（制冷及低温工程专业论文）以r600a为工质的分离式热管研究.pdf

摘要 在许多应用场合，采用小型分离式热管是一种合理地选择。因而有必要就此 作进一步深入了解，以便为实际应用提供合理依据。并用蛇形翅片管换热器作为 冷凝段和蒸发段的换热器，这样可以更加灵活方便的使换热器适应不同的工况条 件。 本文对分离式热管的整体热量传递特性进行了理论分析和实验研究。针对分 离式热管的工作原理及其实际应用条件，并结合蛇形翅片管换热器的传热特点和 计算模型，建立稳态分布参数模型，编制了计算程序，用有限差分法对分离式热 管系统变工况下的稳态特性进行了数值计算。探讨了蒸发器进风面风温及分离式 热管蒸发器与冷凝器之间高度差、工质充注量和蒸发器进风面风速对分离式热管 的影响。得出的结论为，分离式热管的传热量会随着蒸发器进风温度的不断提高， 先增加后减小；分离式热管传热量随着充液量的增加同样经过了先增大后减小的 过程；随着高度差的增加，分离式热管质量流量的增加量在不断减少，传热量的 增加量也在不断减少。 为了验证数学模型及计算方法的正确性，在被控制室内对分离式热管在变工 况条件下进行了实验研究。实验表明，在冷凝端进风温度恒定为1 6 5 5 时，蒸发 端进风温度低于6 0 时，以r 6 0 0 a 为工质的分离式热管的传热量曲线近似于二次 曲线，蒸发端进风温度高于6 0 时，其传热量曲线近似于一条直线。加大充液率 后，分离式热管的传热能力得到了提高。分离式热管的充液率r 为2 0 5 2 比充液 率r 为1 8 2 8 4 的传热能力平均提高1 1 6 8 。随着蒸发器与冷凝器的高度差的增 大，分离式热管的传热能力得到提高。高度差为l m 的分离式热管比高度差为0 8 m 的传热能力平均提高9 5 7 。 关键词：蛇形翅片管换热器：分离式热管：r 6 0 0 a：传热能力 a b s t r a c t i nm a n yo c c a s i o n ，s m a l ls i z es e p a r a t e dt y p eh e a tp i p ei sb e s tc h o i c e s o ，is t u d i e d o ni tf o rp u r p o s eo fa p p l i c a t i o n s e r p e n t i n ef i n n e dt u b e sa se v a p o r a t i o ns e c t i o na n d c o n d e n s a t i o ns e c t i o ne n a b l es e p a r a t e dt y p eh e a tp i p et h ea d a p t a b l eo fa l lc o n d i t i o n i nt h i sp a p e l at h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nt h ew h o l ee n e r g yt r a n s p o r t a t i o nw a sc o n d u c t e d b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o no ft h es e p a r a t e dt y p eh e a tp i p ec o m b i n e dw i t ha n a l y s i so fh e a tt r a n s f e ro fs e r p e n t i n ef i n n e dt u b e s ，a d o p t i n gs o m ee x p e r i e n c ef o r m u l a s ，as t e a d yd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e l f o rs e p a r a t e dt y p eh e a tp i p ew a sp r e s e n t e da n das i m u l a t i o np r o g r a mw a s d e v e l o p e db yu s i n g 丘l l i t ed i f f e r e n c em e t h o dt op r e d i c tt h es t e a d yp e r f o r m a n c eo ft h es e p a r a t e dt y p eh e a tp i p es y s t e mu n d e rt h ev a r i a b l ec o n d i t i o n s t h ee f f e c to nh e a tt r a n s f e r r i n gc 印a c i t yc a u s e db yd i f f e r e n th e a tf l u x ，f i l l i n gr a t e ，h e i g h td i f f e r e n c eb e t w e e ne v a p o r a t i o ns e c t i o na n dc o