新型制冷劑在水平微細(xì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及臨界熱流密度特性研究碩士學(xué)位論文

1、<p><b>　　中圖分類號(hào)：</b></p><p><b>　　TB69</b></p><p>　　學(xué)校代碼：10252</p><p>　　學(xué) 號(hào)：122400078</p><p>　　上海理工大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　新型制冷劑在水平

2、微細(xì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱</p><p>　　及臨界熱流密度特性研究</p><p>　　姓 名 姜林林</p><p>　　系 別 能動(dòng)與動(dòng)力工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè) 制冷及低溫工程</p><p>　　研究方向 制冷空調(diào)新技術(shù)</p><p>　　指

3、導(dǎo)教師柳建華 教授</p><p>　　學(xué)位論文完成日期 2014年12月</p><p>　　THE STUDY ON NEW TYPE REFRIGERANT’S</p><p>　　CHARACTERISTICS OF FLOW BOILING HEAT TANSFER AND</p><p>　　CRITICAL HEAT

4、FLUX IN HORIZONTAL MINI-CHANNELS</p><p><b>　　by</b></p><p>　　Jiang Lin Lin</p><p>　　A Thesis Submitted to University of Shanghai for Science & Technology in Partial

5、Fulfillment of the Requirements for</p><p>　　the Degree of Master</p><p>　　Under the Supervision of</p><p>　　Professor Liu Jian Hua</p><p>　　University of Shanghai for

6、 Science & Technology</p><p>　　December 2014</p><p>　　學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)位論文保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有

7、關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p><p><b>　　本學(xué)位論文屬于</b></p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：</p><p>　　年 月 日 年 月 日</p><p&g

8、t;<b>　　聲 明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。</p><p>　　本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。</p><

9、;p><b>　　學(xué)位論文作者簽名：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　如何能夠提高制冷系統(tǒng)效率與避免其對(duì)環(huán)境的破環(huán)是當(dāng)前制冷研究領(lǐng)域最熱門的話題，而采用高效換熱器與環(huán)保型制冷劑是解決上述問題最根本的

10、手段。R290作為R22比較有潛力的一種典型替代工質(zhì)，其不僅具有出色的物理及化學(xué)特性，而且ODP值與GWP值均接近0。但是目前關(guān)于R290在水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的研究還不多，對(duì)R290在管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的機(jī)理的研究還不夠充分，認(rèn)識(shí)也很局限，對(duì)其中觀察到的現(xiàn)象還無法很好地去解釋，故還需從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面來深入探討。</p><p>　　本課題針對(duì)R290在微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性、干涸特性及其發(fā)生干涸時(shí)臨界熱流密

11、度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，為設(shè)計(jì)高效R290微細(xì)通道換熱器提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　針對(duì)上述研究目標(biāo)，本文主要進(jìn)行了以下方面工作：</p><p>　?。?）研究了微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱模型，分析了微細(xì)通道內(nèi)換熱特性差異與干涸形成機(jī)理，介紹了微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)、干涸及流態(tài)轉(zhuǎn)變的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　?。?）R290在水平微細(xì)光

12、管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)研究。測定不同熱流密度、不同飽和溫度、不同質(zhì)量流率、不同管徑下，R290在水平微細(xì)光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)，分析其變化規(guī)律。</p><p>　?。?）對(duì)R290管內(nèi)流態(tài)及管表面溫度進(jìn)行可視化研究。對(duì)發(fā)生干涸的機(jī)理及影響因素進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，通過換熱過程中觀測的流型分析流態(tài)轉(zhuǎn)變與換熱系數(shù)之間相互關(guān)系。</p><p>　?。?）R290在水平微細(xì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰臨界

