（机械工程专业论文）含油制冷剂管内强化传热特性研究.pdf

f 。河交通久学博f 后站州告 摘凄 含油制冷剂管内强化传热特性研究 摘要 在制冷系统换热器中，采用小管径换热管、内嵌泡沫会属换热管、纳米制 冷剂，是强化换热管内传热性能的有效措施。本文针对目前小管径换热管、泡 沫金属和纳米制冷剂强化传热技术研究中存在的不足，丌展了三个方面研究， 并得出如下结论： 1 ) 对环保制冷剂r 4 1 0 a 润滑油混合物在小管径强化管内流动冷凝的换热特 性和压降特性进行了实验研究。研究结果表明，润滑油的存在总是恶化 r 4 1 0 a 的冷凝换热，并且恶化效果随着油浓度的增加而明显增加；在干度 小于0 6 时，润滑油会降低r 4 1 0 a 的冷凝压降，在干度大于0 6 时会增加 r 4 1 0 a 的冷凝压降。开发了基于混合物性的换热和压降关联式，换热关联 式预测值与9 2 的实验数据误差在士2 0 以内，压降关联式预测值与实验数 据误差在士3 0 以内，能够很好地预测r 4 1 0 a 油混合物在小管径强化管内 的流动冷凝换热与压降特性。 2 ) 对泡沫金属加热表面的核态沸腾换热特性进行了实验研究，分析了泡沫会 属结构和润滑油对换热特性的影响。研究表明，泡沫金属增强核态沸腾换 热系数5 0 1 6 0 ；在实验研究基础上，开发了基于混合物性的冷n 油混 合物在泡沫金属加热面核态沸腾换热关联式，关联式预测值与9 5 的实验 值偏差在士1 0 之内。建立了泡沫金属内流体流动沸腾的理论模型，并将理 论模型的计算结果，与已有文献中相同工况下管壁顶部与底部的壁面温度 以及沿程压降进行对比，结果表明模型预测值和已有的实验数据吻合较好。 3 ) 对含油纳米制冷剂核态沸腾中纳米颗粒的迁移特性进行了实验研究，得出 了纳米粉体种类、纳米粉体粒径、制冷剂种类、热流密度和初始液位等因 素对纳米粉体迁移特性的影响规律。 最后给出了本文由于时间关系尚未深入研究的问题，以及将来需要进一步 研究的内容。 关键词：小管径，冷凝，泡沫金属，沸腾，纳米粉体，迁移特性，油 中图法分类号：t b 6 5 第 1 贞 l ：洵交通人学博t 。后站报告 a b s t r a c t e n h a n c e dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s o fr e f r i g e r a n t o i lm i x t u r ei n s i d et u b e a b s t r a c t f o rt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，u s i n gs m a l ld i a m e t e rt u b e ，t h et u b ee m b e d d e dw i t h m e t a lf o a m ，a n dn a n o r e f i r e g r a n ti nt h e t h eh e a te x c h a n g e ri st h ee f f e c t i v em e t h o dt o e n h a n c et h e h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s a i m e da tt h ew e a k n e s so ft h ee x i s t i n g r e s e a r c h e so nt h ee n h a n c e dt r a n s f e rt e c h n i q u eb yu s i n gs m a l ld i a m e t e rt u b e ，m e t a l f o a me m b e d d e dt u b e ，a n dn a n o r e f r i g e r a n t ，t h ef l o wc o n d e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r 4 10 a o i lm i x t u r e ，t h ep o o lb o i l i n gc h a r a c t e r i s t i c so nm e t a lf o a mc o v e r sa n df l o w b o i l i n g c h a r a c t e r i s t i c si nm e t a l f o a m ，a n d t h e m i g r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f n a n o p a r t i c l e a r ei n v e s t i g a t e di n p r e s e n ts t u d y t h em a i nr e s e a r c h r e s u l t sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w 1 ) t h