方面的研究情况，对于本课题的研究 都有借鉴价值，很多研究成果都值得引用。本课题主要对重力供液制冷系统和直接膨胀供 液制冷系统的蒸发器管内强制对流换热进行可视化研究，因此有必要介绍一下重力供液制 冷系统和直接膨胀供液制冷系统的研究现状。 1 3 1 较高温度下重力供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统研究现状 天津商业大学张枫2 3 在焓差室内搭建了重力供液制冷系统实验台，研究重力供液制冷 4 第一章绪论 系统在室内温度6 。c 以上时的运行特性，表1 1 为实验工况。 幽l - 1 重力供灏制冷系统的实物图 图1 1 为重力供液制冷系统实验实物图。该系统由泰康风冷式冷凝压缩机组、制冷用 翅片管蒸发器和汽液分离器组成，实验采用工质为r 2 2 。实验主要研究重力供液制冷系统 在不同供液高度下的运行特性和制冷剂再循环状况。研究表明，在供液高度为9 0 0 m m 时， 蒸发器全部管路结霜，此时重力供液蒸发器供液充足，制冷剂在蒸发器与汽液分离器间能 形成制冷剂再循环。 1 3 1 1 较高蒸发温度下重力供液制冷系统的运行特性 为表示重力供液蒸发器内的液体制冷剂再循环程度，引入制冷剂循环倍率。室外干球 温度为2 5 。c 时，制冷剂循环倍率在2 2 - - - 1 7 3 之问；室外干球温度为3 0 c 时，制冷剂循环 倍率在3 0 3 - - 1 9 6 7 之间。制冷剂循环倍率随室外干球温度的升高和室内环境温度的降低 而增大。在实验的供液高度下，室内温度较高时，重力供液系统制冷量容易波动：在较低 室内侧环境温度下，制冷系统的制冷量稳定。 1 3 1 2 较高蒸发温度下重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统的比较 在液柱的作用下，重力供液蒸发器的蒸发温度、压力均高于直接膨胀供液蒸发器，且 冷凝温度越高效果越明显。在室外干球温度为2 5 。c ，室内干球温度为6 。c 、8 。c 和1 0 * c - - 个工况下的直接膨胀供液压缩机的排气压力小于重力制冷系统压缩机的排气压力；在 1 4 。c 、1 6 。c 、1 8 。c 和2 0 c 等工况下，重力供液制冷系统的排气压力略小于直接膨胀供液制 冷系统压缩机的排气压力；但在室外干球温度为3 0 c 时，直接膨胀供液制冷系统压缩机排 气压力均高于重力供液制冷系统压缩机排气压力。 室外侧环境干球温度为2 5 c 、3 0 c 时重力供液蒸发器与直接膨胀供液蒸发器制冷量变 第一章绪论 化曲线如图1 2 ，1 3 所示。在传热温差出。和传热系数k 的综合作用下，在室外环境干球 温度为2 5 。c ，室内干球温度为6 c 、8 c 和i o 。c 时，重力供液蕉发器的制冷量要高于直接 膨胀供液蒸发器的制冷量，其增幅分别为1 2 、1 0 和3 。由此可以看出，随着室内温 度的降低重力供液蒸发器制冷量增加幅度增大。在室内干球温度i o * c 以上的工况下，传热 温差的减小对制冷量影响增大，虽然制冷传热系数k 有所提高，但重力供液制冷系统制冷 量小于直接膨胀供液制冷系统制冷量。 室内干球温度( o c ) 一 一 嘲 愈 蓐 室内干球温度( 0 c ) 图卜2 室外干球温度2 5 图卜3 室外干球温度3 0 在不增加额外消耗的情况下，重力供液制冷系统在室内温度较低的情况下增加了系统 制冷量。在室外干球温度为2 5 。c 和3 0 。c 时，直接膨胀供液制冷系统压缩机耗功高于重力 供液制冷系统的压缩机耗功。在较低的室内温度下，重力供液制冷系统的c o p 比直接膨胀 供液制冷系统的c o p 高。由此可知，在低温工况下重力供液制冷系统有更高的节能潜力。 1 3 1 3 重力供液蒸发器的理论计算 重力供液蒸发器与直接膨胀供液蒸发器设计计算的最大区别在于制冷剂进出口制冷 剂参数和制冷剂状态不同。在重力供液蒸发器中，蒸发器进口为饱和液体，出口为汽液两 相流，制冷剂不存在过热。建立蒸发器管路的阻力平衡关系式，确定系统制冷剂蒸发量和 循环量之间的关系，计算得到制冷剂在蒸发器和汽液分离器之间的循坏倍率。在蒸发器理 论计算中，蒸发器空气侧表面换热系数的计算选用的是李妩等归纳的波纹片换热关联式： 采用凯特里卡( k a n d l i k a r ) 通用关联式计算制冷剂侧表面放热系数。 按实验工况对重力供液制冷系统进行模拟。结果表明，蒸发器制冷量实验值与理论值 误差在1 0 以内，曲线的变化规律与实验值一致，证明该数学模型在重力供液蒸发器中的 具有一定的应用价值。 