13、熱流密度特性實(shí)驗(yàn)研究。測定不同飽和溫度、不同質(zhì)量流率、不同管徑，不同入口干度下，R290在水平微細(xì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰臨界熱流密度，分析其變化規(guī)律。</p><p>　　根據(jù)上述研究內(nèi)容，得到如下主要結(jié)論：</p><p>　?。?）R290在微細(xì)通道內(nèi)熱流密度的增加對(duì)強(qiáng)化管內(nèi)核態(tài)沸騰換熱具有顯著影響；質(zhì)量流率對(duì)換熱系數(shù)的影響則相對(duì)較小；管徑的微尺度化使得原有的大管徑內(nèi)換熱模型不再適用；隨著飽和溫

14、度的增加換熱系數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì)。</p><p>　　（2）通過對(duì)動(dòng)態(tài)流態(tài)的可視化研究和對(duì)流態(tài)影響因素與轉(zhuǎn)變特性的分析，發(fā)現(xiàn)R290在微細(xì)通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱過程中換熱系數(shù)與流態(tài)有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且干涸發(fā)生主要在環(huán)狀流-霧狀流、波狀流-霧狀流轉(zhuǎn)變狀態(tài)以及不穩(wěn)定環(huán)狀流狀態(tài)時(shí)。</p><p>　?。?）針對(duì)微細(xì)通道內(nèi)R290臨界熱流密度的實(shí)驗(yàn)研究表明，臨界熱流密度隨著質(zhì)量流率、換熱管徑

15、的增大而增大；隨著飽和溫度、入口干度的增大而單調(diào)減小。</p><p>　　本課題所做的工作是在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定程度的創(chuàng)新。在整個(gè)換熱實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)R290在微細(xì)通道內(nèi)熱流密度、質(zhì)量流率、飽和溫度等參數(shù)對(duì)流態(tài)及其轉(zhuǎn)變特性的影響進(jìn)行了可視化的處理分析，同時(shí)對(duì)換熱管的表面溫度進(jìn)行紅外觀測。結(jié)合流態(tài)與紅外觀測，系統(tǒng)性地總結(jié)了R290在微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性及對(duì)換熱過程中干涸特性，為微細(xì)通道換熱器的設(shè)計(jì)提供了理

16、論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　關(guān)鍵詞：R290 微細(xì)通道 流動(dòng)沸騰換熱特性 臨界熱流密度 流態(tài) 干涸</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　How to improve the COP of the refrigeration system and avoid polluting the envir

17、onment is the most popular topic in the refrigeration field. Application of high efficient heat exchanger and environment-friendly refrigerant is the most fundamental means to solve the above problem.

18、 As the most potential alternative refrigerant to R22, R290 has not only excellent physical and chemical characteristics, but also the ozone depletion potential (ODP) and global warming potential (GWP) which are all clos

19、</p><p>　　The objective of this study is to investigate boiling heat transfer characteristics of R290 in mini-channel, the dry-out characteristics during heat transfer process and critical heat flux (CHF) ch

20、aracteristics when dry-out happens through experiment and theoretical analysis, which is used to provide theoretical basis and data support for mini-channel heat exchanger design.</p><p>　　In order to achiev

21、e above aims, this paper mainly works for the following aspects:</p><p>　　(1)Study the model for flow boiling heat transfer in mini-channel. Systematically analyze the mechanism of flow boiling heat transfer

22、 and dry-out phenomenon, and introduce the mathematical model of heat transfer coefficient, dry-out and flow pattern transition is introduced.</p><p>　　(2)The experimental research about R290 flow boiling he

23、at transfer characteristics in horizontal mini-channel is carried out. The R290 flow boiling heat transfer coefficient in mini-channel is tested at different heat flux, saturation temperature, flow rate, diameter, and th

24、en analyze its changing rules.</p><p>　　(3)The visual researches about R290 flow pattern and tube surface temperature are carried out and the dry-out mechanism and effects are investigated by comparative stu

25、dy of theoretical analysis and experimental evidence. The relationship between flow pattern and heat transfer coefficient is discussed through flow observation in the heat transfer process.</p><p>　　(4) The