n d e n s a t i o ns e c t i o nw a ss t u d i e d c o n c l u s i o ni sp r o v e d a sh e a tf l u xi n c r e a s i n g ，h e a tt r a n s f e r r i n gc a p a c i t yw i l li n c r e a s et o o ，a f t e ri tg e ts u m m i t ，i tw i l lg od o w n a s f i l l i n gr a t ei n c r e a s i n g ，h e a tt r a n s f e r r i n gc a p a c i t yw i l li n c r e a s et o o ，a f t e ri tg e ts u n l m i t ，i tw i l lg od o w n a sh e i g h td i f f e r e n c eb e t w e e ne v a p o r a t i o ns e ct i o na n dc o n d e n s a t i o ns e c t i o ni n c r e a s i n g ，t h ea d d i t i o no fh e a tt r a n s f e r r i n gc a p a c i t yw i l lg od o w n i no r d e rt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dt h ec a l c u l a t i o n m e t h o d ，as e r i e so fe x p e r i m e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo fs e p a r a t e dt y p eh e a tp i p eu n d e r v a r i a b l ec o n d i t i o n sw a sc o n d u c t e di nt h ec o n t r o l l e dr o o m s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t w h e ni n l e tw i n dt e m p e r a t u r eo fc o n d e n s a t i o ns e c t i o na sc o n s t a n tt e m p e r a t u r ei s 1 6 5 5 i i l l e tw i n dt e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t i o ns e c t i o nb e l o w6 0 ，h e a tt r a n s f e r r i n g c a p a c i t y sl i n ei sc o n i c i n l e tw i n dt e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t i o ns e c t i o nb e y o n d6 0 ， h e a tt r a n s f e r r i n gc a p a c i t y sl i n ei ss t r a i g h tl i n e h e a tt r a n s f e r r i n gc a p a c i t yw i l lb e e n h a n c e dw i t ha u g m e n t a t i o no ff i l l i n gr a t e ，h e a tt r a n s f e r r i n gc a p a c i t yo fh e a tp i p eo f 2 0 5 2 f i l l i n gr a t ee n h a n c e1 1 6 8 a v e r a g e l yt h a n 18 2 8 4 f i l l i n gr a t e h e a t t r a n s f e r r i n gc a p a c i t yw i l lb ee n h a n c e dw i t he x t e n d i n gh e i g h td i f f e r e n c eb e t w e e n e v a p o r a t i o ns e c t i o na n dc o n d e n s a t i o ns e c t i o n h e a tt r a n s f e r r i n gc a p a c i t yo fh e a tp i p e o flmh e i g h td i f f e r e n c ee n h a n c e9 5 7 a v e r a g e l yt h a n0 8mh e i g h td i f f e r e n c e k e yw o r d s ：s e r p e n t i n ef i n n e dt u b e s ；s e p a r a t et y p e h e a tp i p e ；r 6 0 0 a ；h e a t t r a n s f e r r i n gc a p a c i t y 基本符号 么 通道截面积，传热面积m2 ) c ，比热( ，磷) d d管径( 埘) g重力加速度( ，咒詹2 ) h焓u 始) k 传热系数( 矽mz 。