6 第一章绪论 1 3 2 结霜工况下重力供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统研究现状 为研究重力供液制冷系统在结霜工况下的运行特性，天津商业大学李星 3 搭建了以直 接膨胀供液制冷系统为基础的重力供液实验台，其实验工况如表l 一2 。 表1 2 实验：l ：况列表 环境温度( ) 2 6 5 保温体内温内( ) 一2 52 32 11 91 71 51 31 1975 直接膨胀供液制冷实验台，是由泰康风冷式冷凝机组、冷风机、r 4 0 4 a 用外平衡式热 力膨胀阀、干燥过滤器、电磁阀及其连接管路搭建而成。在直接膨胀供液制冷系统的基础 图卜4 结霜：l ：况。卜直接膨胀供液制冷系统和重力供液制冷系统实物幽 上对系统进行改造，增加汽液分离器及相应管路形成重力供液制冷系统。系统工质采用 r 4 0 4 a ，实物图如图1 4 。 在供液高度分别为8 0 0 m m 、1 0 0 0 m m 和1 2 0 0 m m 时，对重力供液制冷系统进行测试，并 表1 3 液杵高度对蒸发温度的影响 7 第一章绪论 与直接膨胀供液制冷系统进行比较。研究表明，重力供液制冷系统在三个供液高度下均可 以形成制冷剂再循环。 1 3 2 1 结霜工况下重力供液制冷系统的运行特性 在重力供液蒸发器中，蒸发温度和蒸发压力随库房温度的升高而升高，且受供液高度 影响较大，供液高度越高蒸发压力和蒸发温度越高，如表1 3 为重力供液蒸发器液柱高度对 蒸发温度的影响；重力供液制冷系统中压缩机吸气压力和排气压力随库房温度的升高而增 大，供液高度越高，压缩机吸气压力和排气压力越高。 _ 供液压头( 洲 供液压头( 1 0 0 0 m m ) 髟 供液压头( 1 2 0 0 r e ) 1 簇 j 7 7 y夕 么 穆 - 2 5-20-15104 5 室内温度( o 图1 5 制冷量随室内温度的变化图1 - 6c o p 随室内温度的变化 随着蒸发温度的升高重力供液制冷系统的制冷量增大，供液高度越高系统制冷量越 大。供液高度为1 0 0 0 m m 时的系统制冷量明显高于供液高度为8 0 0 m m 时的系统制冷量，但 供液高度为1 2 0 0 m m 时的系统制冷量略高于供液高度为1 0 0 0 m m 时的系统制冷量。制冷量的 这种变化趋势直接导致的系统c o p 的趋势发生很大变化，通过实验可知系统供液高度为 1 2 0 0 m m 时的c o p 值介于供液高度8 0 0 m m 矛1 1 0 0 0 m m 之间，如图1 - 5 署1 1 - 6 。 1 3 2 2 结霜工况下重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统的比较 实验表明结霜工况下重力供液制冷系统的蒸发温度和蒸发压力均高于直接膨胀供液 制冷系统的蒸发器，液柱高度越高，蒸发温度越低对蒸发温度的影响较大；重力供液制冷 系统压缩机的排气压力明显高于直接膨胀供液制冷系统；如图1 7 为制冷量随室内温度的 变化曲线，由图可知，重力供液制系统的制冷量在三个供液高度下均高于直接膨胀供液制 冷系统；图卜8 为c o p 随室内温度的变化曲线。由图分析可知，重力供液制冷系统的c o p 值均大于直接膨胀供液系统的c o p 。 第。章绪论 吲 佥 = ， j 僵 室内温度( ) 图1 7 制冷量随室内温度的变化 1 3 1 3 重力供液蒸发器的理论计算 - 直接膨胀供液系统 重力供液系统( h x 脚 重力供液系统( 1 0 0 m m ) 二：z 笼二 ? ? - 2 5- 2 0 1 5 1 0- , 5 室内温度( c ) 图1 8c o p 随室内温度的变化 为选择适用于重力供液蒸发器管内强制对流沸腾换热系数的关联式，模拟计算s h a h 关 联式、k a n d l i k a r 关联式、j c h a w l a 关联式及关联式2 在实验工况下的沸腾换热系数模拟值， 并与实验值进行比较。模拟结果表明，采用j c h a w l a 关联式和s h a h 关联式相结合的方式可 以对重力供液蒸发器进行模拟。 以上介绍了重力供液制冷系统在高温工况下及结霜工况下的运行特性，并将其运行特 性与直接膨胀供液制冷系统进行了比较。从研究结果不难发现，与直接膨胀供液制冷系统 相比，重力供液制冷系统在低温工况下的c o p 明显高于高温工况。对于这种实验结果可用 热虹吸理论上对其进行了分析，在热虹吸的作用下，重力供液制冷系统中蒸发器和汽液分 离器之间的制冷剂流动速度增大，沸腾换热增强。