eh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c so fr 4 10 a - o i lm i x t u r ef l o w c o n d e n s a t i o ni n s i d es m a l ld i a m e t e rm i c r o f i nt u b ea r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y , t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ep r e s e n c eo fo i la l w a y sd e t e r i o r a t e st h eh e a t t r a n s f e ro fr 410 a ，a n dt h ed e t e r i o r a t i o ne f f e c tb e c o m e so b v i o u sw i t ht h e i n c r e a s eo fo i lc o n c e n t r a t i o n ；t h eo i ld e c r e a s e sf l o wc o n d e n s a t i o nf r i c t i o n a l p r e s s u r ed r o po fr 4 10 aw h e nt h ev a p o rq u a l i t yi sl o w e rt h a n0 6 ，a n di n c r e a s e s f l o wc o n d e n s a t i o nf r i c t i o n a lp r e s s u r ed r o po fr 410 aw h e nt h ev a p o rq u a l i t yi s h i g h e rt h a n0 6 n e wc o r r e l a t i o n st op r e d i c tt h el o c a lh e a tt r a n s f e rc h a r a t e r i s t i c s a n dt h ef r i c t i o n a lp r e s s u r ed r o po fr 410 a o i lm i x t u r ef l o wc o n d e n s a t i o ni n s i d e s m a l lm i c r o f i nt u b e sw e r ed e v e l o p e db a s e do nl o c a lp r o p e r t i e so fr e f r i g e r a n t - o i l m i x t u r e ；t h en e wc o r r e l a t i o nf o rh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta g r e e sw i t h9 2 o ft h e e x p e r i m e n t a ld a t aw i t h i na d e v i a t i o no f + 2 0 ，a n dt h en e wf o rf r i c t i o n a lp r e s s u r e d r o pa g r e e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t h i nad e v i a t i o no f - 4 - 3 0 t h en e w c o r r e l a t i o n sc a ns a t i s f a c t o r i l yp r e d i c tt h eh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o n a lp r e s s u r e d r o pc h a r a c t e r i s t i c so fr 4 10 a o i lm i x t u r ef l o wc o n d e n s a t i o ni n s i d em i c r o f i n t u b e s 2 ) t h ep o o lb o i l i n gh e a tt 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 - o i lm i x t u r eo nt h e m e t a lf o a mc o v e r s a r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y , a n dt h ei n f l u e n c e so ft h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dt h eo i lc o n c e n t r a t i o no