c ) m 质量流量( 姆i s ) g 质量流速( 培d m 质量( 蚴 a 空隙率 n传输系数 准则数 n u ： 努赛尔数 耽：韦伯数 g a ：伽利略数 希腊字母 a导热系数( w m o c ) o f 换热系数( 形m 2 0 c ) f 切应力( n m 2 ) ，时间( s ) ，7 翅片效率 下标 蒸气 液体 肋片 制冷剂 单相区 蒸发器 过冷 两相 管壁 主要符号表 蒸发( 凝结) 率( 船，m3 s ) 压力( p 口) ，功率( 形) 热流密度( w m 2 ) 热流量( 形) ，热量( k w ) 温度( 。c ，足) 温度( ) 流速( m i s ) 比容( 掰3 垮) 千度 沿流道流动方向坐标 微元长度( ) r e ：雷诺数 厅： 弗劳德数 p 庐 密度( 堙m3 ) 动力粘性系数( 瞎m s ) 相对湿度 气液两相流 管壁 空气 进口 出口 平均值 冷凝器 过热 节点 p g q r ，“v x z & f ， h w口譬耐m伽妨， l g v ，厂r s绷摩 硕士期间发表论文情况 1 、金育义，臧润清，顾永明分离式热管在不同充液率下的传热性能的实验研究 暖通制冷空调2 0 0 9 ，4 2 、金育义，臧润清，顾永明分离式热管在不同高度差下传热肿i l t 厶匕i a v , 的实验研究 应用能源技术2 0 0 9 ，4 3 、顾永明，臧润清，金育义，郝莹回热器对r 4 0 4 a 制冷系统性能影响的实验研究 低温与超导2 0 0 9 ，4 关于论文使用授权的说明 本人完全了解天津商学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 在2 0 世纪7 0 年代，世界上发生了两次能源危机，引起各国政府对能源的重 视【l 】。到了8 0 年代，能源更成为世界瞩目的三大问题之一。由于能源问题日益 突出，不仅是中国，就世界范围而言，节能已经成为解决当代能源问题的一个公 认的重要途径。有科学家把“节能”称为开发“第五大能源”，与煤，石油( 天 然气) ，水能，核能等四大能源相并列，由此可见节能的重要意义。 我国是最大的发展中国家，节能对我国经济和社会发展更有特殊的意义，重 要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 节能是是实现我国经济持续，高速发展的保证。 ( 2 ) 节能是调整国民经济结构、提高经济效益的重要途径。 ( 3 ) 节能将缓解我国运输的压力。 ( 4 ) 节能将有利于我国的环境保护。 企业中有着丰富的余热资源，从广义上讲，凡是温度比环境温度高的排气和 待冷物料所含的热量都属于余热。具体而言，可以将余热分为以下六大类： ( 1 ) 高温烟气余热 ( 2 ) 可燃废气，废液，废料的余热 ( 3 ) 高温产品和炉渣的余热 ( 4 ) 冷却介质的余热 ( 5 ) 化学反应余热 ( 6 ) 废气、废水的余热 余热可根据它所具有的温度来分类。工业余热一般可分为三类【2 】： ( 1 ) 高温余热：高于5 0 0 ； ( 2 ) 中温余热：介于5 0 0 至3 0 0 之间； ( 3 ) 低温余热：低于3 0 0 。 绝大部分低温余热资源来自生产设备排出的3 0 0 以下的各种气体或液体， 它的特点是传热效率低，排出量大，在工业企业里的分布面很广。在实际生产中， 低温余热的量往往比高、中温两种余热的总和还要大得多。所以，对大量低温余 热的回收利用，也就成了节约能源工作的关键问题。 低温余热排放置较大的企业，大多属于轻工、化学、纺织、印染、制药、食 品、木材加工等行业。在这些企业里都有一些蒸发、干燥、蒸煮、漂洗等设备， 这些设备的绝大部分热损失都是以低温余热的形式排放到大气中或水里去的。由 于这一可观的余热没有被普遍地加以利用，因此，热能总利用率很低。 由于上述这些类型的企业在生产和工艺装备方面的特点，它们对热能需要的 基本要求是：蒸汽压力为3 - - s k g e m 2 ，蒸汽温度在1 3 0 一1 8 0 c 左右。因此，由 这些设备排出来的废液或废气几乎部是低温的余热资源。 第一章绪论 许多工厂由于采用了余热回收装置，也收到了减少污染的效果。如从合成纤 维纺织厂中排出来的增塑剂排放物，一般是随烘箱出来的循环气流通过电气除尘 器进行收集的，若在气流离烘箱后、进入除尘器之前安设余热回收装置，则不但 有余热回收可供他处使用，释低了燃料消耗，同的也有助于排放物的收集。 余热的直接利用有以下途径： ( 1 ) 预热空气 它是利用高温烟道排气，通过高温转换器来加热进入工业窑炉和锅炉的空 气。由于进入炉膛的空气温度提高，使燃烧效率提高，从而节约燃料。在黑色和 有色金属的冶炼过程中，广泛采用这种空气预热的方法。 ( 2 ) 干燥 即利用各种工业生产过程中的排气来干燥材料和部件。例如，陶瓷厂的泥 坯、冶炼厂的矿料、铸造厂的翻砂模型等。 ( 3 ) 生产热水和蒸汽 它主要是利用中低温的余热来生产热水和低压蒸汽，以供应生产工艺和生活 方面的需要，在纺织、造纸、食品、医药等工业，以及人们的生活中都需要产热 水和低压蒸汽。 1 2 研究现状 热管是一种新型、高效的传热元件，它可将大量热量通过其很小的截面积远 距离地传输而无需外加动力。1 9 4 4 年，热管的原理由美国俄亥俄州通用发动机公 司的r s g a u g l e r 在美国专利( n o 2 3 5 0 3 4 8 ) 中首次提出【8 j 。他设想：一装置由封 闭的管子组成，管内液体吸热蒸发后于该下方的某一位置放热冷凝，无需任何外 加动力，冷凝液体借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸热蒸 发，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的。1 9 6 3 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室的g m g r o v e r 重新独立发明了类似于g a u g l e r 提出的传热元件，进行了 性能测试实验，并在美国应用物理杂志上公开发表了第一篇论文，正式将此 传热元件件命名为热管”h e a tp i p e ，【9 1 1 9 6 5 年，c o t t e r 首次提出了较完整的热 管理论【l u j 。1 9 6 6 年，k a t z o o f 发明了有干道的热管，干道的作用是为了给从冷凝 段回到蒸发段的液体提供一个压力降较小的通道，大大提高了热管的传输能力 【l l 】。1 9 6 7 年，一根不锈钢一水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功【1 2 】。1 9 6 9 年，前苏联和日本的有关杂志发表热管应用研究方面的文章。日本有的文章描述 了带翅片热管束的空气加热器，在能源日趋紧张的情况下，可用来回收工业排气 中的热能。t u r n e r 和b i e n e r t 提出了用可变热导热管来实现恒温控制。g r a y 研究 了一种新型热管一旋转热管【1 3 1 。1 9 7 4 年以后，热管在节约能源和新能源开发方面 的研究得到了充分的重视，用热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业以节 约能源。美、日在这方面取得的进展最为显著。1 9 8 0 年，美国q d o t 公司生产了 热管废热锅炉l l 制。日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解 决了排烟的露点腐蚀问题。1 9 8 4 年，c o t t e r 提出了较完整的微型热管的理论及展 望。毛细泵回路c p l ( c a p i l l a r yp u m p e dl o o p s ) 和回路热管系统l h p ( l o o ph e a t 2 第一章绪论 p i p es y s t e m s ) 以其结构灵活、使用面广泛在很小温差下可远距离传递较常规热 h 一1 管更大热量的特点，引起了热管界关注，成为理论研究和应用研究的热点”。7 0 年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均开展 了多方面的开发、应用研究。热管开始广泛应用于化工及石油化工行业、冶金行 业、电子电器工程中。我国自7 0 年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管 在电子器件冷却及空间飞行器方面的飞行研究。由于我国是一个发展中的国家， 能源的综合利用水平较低，因此自8 0 年代初我国的热管研究及开发的重点转向节 能及能源的合理利用重点开发了易在工业中推广使用的碳钢一水热管换热器n 引。 经过2 0 多年的努力，我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平，先后开发 了热管气一气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等 各类热管产品【吲。 国外分离式热管换热器的研制始于2 0 世纪8 0 年代n 引。近年来，我国科技工作 者对分离式热管进行了广泛的基础理论和工程应用研究。分离式热管中研究和应 用最广泛的是重力型分离式热管( 以下简称分离式热管) ，其中：中科院工程热物 理研究所和上海7 1 1 研究所进行了分离式热虹吸管组换热特性的研究：上海海运 学院进行了分离式热管换热器的模型实验研究：东北工学院进行了分离式热管元 件充液量理论分析和实验研究：重庆大学进行了分离式热管的流动和传热研究： 南京化工大学进行了分离式热管凝结换热和传热极限的研究晗：西安交通大学进 行了分离式热管蒸发段的试验研究的充液量分析：华东船舶工业学院进行了大型 分离式热管换热器的模型试验研究：哈尔滨工业大学进行了热管供热系统与热水 供暖系统的技术经济性比较研究，均取得了一定的成果。