26、experimental research about R290 flow boiling heat transfer CHF characteristics in horizontal mini-channel is carried out. The R290 flow boiling heat transfer CHF in mini-channel is tested at different saturation tempera

27、tures, flow rates, diameters, entrance dry-out qualities and then analysis its changing rules.</p><p>　　The main results obtained in present work are as follows:</p><p>　　(1) For R290 in the min

28、i-channel, heat flux has significant influence on intensifying nucleate boiling heat transfer; and flow rate has little influence on heat transfer; the traditional diameter tube heat transfer model no longer fit the mic

29、ro tube diameter; the heat transfer coefficient increases with the monotonic increase of saturation temperature.</p><p>　　(2) The results show a obvious corresponding relationship between heat transfer coeff

30、icient and flow pattern through visual studies of dynamic flow patterns and the analysis of its transition characteristics. In addition results also indicate that dry-out mainly occurs during annual-mist flow, wavy-mist

31、transition process and unstable annual flow.</p><p>　　(3) The studies for R290 in mini-channel shows that the CHF increases with the increase of flow rate and heat pipe diameter, and the CHF decreases with t

32、he monotonic increase of saturation temperature and entrance dry-out quality.</p><p>　　Concluding from the work done in this thesis, the study conducted some degree of innovation on the basis of previous stu

33、dy. Effect of heat flux, flow rate, saturation temperature on flow patterns and flow patter transition is analyzed by flow pattern visualization research, while test tube surface temperature is monitored with infrared im

34、aging. Combined with flow patterns and infrared imaging, The R290flow boiling heat transfer characteristics in mini-channel and dry-out characteristics during h</p><p>　　Key words: R290, mini-channels, flow

35、boiling heat transfer, critical heat flux, flow pattern, dry-out</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要</b></p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><

36、;p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1微細(xì)通道的概念1</p><p>　　1.2研究背景與意義1</p><p>　　1.2.1節(jié)能減排1</p><p>　　1.2.2環(huán)境保護(hù)2</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p>

37、<p>　　1.4本文問題的提出及主要研究內(nèi)容5</p><p>　　第二章 微細(xì)通道流動(dòng)沸騰換熱模型研究7</p><p>　　2.1微細(xì)通道換熱模型研究7</p><p>　　2.1.1核態(tài)沸騰與強(qiáng)制對(duì)流疊加換熱模型7</p><p>　　2.1.2三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型8</p><p>　　2

38、.2微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰干涸模型12</p><p>　　2.3微細(xì)通道流動(dòng)沸騰流態(tài)模型14</p><p>　　2.4本章小結(jié)16</p><p>　　第三章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與可視化實(shí)現(xiàn)17</p><p>　　3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容17</p>&

39、lt;p>　　3.1.2實(shí)驗(yàn)原理18</p><p>　　3.1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介22</p><p>　　3.1.4漏熱系數(shù)標(biāo)定與干度測量27</p><p>　　3.1.5可視化裝置設(shè)計(jì)27</p><p>　　3.2參數(shù)控制與流程29</p><p>　　3.2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制29</p&g

40、t;<p>　　3.2.2實(shí)驗(yàn)測試流程30</p><p>　　3.3本章小結(jié)31</p><p>　　第四章 R290換熱與干涸特性分析32</p><p>　　4.1熱流密度對(duì)換熱系數(shù)與干涸的影響32</p><p>　　4.2質(zhì)量流率對(duì)換熱系數(shù)與干涸的影響36</p><p>　　4.3飽

41、和溫度對(duì)換熱系數(shù)與干涸的影響42</p><p>　　4.4管徑對(duì)換熱系數(shù)與干涸的影響44</p><p>　　4.5干度對(duì)換熱系數(shù)與干涸的影響46</p><p>　　4.6干涸特性對(duì)換熱系數(shù)的影響46</p><p>　　4.7流態(tài)對(duì)換熱系數(shù)的影響47</p><p>　　4.8本章小結(jié)52</p