nt h ep o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tm e t a lf o a mm a y e n h a n c et h ep o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e rb y5 0 - 16 0 an e wc o r r e l a t i o nw a s 第1 1虹 d e v e l o p e db a s e do nt h em i x t u r ep r o p e r t i e so fr e f r i g e r a n t o i l ，a n di ta g r e e sw i t h 9 5 o ft h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t h i nad a v i a t i o no f 士1o an e wt h e r i o t i c a l m o d e lf o rp r e d i c t i n gt h ef l o wb o i l i n gc h a r a c t e r i s c t i so ff l u i di nt h em e t a lf o a m w a sd e v e l o p e d ，a n di tc a na g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h et u b ew a l l t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed r o pi nt h ee x i s t i n gl i t e r a t u r e s 3 ) t h em i g r a t i o nc h a r a c t r i s t i c so fn a n o p a r t i c l e si nt h ep o o lb o i l i n gp r o c e s so f r e f r i g e r a n t 。o i lm i x t u r ea l ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y , a n dt h ee f f e c t so f t h et y p e o ft h en a n o p a r t i c l e s ，t h ep a r t i c a ls i z e ，t h et y p eo ft h er e f r i g e r a n t s t h eh e a tf l u x a n dt h eo r i g i n a ll i q u i dl e v e lo nt h em i g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n t h ea u t h o rp r e s e n t e dt h em a i nw e a k n e s sa n dt h e f u r t h e rk e y p o i n t ss h o u l db ef o c u s e do ni nt h en e a rf u t u r e k e yw o r d s ：c o n d e n s a t i o n ，b o i l i n g ，m e t a lf o a m ，m i g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， n a n o p a r t i c l e s ，o i l ，s m a l ld i a m e t e rt u b e 第1 i i 页 i _ f 丁交通人。博l 石站于 告符f l 衣 变量： a ，b常系数 彳换热面积，m 2 勺 比热，jk g - 1k - 1 d 直径，m e f换热影响因子，无量纲 厂摩擦系数 g g g a 龟 k m n u p p f p h 下标： a a 重力加速度，ms 。2 质流密度，k g m 乏s 。 伽利略数，无量纲 比焓，k jk g - 1 汽化潜热，k jk 百1 渗透率 长度，m 质量流量，k g s 1 努塞尔数，无量纲 压力，k p a 压降油影响因子，无量纲 相变数，无量纲 符号表 制冷剂在强化管内 制冷剂油混合物在强化管内 加速 泡点 流体，纤维 摩擦 水力 内 入口 液相 当地 强化管 泡沫金属 气液混合物 动量方程 普朗特数，无量纲 压降，k p a 热流密度，w m 之 换热量，w 雷诺数，无量纲 源项 温度，o c 质量干度，无量纲 m a r t i n e l l i 参数 换热系数，wm 。