这些成果对分离式热管 及分离式热管换热器在工程实践中的应用提供了良好的基础啪1 。 热流体 j 蒸 汽 厂 、 个 上 _ i 。 冷 凝 液 图1 1分离式热管结构示意图 分离式热管是热管的一种派生系列，所谓“分离式”是相对“整体式 而言 的。分离式热管的结构如图1 - 1 所示，其蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上 升管和液体下降管连通起来，形成一个自然循环回路。工作时，在热管内加入一 定量的工质。这些工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后，工质蒸发，其内部蒸汽压 力升高，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放出潜热而凝结成液体，在重 力作用下，经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。从其工作原理看，具 3 第一章绪论 有整体式热管的基本特征：管内汽一液两相流动：管内的工作介质以相变的形式 完成热能的转移；工质循环自动完成；具有一定的初始真空度。n 卅但从管内工质 流动特性来看，由于结构上的特点，分离式热管的不同之处为妇： ( 1 ) 液体从下联箱返回蒸发管，蒸发段上部非淹没区不象整体式热管那样有降膜 冷却，而紧靠下联箱部分由于位差和散热原因，液体可能是过冷液。 ( 2 ) 蒸汽从上联箱进入冷凝管，汽流和液膜流动同向，而不是整体式热管那样汽、 液反向流动。 ( 3 ) 汽、液分别在连管内流动，不象整体式热管在同一绝热段内反向流动。 ( 4 ) 蒸汽和凝液从联箱进入换热管时有一个分配问题，不象整体式热管汽、液 均在同一支管内循环。 分离式热管要正常工作，冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管 之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度 差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运 行，而不再需要外加动力。2 1 分离式热管的特点为：热量的传输是通过工质的相 变来实现的，故传热温差小：热源、热汇分隔，冷、热侧的换热面积可以灵活布 置，少受距离限制：冷、热侧均为管外换热，可采取增加环形翅片的强化传热措 施，以弥补管外气体换热系数小的特点：冷、热侧的换热面积可根据实际需要进 行调整。 分离式热管的型式可按蒸发段的结构分类，可按冷凝段的结构分类，还可按 热管内部驱动力及循环机理分类一重力式、毛细泵回路热管、振荡式等。下面仅 根据回路热管蒸发段的结构形式划分主要有以下几种： ( 1 ) 列管式蒸发段分离式热管，如图1 2 ( a ) 。该类型热管是开发研究最早，应 用也最广的一种分离式热管比4 1 。这种分离式热管早在1 9 8 1 年6 月的化学装置首次 报道了在日本用于预热两种流体的实例中。目前，这种形式热管己成熟应用于化 工、炼铁、电站等部门大型的分离式热管换热器中。 ( 2 ) 螺旋管蒸发段分离式热管，如图1 2 ( b ) 。该类型回路热管在文献中进行了 详尽的研究，并对它应用于化肥工业生产中的氨合成塔设备也进行了研究瞄3 j 。 ( 3 ) 其他分离式振荡热管，如图1 2 ( c ) 为脉动热管。它是出现于九十年代初的一 种新型热管乜5 2 6 】。它虽然形式上是闭合回路热管，但是它的运行原理和传热特性 与传统热管有很大的不同。目前脉动热管在国内外研究的也较多，但尚未得到广 泛应用，还处于探索阶段。 本文将以蛇形翅片管作为冷凝段和蒸发段进行热管实验研究。 按照文献分离式热管内蒸汽与液体同向流动，故而不存在携带限，限制其传热能 力的主要极限为声速限、烧干限和冷凝限。下面将简要对其介绍一下口刀： ( 1 ) 声速限在分离式热管蒸汽上升管中，蒸汽的速度值最大。当蒸发段出口处 的蒸汽速度达到声速即蒸发段出口处的马赫数等于1 时，则认为是达到声速极限。 ( 2 ) 烧干限在分离式热管蒸发段中，传热恶化多发生于局部干涸或环状流区域 液膜的蒸干，即烧干限。环状流区域液膜的蒸干机理主要为：由于回流不够而使 液膜的简单烧干、液膜的溪流化、液膜破裂、蒸汽核心对液体的强烈再夹带等等。 适当加大回路热管的充液量是消除其烧干限的有效方法。 ( 3 ) 冷凝限它是指由冷凝段传热能力所制约的传热极限。 4 第一章绪论 ( q )( b ) ( c ) 图1 2 各种分离式热管示意图 从分离式热管内部的运行机理来看：实际上它是一汽、液自然循环系统，循环 回路中的循环动力是下降管系统( 包括冷凝段) 与上升管系统( 包括蒸发段) 中工 作介质密度差。如果不计循坏回路的热损失，蒸发段出口处截面含汽率为x 。，冷 凝段出口处截面含汽率为0 ，其循环运动压头： nn s y d - - x 。( q p v ) g h + x i ( f l o ) g f i z + ( 1 一x j xp l p v ) 9 6 z ( 式l 一1 ) i = 1j = 1 总阻力降： 卸= 却h 七卸c + 卸s 七却x ( 式l 一2 ) 式中，瓴为蒸发段压力降，瓴为冷凝段压力降，甑为上升管的压力降，瓴 为下降管的压力降。