为了更进一步了解制冷剂在重力供液和 直接膨胀供液制冷系统中管内流动状态，课题组在天津市制冷技术重点实验室搭建了可视 化蒸发器实验台，通过高速摄像仪观察制冷剂管内流动状态，测试系统运行特性并与制冷 剂在管内流动状态进行对比分析。 1 4 本文的主要工作 重力供液制冷系统是基于热虹吸原理制冷系统，其原理如图1 8 。冷凝器冷凝下来的 液体制冷剂经过节流阀节流后进入汽液分离器，在汽液分离器中，液体制冷剂和测发气体 制冷剂分离，在重力的作用下液体制冷剂进入蒸发器进行蒸发换热，经换热后的两相流制 冷剂重新回到汽液分离器中进行汽液分离，液体制冷剂继续进入蒸发器，而气体制冷剂和 9 第一章绪论 闪发气体制冷剂一起回到压缩机，构成液体制冷剂在蒸发器中的再循环，其详细理论分析 参见文献 2 1 。 回汽 供液 p l p 恒 图1 - 8 重力供液蒸发器原理图 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 以r 1 3 4 a 为实验工质，建立重力供液和直接膨胀供液蒸发器管内制冷剂强制对流 换热数学模型，获得不同模型的制冷剂管内对流换热系数。 ( 2 ) 搭建直接膨胀供液和重力供液制冷系统可视化玻璃管蒸发器的实验装置，用热平 衡法测试玻璃管蒸发器的换热量；用高速摄像仪观察制冷剂管内流动状态，对直接膨胀供 液制冷系统和重力供液制冷系统玻璃管蒸发器内制冷剂流动状态进行分析；将玻璃管蒸发 器沿管长方向温度变化进行分析比较。 ( 3 ) 将理论计算结果与实验测试结果进行对比分析，解释实验数据的变化规律，寻找 今后有待解决的问题。 l o 第_ 二章气液曲相；：j 及流行幽 第二章气液两相流及流型图 相的概念通常是指系统中具有相同成分和相同理化性质的均匀物质部分。若流体中存 在两个或两个以上相时就构成了多相流。在气液两相流动中，气液两相的流动结构是多样 的，带有随机性的，要全面了解气液两相流体的流动状态是非常困难的。对气液两相流动 进行研究，必须首先了解气液两相流动结构和描述两相流的一些重要参数。 2 1 气液两相流的主要流动参数 两相之间的相对运动和两相流界面效应使得两相流的流动结构异常复杂，以管内两相 流为例，在管内流动的两相流在任一截面、任一时间上其状态参数都时刻发生着变化，并 且存在不均匀性，因此对两相流进行描述是相当复杂的【2 0 】【2 2 】。 2 1 1 两相流的速度场参数 为充分描述两相流之i b j 的速度滑移，在提出整体流动速度后，又提出分相实际速度、 表观速度、相对速度以及分相实际速度等。 在单位时问内，某一相在管道截面上通过的体积与其所占管内截面积之比为分相速 度： 名= g a g ，巧= q ，4 ( 2 - 1 ) 式中：匕，巧气、液相的分速度，m ls ； g ，g 气、液相流量，k g ls ； 4 ，4 气、液相所占的管截面积，m 2 。 单位时问内通过管道截面的两相流体的总体积与管截面积的比值为混合速度： 圪= q m 彳 ( 2 - 2 ) 式中：吃混流速度，m s ； q 气和液相流的总流量，姆s ； 彳管截总面积，m 2 。 1 3 第二章气液曲相浼及流行幽 气相速度与液相速度之比称为滑速比： s = 名形 式中：s 滑速比。 气相速度与液相速度之差称为滑脱速度： k = 名一杉 式中：k 滑脱速度，m i s 。 2 1 2 两相流的浓度场参数 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 为描述各相在管截面方向上的浓度分布，在两相流中提出了分相截面含率和分相容积 流量含率两个概念。 分相截面含率，又称持率，其定义为：管道截面上，某相截面积在总管道截面积上所 占的比率，即： 驴南，m2 南 协5 ， 式中：以，m 气、液相界面含率。 分相容积流量含率，又称含率，其定义为：管道截面上，某相体积流量在总体积流量 上所占的比率，即： 镌2 彘_ 盘 式中：k 。，勺气、液相容积流量含率。 2 2 两相流的流型分类 在两相流动中，两相界面分布呈现不同的几何形状或流动结构被成为两相流的流型。 由于相界面的存在使两相流的形状和分布在时问和空间罩是随机可变的，相l 日j 实际上义存 在一个不可忽略的相对速度，导致分相管截面比和分相流量比不等，两相流动结构的多种 多样，流型复杂。两相流传热特性和压力损失受两相流流型影响很大，本文主要研究制冷 剂管内流动状态对蒸发器换热特性的影响。因此为了分析制冷剂管内强制对流换热的制冷 剂流态，必须了解它们的流型。 1 4 第：章气液两相流及流行图 2 2 1 垂直上升管中气液两相流流型及流行图 从不同角度对流型进行研究时，研究者会给出不同流型的划分方法和定义。目前，对 垂直上升管中的气液两相流流型划