2 k 一1 空泡系数，孔隙率 导热系数，wm ok j 扭曲度 动力粘度，p as 密度，k gm 七 速度，ms _ 表面张力，nm 一 油浓度， 两相摩擦乘子 名义 油 出口 泡沫金属孔 制冷剂 制冷剂在光管内 固相 饱和 光管 总体 两相 气相 壁面 重力 第v l 贞 n g q n s丁z凰口名zp d 盯缈 eop r s s跳对讹译v w z |砉呲f羞h；m l眦5莹m m i 沲交通人学 1 1 ii 焉鼻。t 报告第一帝绪沦 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 全球气候变暖已经影响到人类的生存和社会的可持续发展，“节能减排”是 解决气候变暖的一个有效途径，也是我国的基本国策。按照我国“十一五”规划， 中国力元国内生产总值能耗将由2 0 0 5 年的1 2 2 吨标准煤下降到1 吨标准煤以下， 实现降低能耗2 0 左右的目标【l 】。在我国，能源在工业生产与民用生活中的消耗 量同益增大，其中的建筑能耗已高达总能耗的3 0 ，建筑能耗中将近一半用于暖 通空调，尤其是在一些大中型商场等建筑中，暖通空调能耗的比例更高。目前国 内空调市场需求量大致为2 3 0 0 - , - 2 4 0 0 万台年，我国的制冷空调产品的生产和保 有量还在快速上升，导致制冷空调产品的耗电不断上升，单是夏季空调耗电在国 内很多城市己超过总用电量的4 0 ，这造成总的社会耗能快速上升，不少城市在 用电高峰时还不得不为空调的用电而停止工业等用电。“节能减排”的目标迫切 需要改变这种空调用电量的上升趋势，这就必须提高制冷空调产品的能效。 在提高制冷空调产品的能效的各种努力中，提高换热器的传热效率，是需要 优先考虑的，这是因为换热器传热过程所造成的不可逆损失是整个制冷空调系统 各部件中最大的，在所有造成效率损失的因素中，换热器环节约占8 6 ，远远高 于其它各项不可逆因素之和。如果能够使得空调器换热管内的换热系数提高l 倍，可使系统的能耗约减少1 2 1 2 j 。 对于提高换热器管内换热系数的方法，主要有两种方法，一种是通过改变 通道来实现强化传热的目的，如采用小管径换热管、内嵌泡沫金属换热管；另 一种是采用高性能的传热流体，如采用纳米制冷剂( 即纳米粉体与常规制冷剂 的混合物) 来实现强化传热。 在蒸汽压缩式制冷系统中，压缩机中的润滑油会不可避免地被制冷剂蒸汽 带出并进入换热器，从而对换热和压降特性造成一定的影响。制冷系统中的压 缩机不同，其润滑油循环量办不同。影响压缩机排气含油率因素较多，如压缩 机类型、压缩机转速、压缩机高低压工况、压缩机注油量以及压缩机容量等。 对于系统中的循环油浓度，小型制冷装置中的转子式压缩机，循环油浓度约为 1 3 ；活塞式压缩机通常为0 5 1 o ；而大型制冷机循环油浓度通常小于l 。 润滑油具有润滑、密封、冲洗以及避免制冷剂过热等作用，但润滑油的存在也 会对制冷系统带来一些负面影响，如：改变制冷剂的热物理性质、增加制冷剂 的流动阻力、影响制冷剂侧的传热效果等。因此，在研究管内强化传热特性时， 应考虑润滑油的影响。 第1 负 f ：河交通人学博l 。肝站报告箱一章绪论 1 1 1 采用小管径换热管以强化管内换热性能 为了节能和节材，目前换热器的设计越来越小型化。换热器的小型化不仅 可以增强换热、改善能效和增加安全性，通常还会减少制冷剂充注量，降低制 冷剂泄漏量和运行成本【3 】。换热器小型化的主要途径之一就是增大单位体积的 换热面积，同时提高单位面积的换热效率。目前，空调换热器内所采用的换热 管管径越来越小，其中管径为5m m 的小管径换热管j 下在被广泛地应用于空调 用换热器。而换热器的小型化，改变了制冷剂在传统常规尺寸换热管内的流动 通道，润滑油的混入增加了制冷剂流动沸腾换热的复杂性，导致制冷剂油混合 物在小型换热器管内流动沸腾的换热特性与常规尺度换热管内的换热特性不同 1 3 j 。环保制冷剂r 4 1 0 a 是r 2 2 的理想替代物。如何计算小管径换热管内的换热 系数和压力损失，定量评价润滑油的混入对r 4 1 0 a 制冷系统用紧凑式换热器性 能的影响，对于设计开发紧凑式蒸发器，促进小管径换热管的工程应用，具有 重要价值。 1 1 2 采用内嵌泡沫金属的换热管以强化管内换热性能 传统思路主要是通过改变换热管内壁面的结构形态和传热面积，实现增大 换热面积、增强扰流、增加液体汽化核心从而增强换热的目标。由于这方面已 进行了长期的研究，因此继续采用这种传统思路来强化换热遇到了瓶颈。已有 的这种强化管内传热思路的局限在于，所有的强化均是针对制冷剂与管壁的传 热，直接扰动并产生传热影响的只是管壁附近很薄的一层制冷剂，而对于占据 圆管截面主要部分的制冷剂，所产生的影响是间接并且薄弱的。如果我们能够 让圆管截面主要部分的制冷剂也能直接得到扰动，并且与导热系数比制冷剂高 得多的金属纤维进行热交换，则换热系数可以发生巨大的提高。泡沫金属的产 生，为实现这种强化传热方式提供了一种可用的材料。 泡沫金属是近年来发展起来的一种功能材料，其显著特征是内部有大量的 孔隙，开孔结构的泡沫金属具有强化流动传热的潜力。将开孔结构的泡沫金属 嵌入换热管内具备很多有利于强化传热的特性：1 ) 具有很大的比表面积，可以 大大增加管内有效换热面积，充满泡沫金属的圆管其单位长度有效换热面积可 增加5 到l o 倍，因此泡沫金属提供了一种新的强化换热方式，在不增加体积的 情况下极大增加了换热面积；2 ) 由于泡沫金属结构复杂，在强迫对流条件下有 利于形成三维复杂流动，克服边界层的不利影响；3 ) 对于流体沸腾换热过程， 泡沫金属还可增加发泡点，引起流体内部沸腾换热。