图表示了循环回路的特性曲线，两者的交点即为实际工作 点。体现了墨d = 卸的平衡关系。 当传热量、几何参数、物性参数等都确定时，可得到加热段与冷却段的最小 高度差h 曲，只有当h h 曲处截面含汽率为x 。，其循环倍率为k - - i x 。，如 果x 。= 1 ，则循环倍率k 为1 ，这时的工作点认为是最佳工作点，这时的充液量 认为是最佳充液量。从图3 还可以看出逐排热管组件由于所传递的热量不等，其 工作点亦不同，因此必因此必须按照每排热平衡计算的结果逐排校核其汽水动力 循环，以求得h 。抽及此状态下的最小充液量，即为每排热管的最佳充液量。使热 管换热器运行在最高效率状态，如果h 及其他条件已给定，则要根据汽水动力循 环校核h h , m ，计算蒸发段出口的x 。得到相应的充液量，若xo 很小，则要考 虑调整蒸发段和冷凝段的热流密度，使x 。尽量接近1 。 5 第一章绪论 6 p 3 a p 2 6 p 1 1 3 本课题的选题意义 q 3 q 2q 1 q 图1 3 循环回路特性曲线 分离式热管以其独特的结构形式，在石化、电力、冶金工业的余热回收中扮 演越来越重要的角色，迄今对大型和中型分离式热管的性能已进行了比较充分的 研究，其应用也已有了长足发展。但在许多应用场合，采用小型分离式热管是一 种合理地选择。小型分离式热管的内部沸腾、流动和凝结换热过程及其影响因素 与大、中型分离式热管的相应特征有较大的差异，迄今这方面的研究报道较少， 而以蛇形翅片管为换热器的分离式热管更是鲜有报道。因而有必要就此作进一步 深入了解，以便为实际应用提供合理依据。 r 6 0 0 a 即异丁烷( i s o b u t e n e ) ，结构式为c h 3 c h 2 c h 3 ，r 6 0 0 a 的o d p 值为零， g w p 几乎为零，对环境完全没有破坏作用口3 。常温下是一种无色无味、无毒的易 燃易爆气体，溶于醇、醚、氯仿，微溶于水，性质稳定。正常使用条件下的化学 稳定性、热稳定性和贮存稳定性均好。与碳钢、不锈钢、铜、铝等大多数金属相 容性较好；但与某些塑料和橡胶如聚乙烯、天然像胶、氯丁橡胶等相容性较差。 属于绿色环保型制冷剂，不会对大气臭氧层造成破坏作用，是c f c 一1 2 的理想的 替代品。 r 6 0 0 a 的传输系数n 比较大啪1 。此特征值是直接衡量热管工作流体有效性的 重要指标。其表达式如下： n ：璺翌 “ ( 式l 一3 ) 传输系数反映的是热管传输能力的综合物理量，显然其值越大，工作流体 性能越好。其定义即要求工质具有高汽化潜热厂，优载热能力，低粘度朋，大表 面张力盯及良好的润湿性能，从物性上为大量、低阻传递热量提供保证。r 6 0 0 a 的液相密度一小，可以相应的减少充灌量。汽化潜热较高，其较大的表面张力， 使得它有良好的润湿性能。r 6 0 0 a 唯一的缺点就是它的易燃性。r 6 0 0 a 以其较低 6 第一章绪论 的饱和蒸汽压减少了系统泄露的可能性。并且，分离式热管内没有易产生电火花 的电子元件。所以，r 6 0 0 a 在本实验的危险性大大降低。 1 4 研究内容 蛇型翅片管式 冷凝器 蛇型翅片管式 蒸发器 上 升 管 下 降 管 图1 4 蛇形翅片管为换热器的分离式热管系统示意图 本课题研究如图1 - 4 所示的分离式热管的传热性能，研究内容如下： 1 分别建立分离式热管的蒸发器、冷凝器、上升管、下降管数学模型，进而建 立分离式热管系统的数学模型，并进行求解，以获得系统性能的变化规律。 2 建立r 6 0 0 a 分离式热管试验台，研究不同内外环境温度下分离式热管的压力、 温度和传热量等主要性能参数的变化。 3 通过实验获得不同充液率对分离式热管传热能力的影响；不同蒸发器与冷凝 器之间高度差对分离式热管传热能力的影响。 7 第二章分离式热管数学模型的建立 第二章分离式热管数学模型的建立 2 1r 6 0 0 a 热力性质和热物理性质公式 随着计算机的广泛使用，也迫切需要有可用于计算的热力性质方程。能用于 计算异丁烷热力性质和热物理性质的些方程总结如下【2 9 】。 气体状态方程用p r 方程： r r 口( 丁) p 2 ：v - b 。v ( v + b ) 二+ 二b ( v - b 一) 式中 a ( t ) = a c 口( 丁) 口( 丁) = 【1 + 优( 1 一f 5 ) 】2 m = o 3 7 4 6 4 + 1 5 4 2 2 6 - - 0 2 2 9 9 2 国2 呸= 0 4 5 7 2 4 ( r t 。) 2 p c b = 0 0 7 7 8r t c p c ( 式2 1 ) 乃= r 疋 理想气体比热方程 q o = c 0 + q t + c 2 t 2 + c 3 t 3 ( 式2 2 ) 当t = 10 0 2 9 8 k c o = 3 0 8 9 3 2 9 ，q = 0 1 0 2 0 4 0 1 ，c 2 = - 2 4 0 0 1 0 0 x 1 0 一，巳= 4 1 2 6 5 2 1 1 0 ； 当t 兰2 9 8 1 5 0 0 k c 0 2 - 2 2 0 7 1 3 1 ，c 1 20 1 0 0 2 9 8 3 ，c 2 2 - 0 5 5 3 0 7 1 1x1 0 4 ，c 3 = 0 1 1 8 7 8 2 1 1 0 7 。 饱和蒸汽压方程 l n ( p ，) = ( a l + 口2 f ”1 + a 3 r “2 ) 1 i l ( t r ) ( 式2 3 ) 式中p ，= p l p ct r = r 乏r = 1 一t r 2 1 7 8 ，n 2 = 6 0 6 ，a l = 6 6 4 0 0 5 3 7 ，a 2 = 8 3 4 1 2 0 2 7 ，a 3 = 2 7 4 9 8 6 7 饱和液密度方程： 虽小喜讪刑秽门 c 式2 叫 8 第二章分离式热管数学模型的建立 d l = 2 2 8 0 9 7 7 4 ，d 2 = - i 5 4 7 5 8 4 3 ，d 3 = 3 4 7 4 5 7 5 5 ，d 4 = - i 。5 5 9 8 4 5 5 汽化潜热y ： 7 = p ( v 一一矿) a l + 口2 r “1 + 口3 f “一t , t n t ( 靠la 2 f 竹1 + 玎2 口3 f “2 ) 】 蒸汽焓： n 一等等c c o t + q i z 2 + 乞孚+ 岛；，+ _ a ( t 丽) - t a ( t ) - n 丽v - 0 4 1 4 2 b ( 式2 5 ) + p v l 盯+ 式中a = 一i l l t ) p 5 口- 0 5 ( ，) 丁- 1 饱和液体焓日 h = h ”一7 饱和液导热系数z ： 庐a o + a l t + a 2 t 2 其中a o = 1 0 0 6 6 8 3 ，a l 一4 3 7 2 2 9 9 1 0 。，a 2 = 1 3 0 1 1 0 7 1 0 q 饱和液比热 = ( c o + c 1 + c 2 t 2 ) x 1 0 3 ( 式2 8 ) c o = 2 3 1 1 2 1 3 ，q = 6 4 1 1 1 3 x 1 0 - - 3 ，c 2 = 3 3 8 7 5 4 4 1 0 一。 饱和液动力粘度： , u = a e 8 | t ( 式2 6 ) ( 式2 7 ) ( 式2 9 ) a = i 4 4 6 1 x 1 0 ，b = 7 3 7 1 4 4 ( t = - 5 0 - - 3 0 c ) ；a = 5 7 2 1 3 9 1 0 - 3 , b = 1 2 8 0 5 7 ( t = 3 0 9 0 。c ) 其中p c = 3 6 8 4 k p a ，t c = 4 0 8 1 6 k , p c = 2 2 1 k g m 3 ，= 0 1 7 5 6 ，m o l e = 5 8 1 2 4 。 2 2 分离式热管数学模型的建立 2 2 1 冷凝器数学模型 分离式热管主要由4 大部件组成：蒸发段、冷凝段、上升管、下降管。下面 就四大部件分别建立其数学模型。 建立冷凝器、蒸发器的动态模型时，需联立质量守恒方程、动量守恒方程和 能量守恒方程。对于冷凝器管内不同的流型，动量守恒方程的形成有很大的不同， 压力降也不能一概而论。所以对冷凝器采用三区段模型，将其分成过热区、两相 9 第二章分离式热管数学模型的建立 区和过冷区三个区段分别建模计算。在两相区中，采用分布参数模型，将两相流 动看作汽液各自分开的流动，每相介质有其独立的流动特性参数，并分别对每一 相建立各自流体动力特性方程。具体建立模型时，通过准则数f r ，w e 的大小判 别流型，对其分别建立相应的模型。这样建立的模型提高了计算的精确性，但是 求解过程相对于均相模型复杂。 在冷凝器和蒸发器的建模过程中，为了满足工程精度要求，又要最大限度简 化计算，做出如下几点假设【3 0 】【3 l 】： ( 1 ) 制冷剂在管路中作一维轴向流动。 ( 2 ) 在任何流动截面上汽、液压力相等。 ( 3 ) 汽液截面上的凝结量以液相流速流动。 ( 4 ) 对水平管不计重力的影响。 ( 5 )只考虑制冷剂与管壁之间，管壁与空气之间的径向热量交换，不计轴 向的热传递。 2 2 1 1 管内换热数学模型 制冷剂在冷凝器管内流动过程中经历了三个状态区：过热蒸汽区、两相区、 过冷液体，大部分的换热面积处于两相区内，而且在两相区中，根据制冷剂管内 质量流速的不同、热流密度等条件的不同，又存在着不同的流型【3 2 】，即：雾状 流、环状流和波状流，本文分别予以建模。过热蒸汽和过冷流体都处于单相区， 所以建立模型的方法相似，归结为单相区部分。 1 、两相区部分数学模型 根据制冷剂管内质量流速的不同，冷凝器中管内制冷剂的流动一般可能存 在三种流型，即：雾状流、环状流和波状流。在雾状流段，主要有两种力在起作 用，一种是气相的惯性力，一种是表面张力，总的受力是这两个力的平衡。这种 平衡用韦伯数w e 表示，雾状流在质量流速较低时不会出到3 7 1 。对于环状流和波 状流，仍然是这两种力在起主导作用，当气体的惯性力占主导作用时，流型呈环 状流，反之，则呈现波状流。而环状流向波状流的转换主要发生在当弗劳德数 f r 达到一定数值时，环状流与波状流相互转换。