因此，鉴于开孔结构的泡 沫金属具有很好的强化传热能力，有望作为强化传热的技术手段而显著提高换 热器的效能。 笫2 页 l 河交通人。1 i ；f 后站报告弼节绪论 在实际压缩式制冷空调系统中，运行的流体为制冷剂与润滑油的混合物， 相对于容易相变的制冷剂，润滑油属于流体中的高粘度非相变组分。润滑油的 存在，会对换热管内流动沸腾的传热传质特性造成影响，对于管径为5m m 的 换热管，润滑油对换热系数的影响最大约为3 0 【4 j ，对压降特性的影响最大约 为1 2 0 5 1 。由于泡沫金属复杂的空问结构，润滑油的存在对流动沸腾的影响会 更为复杂，主要体现在以下几个方面：1 ) 润滑油的存在，使得流动沸腾过程中， 液相成分的比例在流动沸腾过程中不断改变，液相混合物的热物性不断变化， 从而导致液相与固相、液相与气相的传热特性不断变化；2 ) 流动沸腾过程中， 气液相交界面会积聚一层润滑油，抑制气液相问的质量传递，从而导致液相与 固相、液相与气相的传质特性不断发生变化；3 ) 润滑油还有可能粘附在泡沫金 属的金属纤维上，产生附加热阻，改变流道结构，减小泡沫金属的孑l 隙率，从 而降低会属结构与流体的换热效率，改变泡沫会属的渗透率，并增加流体的摩 擦压降；4 ) 润滑油的存在，会改变固体面壁的发泡点和流体的发泡温度，同时 会影响管内流动沸腾的流型，导致泡沫金属内流体传热传质、流动特性的改变。 因此，了解高润滑油对泡沫会属沸腾换热特性的影响，是在压缩式制冷循 环等热力系统中使用泡沫会属强化流动沸腾传热、克服目前换热管内强化传热 瓶颈必须解决的关键问题。 1 1 3 采用纳米制冷剂以强化管内换热性能 纳米流体是将纳米粉体悬浮在基液中形成的稳定悬浮液，其中纳米粉体包 括：零维纳米粉体( 球形纳米颗粒，纳米材料包括金属、金属氧化物及非金属等) 和一维纳米粉体( 纳米管，目前这类纳米材料只有碳纳米管) 。已有的研究表明， 纳米流体的热导率明显高于常规流体【6 0 1 。因此，采用纳米流体可以提高热交换 系统的传热性能。 纳米制冷剂是一种以制冷剂为基液的纳米流体，用纳米制冷剂代替通常的制 冷剂以强化传热，是提高制冷系统的效率、实现节能降耗的一种有效的方案【l i ，1 2 j 。 在很多热力系统中，相变传热过程是其中最重要的热交换过程，如制冷系统 中的蒸发和冷凝过程。希望利用纳米流体强化传热以提高热力系统的效率，是很 多纳米流体研究工作的目的；而了解纳米流体相变传热特性，尤其是沸腾传热特 性，是纳米流体研究的焦点。 此外，在纳米流体沸腾传热中，纳米粉体可发生迁移。纳米粉体的迁移，是 指纳米粉体在纳米流体的沸腾过程中脱离液相进入气相。纳米粉体的迁移特性决 定了纳米粉体在气、液相的浓度分布，进而影响气、液相的热物性，比如热导率、 粘度等；而这些热物性的改变则决定了纳米粉体对沸腾传热的影响效果。如果纳 米粉体在沸腾过程的迁移受到阻碍，则意味着纳米粉体会在热力系统的换热部件 第3 页 i ：河交通人学博i jj l i f i ：站报告菊一帝绪论 中沉积下来，即开始在热力系统中循环的纳米流体，经过一定循环次数后，退化 成非纳米流体，从而影响采用纳米流体的热力系统的长期运行稳定性。如果不了 解纳米粉体的迁移特性，就无法定量评估纳米粉体对沸腾传热的影响效果和评估 采用纳米流体的热力系统的长期运行稳定性。因此，明确纳米粉体在纳米流体沸 腾过程中的迁移机制，包括有多少纳米粉体脱离液相进入气相、如何进入、受哪 些因素的影响等，是将纳米流体用于强化沸腾传热所必须研究清楚的问题。 研究纳米制冷剂沸腾过程中的纳米粉体迁移，必须要考虑润滑油的影响。这 是因为制冷空调系统中制冷剂不可避免地含有润滑油，采用纳米制冷剂的制冷系 统中，运行的工质实质上是含油纳米制冷剂，而润滑油的存在会影响纳米粉体的 迁移特性。润滑油的影响主要表现在：1 ) 润滑油是不易挥发的流体，随着干度 的增加，润滑油在液相工质中的比例会显著增加。由于润滑油的热物性与液相制 冷剂有明显不同，例如其粘度比液相制冷剂高大约三个数量级，从而影响纳米粉 体和制冷剂气泡在液相工质中的运动规律；2 ) 润滑油会增加沸腾的发泡点，改 变制冷剂气泡的动力特性，从而影响气泡与纳米粉体的相互作用规律。 本文的主要任务，是针对小管径换热管、泡沫金属、纳米制冷剂等三种强化 管内换热技术，调研目前的研究现状，针对存在的不足开展相关的研究，为高效、 节能环保的制冷系统换热器的设计提供基础数据和理论依据。 1 2 相关领域研究现状及不足之处 1 2 1 小管径换热管强化管内换热性能的研究现状及不足之处 1 2 1 1r 4 1 0 a 润滑油混合物管内流动沸腾的研究现状 目前，已有文献对r 4 1 0 a 润滑油混合物管内流动沸腾的换热和压降特性进 行了实验研究，并根据得到的实验数据开发了r 4 1 0 a 润滑油混合物管内流动沸 腾的换热和压降模型l l 孓1 9 1 。