所以，根据f r ，w e 数的不同组 合，流型可以按如下划分【3 2 】： 雾状流：w e 4 0 和f r 7 环状流：w e 7 波状流：f r 7 本文根据以上的组合，来判别不同的流型，分别对可能出现的流型建立相应 1 0 第二章分离式热管数学模型的建立 的模型。w e 数的计算关系式如下所示【3 2 】： f lw e = 2 4 5 lw e ：o 8 5 【 其中： r e ， r 0 。7 9 ：1 0 3 丽- j ；1 0 3 l p v c r d1 妒f ， r e 丘1 2 5 0 ( ( 等) 2 ( 譬 。8 4j f ：1 5 7 痧i 。4 ，f 己e 厶。2 5 。 ( 2 1 。) 汽相单独在管内流动时的雷诺数： r e 。 ：x g d ；x 为干度：g 为质量流速 ， 液相单独在管内流动时的雷诺数： r e 白= 马丁内利参数： ( 1 一x ) g d 耻( 斟时谢1 汽相摩擦因子： 矽，= 1 + 1 0 9 x o 0 3 9 譬筘 其中： 伽利略准则数：g a = g a 3 ；v 为运动粘度 a 雾状流 r e 丘1 2 5 0 r e 厶1 2 5 0 ( 2 1 1 ) ，。、，一 第二章分离式热管数学模型的建立 j 。：，。1 。：。，o 一：- j 叱一- ：、 。 ， 。， 。 ：i - ：、：。+ ： ? ：i ，：，+ ：，。 - i - ：。j ：j ：- _ i ? ，：t 。、 。 ：，毒 一。；一0 ? ：_ 1 0 0 t 一：j ? ：一：j 二：、o ： 。， ： i 一了：- ) ：o o _ i 图2 4 雾状流示意图 对于雾状流，其流动截面情况如图2 4 所示，可以假定汽液两相流的流速相 等，即“，= 甜，= 甜，因此可以采用均相模型的方法来建立模型。令： z f 2u v 2 u l p 日= a p v + ( 1 一口) 肛；口为空隙率 3a p ，h ，+ ( 1 一a ) p l h l 利用质量守恒，动量守恒和能量守恒方程，可以得到雾状流的数学模型如 下： 质量守恒方程： 昙( 耽) = o ( 2 - - 1 2 ) 动量守恒施 鲁( 编卜警一竿( 2 - - 1 3 ) 能量守恒方程 西o p + 鲁) - - ( 争蠢( 2 - - 1 4 ) 在上述的方程中有三个未知数：p ，口，“日，方程封闭可解。 在以上方程中的参数定义如下： 空隙率：口：兰l 为汽相所占的截面积与管内截面积之比 管内截面积：a ：三翮： m 2 管内壁周长：s 。= z r d m 制冷剂与管内壁的摩擦剪应力： f 。= 厂鱼磐 n m 2 1 2 第二章分离式热管数学模型的建立 摩擦阻力系数： 厂= 0 0 4 6 r e ? 。2 两相混合雷诺数为： 两相混合粘度： 管内壁热流密度： 其中： r e 。：g d 。 舻b 爿。 q ，= 口，( 乃一乇) = 口，a t z 制冷剂温度， k l 管内壁壁温，k r 壁面过冷度，k 努赛尔数采用下式计算( s o l i m a n ) 3 2 1 ， ，、i 3 n u = 0 0 0 3 4 5 r e , ：9 l 茄j 其札为汽化潜热胜g b 环状流 黝液相 。 ”， 汽相 图2 5 环状流示意图 当气体惯性力( 剪切力) 占主导地位时，液相的制冷剂在管壁呈膜状流动， 汽相的制冷剂在流道中心部位呈柱状流动，即为环状流。其流动截面情况如图 2 5 所示。 其数学模型如下所示： 质量守恒方程： a 汽相兰o p u v ) = - m l v；m 为蒸发( 凝结) 率( 培肌，j ) ( 2 - - 1 5 ) 院 。 第二章分离式热管数学模型的建立 液相象( 1 一口) 岛嘶 = 而 ( 2 1 6 ) 动量守恒方程： 汽相鲁( 俐净一口警一乎一，；z ( 2 - - 1 7 ) 液相扣一口) 易钳： 叫训善+ 争竽m 南如( 2 - - 1 8 ) 能量守恒方程： 鲁【口岛魂+ ( 1 一口) 岛嘶岛】= 一( 万d 彳) 。玩 ( 2 1 9 ) 整理( 2 1 5 ) 至( 2 1 9 ) 式，得环状流数学模型： 质量守恒方程： 昙【口岛“，+ ( 1 一a ) p l u t = 0( 2 2 0 ) 陇 动量守恒方程： 知觚2 + ( 1 _ 口) 岛“； - - 篆一百r o s o ( 2 吲) 能量守恒方程： 昙【口岛“，+ ( 1 一订) 岛“，】= 一协d 4 ) 五 ( 2 2 2 ) 因为有四个未知数：口，“，“，p ，所以要使方程封闭可解就必须增加一个补充 方程。本文采用了p r e m o l i 滑动比模型 3 3 1 ，用以确定汽相速度与液相速度的关系， 其计算式为： 詈一+ e ( 去一蜗r f 。= 1 5 7 8r e 产1 9 ( 詈) 。2 2 2 7 3 0 5 1 盯 y = 南 热声= ( t + 导钉= ( h 1 - a 妻) 。1 r e ，：g d 1 4 第二章分离式热管数学模型的建立 换热系数采用下式计算( t 锄d o n ) 【3 2 1 ， n u = 2 3 1 p r 3 m 丝1 6 ) w k p , ) 5 l ，g ( 竿厂a 。融卜枷4 n u = 0 0 8 4 p r 3 瞰烈州纠3 ：a t - - 1 6m 捌硝地( 2 _ 2 7 ) 上述方程组成了环状流的数学模型，其方程封闭可解