研究表明，制冷剂中混入润滑油增加了流动沸腾过 程中的热质传递的复杂性，使得r 4 1 0 a 一润滑油混合物管内流动沸腾的换热和压 降特性与纯r 4 1 0 a 有很大区别。 胡海涛等 1 3 - 1 5 1 对r 4 1 0 a 润滑油混合物在7i n n l 、5m i l l 和3i l l i n 光管，以及 7r a i n 和5r n n l 强化管内的流动沸腾换热特性进行了研究。 对光管的研究，得出了以下主要结论：1 ) 流型的观察表明，r 4 1 0 a 润滑 油混合物在光管内的流型主要有波纹层状流、间歇流、环状流和干涸流；质流 密度增大会促进波纹层状流向间歇流和环状流的发展；质量流量大于3 0 0 k g m 2 s 时，在整个干度变化范围内，弹状流不再出现，流型依次从间歇流过渡 第4 页 i ：海交通人学博ie 川l 站于| 青韶。帚绪论 到环状流和干涸流：在高干度工况下，润滑油的混入对制冷剂流型有较大的影 响，会引起干涸流流型的延迟。2 ) 对于r 4 1 0 a 润滑油混合物，换热系数受干 度的影响很大。干度小于0 6 时，润滑油的存在总是增大换热系数；干度为 o 伽7 时，随着油浓度的增大，换热系数在油浓度约为2 - , - 4 时达到最大值， 然后随着油浓度的继续增大，换热系数丌始减小；干度大于0 7 时，r 4 1 0 a 润 滑油混合物的换热系数随着干度的增大迅速降低。3 ) 管径的减小使得润滑油与 制冷剂混和更为均匀，润滑油的存在对换热的恶化作用减小。相对于7 0m m 测 试管，r 4 1 0 a 油混合物在5 0m m 管内的换热系数大于7 0m m 管内的换热系数， 同时润滑油的恶化作用较小，这是采用小管径换热管的一个优点所在，这一优 点对于促进高效、紧凑式换热器的应用，具有一定的推动作用。 对强化管的研究，得出了以下主要结论：1 ) 对于r 4 1 0 a 润滑油混合物， 换热系数受干度的影响很大。干度小于0 6 时，润滑油的存在总是增大换热系 数；干度为0 6 - - 0 8 时，随着油浓度的增大，换热系数在油浓度约为2 4 时达到最大值，然后随着油浓度的继续增大，换热系数丌始减小；干度大于0 8 时，r 4 1 0 a 油混合物的换热系数随着干度的增大迅速降低。2 ) 随着管径的减 小，润滑油对强化管内换热系数的恶化作用减小。3 ) 与光管内的换热特性相比， 润滑油的存在对强化管内换热的影响较小。 胡海涛等【1 6 - 1 9 】对r 4 1 0 a 润滑油混合物在7m m 、5m m 和3m m 光管，以及 7m m 和5m m 强化管内的流动沸腾压降特性进行了研究。 对r 4 1 0 a 润滑油混合物在光管内流动沸腾的研究，得出了以下主要结论： 1 ) 润滑油的存在总是增大r 4 1 0 a 在光管内的摩擦压降。对7m m 管，当平均 油浓度从o 增长到5 时，压降最大可增加5 0 ；对5m m 管，当平均油浓度 从0 增长到5 时，摩擦压降最大可增加8 0 1 2 0 。2 ) r 4 1 0 a 油混合物的 摩擦压降随平均油浓度，质流密度和干度的增大而增大。3 ) 随着质流密度的增 大，润滑油的存在对摩擦压降的影响减小。4 ) 5m m 光管内的摩擦压降比7m m 光管的摩擦压降增大1 0 5 0 。 对r 4 1 0 a 润滑油混合物在强化管内流动沸腾的研究，得出了以下主要结 论：1 ) 润滑油的存在总是增大r 4 1 0 a 在强化管内的摩擦压降。对7m m 管， 当平均油浓度从o 增长到5 时，压降最大可增加3 1 ；对5m i l l 管，当平均 油浓度从0 增长到5 时，摩擦压降最大可增加8 0 1 2 0 。2 ) r 4 1 0 a 一油混 合物的摩擦压降随平均油浓度，质流密度和干度的增大而增大。3 ) 质流密度的 增大，油的存在对摩擦压降的影响减小。4 ) 5r f l l n 强化管内的摩擦压降比7m m 强化管的摩擦压降增大l o 一3 0 。 第5 页 f ：河交通人学博l 厅川：站报告笫市绪论 1 2 1 2r 4 1 0 a 一润滑油混合物管内流动冷凝的研究现状 到目i j 为止，还没有r 4 1 0 a 润滑油混合物管内流动冷凝换热和压降特性的 相关报道。 对于其他制冷剂油混合物管内流动冷凝换热特性的研究表明，润滑油的存 在恶化了冷凝换热，但也有个别文献【2 0 2 i 】报道润滑油的混入提高了制冷剂的冷凝 换热系数，这说明润滑油对制冷剂冷凝换热的影响没有一致性的结论。同时，已 有的研究也表明润滑油的存在对光管和强化管内换热特性的影响是不相同的 2 2 - 2 4 】，制冷剂润滑油的冷凝换热特性受制冷剂润滑油的种类、油的浓度、换热 管类型和干度等工况因素的影响【2 引。 对于纯工质r 4 1 0 a 在光管和强化管内流动冷凝的换热和压降特性，已有不 少文献进行了研究。对于光管和强化管内的流动冷凝换热特性，c a v a l l i n ie t a 1 【2 6 】，d o b s o na n dc h a t o 2 7 】，e c k e l sa n dt e s e n e 2 8 】，j u n ge ta 1 2 9 】，k i ma n ds h i n 【3 0 1 ，w i j a y aa n ds p a t z 3 1 】，b o g a r ta n dt h o r s 3 2 】，c a v a l l i n ie ta 1 【3 3 1 d u n n 3 4 】，g o t o e ta 1 【3 5 1 ，h a na n dl e e 3 6 】，k e d z i e r s k ia n dg o n c a l v e s 3 7 】，k w o ne ta 1 3 8 】，m i y a r a e ta 1 3 9 】和t a n ge ta 1 4 0 】等进行了研究，包含的管径范围为3 1 4 1 4 6 1m m 。这 些研究表明：1 ) 纯r 4 1 0 a 在强化管内的换热系数是相同工况下同管径光管内 换热系数的1 2 2 9 4 倍，并且管径越大，强化管强化换热的效果越明显；2 ) 管 径对流型的转变有影响，从而造成不同管径换热管的换热特性的不同( 比如较 小的管径能够促进波纹层状流向环状流的转变，从而促进小管径换热管的换 热) 。对于光管和强化管内的流动冷凝压降特性，c a v a l l i n ie ta 1 【2 引，m i y a r ae ta 1 【3 9 】，w i j a y aa n ds p a t z 3 1 】，e c k e l sa n dt e s e n e1 2 8 ，g o t oe ta 1 ，h a na n dl e e 3 6 1 和k e d z i e r s k ia n dg o n c a l v e s 3 7 】等进行了研究，包含的管径范围为4 1 4 6 1m m 。 这些研究表明：1 ) 纯r 4 1 0 a 在强化管内的摩擦压降是相同工况下同管径光管 内换热系数的1 2 2 1 倍，并且管径越大，强化管增大压降的效果越明显；2 ) 管径对流型的转变有影响，从而造成不同管径换热管的摩擦压降特性的不同。 1 2 1 3 小管径换热管强化管内换热性能研究的不足之处 根据上述对于小管径换热管内流动沸腾和冷凝的文献综述表明，对于流动沸 腾的研究较为充分，但是对于流动冷凝的研究，现有的研究主要集中在7 0m m 以上常规尺度的换热管，对于制冷剂润滑油混合物在管径小于7 0m m 换热管内 的研究还未有报道，更没有环保制冷剂r 4 1 0 a 油混合物在换热管内冷凝换热的 研究报道。 第6 页 ：海：芝通人f f i | f 后支i 报告 筇一章绪沦 曼曼! 曼曼曼詈曼i i 曼 1 2 2 泡沫金属强化管内换热性能的研究现状及不足之处 国内外学者对泡沫会属内的流动与传热特性进行了积极的探索，主要包括： ( 1 ) 泡沫金属内的单相强制对流换热的实验与模型研究。c a l m i d i 等【4 2 喇j 考 虑了泡沫金属骨架高热导率而引起的局部热不平衡，建立了泡沫会属内单相强制 对流传热模型，并以空气流过泡沫金属的实验对模型进行了验证；z h a o 等1 4 孓4 7 j 对空气在泡沫金属内单相强制对流特性进行实验与建模；t o p i n 掣4 8 】对泡沫金属 内的单相强制对流进行了实验研究；李盈海等 4 9 】、陆威等【5 0 】对泡沫金属内单相 强制对流换热进行了数值模拟与实验验证：刘东等【5 i 】对充满泡沫金属的“见”形 散热器内单相对流换热进行了实验研究。 ( 2 ) 泡沫金属内不含非相变组分的流体流动沸腾特性的实验研究。t o p i n 等 4 8 j 对泡沫金属内不含非相变组分的流体流动沸腾进行了实验研究；赵长颖等【5 2 】 对r 1 3 4 a 在泡沫金属内的流动沸腾进行了实验研究。 上述研究为含有非相变组分的流体在泡沫金属内流动沸腾热质传递特性的 研究奠定了基础。 然而，非相变组分的存在，使得泡沫会属内流体流动沸腾特性相对于单相强 制对流和不含非相变组分的流体流动沸腾特性更为复杂，因此非相变组分对泡沫 金属内流体流动沸腾热质传递的影响机制还有待于进一步研究。由于流动沸腾比 较复杂，而核态沸腾是沸腾传热的基本形式，因此，首先要研究非相变组分对泡 沫金属加热表面上核态沸腾换热特性的影响。 对于泡沫盒属内流动沸腾的研究，已有的文献都是关于实验研究的，还没有 关于理论模型的研究报道。 1 2 3 纳米制冷剂强化管内换热性能的研究现状及不足之处 1 2 3 1 纳米制冷剂换热特性的研究现状 已有的研究表明，纳米流体的热导率明显高于常规流体。因此，采用纳米流 体可以提高热交换系统的传热性能。研究发现在热管和微通道热沉中使用纳米流 体，可以使热管和微通道热沉的传热能力得到提耐5 3 。5 引。例如，在以水为工作液 体的两相闭式热虹吸管中添加一定数量的纳米颗粒，可以使热管的传热系数提高 4 7 , - , 9 6 i 5 3 】。对于制冷系统而言，应用纳米制冷剂可以提高制冷装置的换热量 与能效比【1 1 , 1 2 】。采用纳米颗粒矿物冷冻油的r 1 3 4 a 冰箱，制冷性能优于原酯类 油系统，节能可达2 0 以上】。将纳米颗粒润滑油混合物注入r 4 1 0 a 空调器中， 可以使冷凝器的过冷度增加1 8o c l l 2 j 。 在很多热力系统中，相变传热过程是其中最重要的热交换过程，如制冷系统 中的蒸发和冷凝过程。希望利用纳米流体强化传热以提高热力系统的效率，是很 第7 负 l i 海交通人学博| ，j 再鲥i 报告第一幸绪论 多纳米流体研究工作的目的；而了解纳米流体相变传热特性，尤其是沸腾传热特 性，是纳米流体研究的焦点。国内外的研究者对纳米流体的核态沸腾【5 8 】和流动 沸腾特。| 生 6 9 , 7 0 】进行了大量的实验研究，但结论却不尽一致。除了得出纳米粉体强 化传热的结论以外 6 0 , 6 3 , 6 5 , 6 8 , 6 9 , 7 0 】，也有不少研究者得到了纳米粉体弱化传热的结 论【5 9 6 2 ，6 7 j ，还有研究结果表明纳米粉体在不同工况下会出现强化传热和弱化传热 两种不同的效果【6 1 , 6 4 , 6 6 。 1 2 3 2 纳米粉体在纳米制冷剂沸腾中迁移特性的研究现状 丁国良等1 7 l j 实验研究了c u o r 1 1 3 纳米制冷剂沸腾过程中纳米颗粒的迁移特 性，得到了c u o 纳米颗粒的迁移量随c u o 纳米颗粒的初始质量和制冷剂r 11 3 的初 始质量的变化规律。作为基础性的研究，作者仅选择了一种固定粒径的纳米颗粒， 因此该实验研究不能反映纳米颗粒的种类和粒径对纳米制冷剂沸腾过程中纳米 颗粒迁移特性的影响。 1 2 3 1 纳米制冷剂研究的不足之处 上述文献综述表明，纳米粉体对于换热特性的影响效果是不一致的，现在还 没有成熟的研究结果。应用纳米流体来实现强化沸腾传热的效果，并不能简单地 直接将纳米流体代替传统流体就能获得；为了获得能保证强化沸腾传热的纳米流 体技术，需要对于纳米流体沸腾传热中的基础问题进行深入的研究，如纳米粉体 的迁移特性。 对于纳米粉体迁移的研究中，目前只能确定球形纳米粉体迁移现象的存在 。但是对于球形纳米颗粒迁移的机制缺少了解，包括球形纳米颗粒的种类、球 形纳米颗粒的粒径、制冷剂的种类、热流密度、初始液位等参数对纳米颗粒迁移 量的定量影响，尚不明确。 1 3 本文工作 本文以制冷系统换热器管内强化传热技术为研究背景，针对目自订研究中存 在的问题和不足，开展小管径换热管、内嵌泡沫金属换热管、纳米制冷剂强化 传热特性的研究，主要包括以下三个方面的内容： 1 ) 含油制冷剂在小管径换热管内的流动冷凝换热与压降特性研究 通过实验研究，分析小管径换热管内流动冷凝的换热与压降特性，了解 润滑油对小管径换热管内换热与压降特性的影响，并开发基于混合物性 的换热和压降关联式。 第8 页 f ：海交通人学 i 后站报告 粥亭绪论 2 ) 泡沫金属强化换热特性研究 实验研究泡沫金属对核态沸腾换热特性的影响，并丌发能够预测泡沫金 属核态沸腾换热特性的关联式，从而明确泡沫金属强化核态沸腾换热的 效果；开发泡沫金属内流动沸腾的预测模型，用于指导内嵌泡沫会属换 热器的设计。 3 ) 纳米粉体在沸腾中的迁移特性研究 通过实验研究，得出有油和无油工况下，纳米粉体的种类、纳米粉体粒 径、制冷剂种类、热流密度、初始液位对纳米粉体在含油纳米制冷剂沸 腾过程中迁移特性的影响规律。 第9 页 i ：海交通人学博i j 后站报告第一：帝含汕制 令剂f 1 ：小管 f 换热1 1 ：内的流动冷：疑换热jj ! 降 - r f 第二章含油制冷剂在小管径换热管内的流 动冷凝换热与压降特性 要实现测试含油制冷剂在小管径换热管内流动冷凝换热和压降特性的目的， 需要搭建含油制冷剂管内流动冷凝换热及压降特性测试实验台，在搭建的实验台 上进行试验测试，分析小管径换热管内流动冷凝的换热与压降特性，以及润滑油 对换热和压降的影响，并基于实验数据开发换热和压降关联式。 2 1 实验装置与测试工况 含油制冷剂管内冷凝换热及压降特性测试实验台的原理如图2 1 所示。 2 4 2 42 4 1 室外机组，2 压缩机，3 冷凝器，4 室外机电子膨胀阀，5 油分离器，6 贮油器，7 一回油毛 细管，8 室内机组，9 室内机后置加热器，1 0 制冷剂质量流量计，1 1 j f ：回阀，1 2 润滑油质 量流量计，1 3 油泵，1 4 一细微刻度调节手阀，1 5 一储油罐，1 6 一油分离器，1 7 一混合室，1 8 采样 筒，1 9 预冷段，2 0 实验段，2 1 过冷段，2 2 视镜，2 3 水流量计，2 4 水泵，2 5 恒温水槽 图2 1 流动冷凝换热及压降特性实验装置示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i co ft e s tr i gf o rf l o wc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r e d r o pc h a r a c t e r i s t i c s 第1 0 页 f ：海交通人学博i j 厅站报告筇：节岔油：令剂仃小管件挨批管f 勺的流动冷：髓换执。巾i 阶 忡 实验台由制冷剂回路、润滑油回路和冷却水回路组成，具体的介绍如下： ( 1 ) 制冷剂回路 制冷剂回路主要用于制冷剂油混合物换热和压降特性的测量，主要由压缩 机、室内机、室外机、电子膨胀阀、制冷剂质量流量计、预冷段、测试端和过冷 段组成。在冷凝测试实验台中，从压缩机出口产生的过热蒸汽在经过三个高效油 分器之后，一路进入室