42、><p>　　第五章 R290管內(nèi)臨界熱流密度特性分析54</p><p>　　5.1質(zhì)量流率對(duì)臨界熱流密度的影響54</p><p>　　5.2管徑對(duì)臨界熱流密度的影響55</p><p>　　5.3飽和溫度對(duì)臨界熱流密度的影響56</p><p>　　5.4入口干度對(duì)臨界熱流密度的影響57</p>

43、<p>　　5.5本章小結(jié)58</p><p>　　第六章 結(jié)論與展望59</p><p><b>　　6.1結(jié)論59</b></p><p><b>　　6.2展望60</b></p><p><b>　　主要符號(hào)表62</b></p>

44、<p><b>　　參考文獻(xiàn)64</b></p><p>　　在讀期間公開發(fā)表的論文和承擔(dān)科研項(xiàng)目及取得成果68</p><p><b>　　致 謝69</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1微細(xì)通道的概念<

45、/p><p>　　由于通道尺寸變小之后通道內(nèi)流沸騰換熱現(xiàn)象不能用常規(guī)通道的換熱機(jī)理去解釋，所以在微細(xì)通道沸騰換熱研究過程中，首要的問題就是如何來區(qū)分常規(guī)通道與微細(xì)通道。Kandlikar[1]在2002年基于單相流動(dòng)的平均分子自由程、表面張力影響以及兩相流動(dòng)的流動(dòng)形式等，提出了對(duì)于流體流動(dòng)通道的最新分類方法：</p><p>　　常規(guī)通道Dh≥3mm</p><p>　

46、　細(xì)通道200μm≤Dh<3mm</p><p>　　微通道l0μm≤Dh<200μm</p><p>　　過渡性通道0.1μm < Dh<10μm</p><p>　　分子納米通道Dh≤0.1μm</p><p>　　本文所進(jìn)行的R290管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究通道的水力直徑介于1mm～3mm之間，根據(jù)上述通道分類的

47、標(biāo)準(zhǔn)，屬于微細(xì)通道的范圍。</p><p>　　1.2研究背景與意義</p><p><b>　　1.2.1節(jié)能減排</b></p><p>　　目前，各個(gè)國家都在研究如何提高能源利用率以及如何才能使人類與大自然環(huán)境和諧共存下去。但是大面積化石燃料的使用使得環(huán)境破環(huán)嚴(yán)重、水資源污染、土壤污染、霧霾、溫室效應(yīng)以及臭氧層破壞等，這些都成為了制約社會(huì)

48、向前更好發(fā)展的頑疾。然而隨著科技的發(fā)展人們生活質(zhì)量得到提高，制冷空調(diào)設(shè)備正以前所未有的速度在增加，而作為傳統(tǒng)耗能大戶，在制冷領(lǐng)域?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)上述目標(biāo)必須通過不斷的技術(shù)改進(jìn)甚至是技術(shù)創(chuàng)新來提高能源利用率，使得人類社會(huì)得以持續(xù)發(fā)展下去。</p><p>　　隨著政府推行的家電下鄉(xiāng)政策的實(shí)行以及節(jié)能惠民措施的實(shí)施，制冷空調(diào)設(shè)備正以更新更快速度推進(jìn)，根據(jù)相關(guān)部門的預(yù)測，未來5年內(nèi)制冷設(shè)備在我國的銷售增長依然能夠維持在20%以

49、上，而且根據(jù)市場調(diào)查現(xiàn)在消費(fèi)者更多的傾向于購買節(jié)能環(huán)保的制冷空調(diào)設(shè)備，因此降低制冷空調(diào)能耗成為行業(yè)內(nèi)提升競爭力的關(guān)鍵[2]。為了能夠通過技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?yīng)，必須要在制冷行業(yè)具有共性的技術(shù)上獲得突破性的進(jìn)展，因此目前業(yè)內(nèi)許多專家主要在環(huán)保制冷劑替代技術(shù)、高效換熱設(shè)備技術(shù)、智能控制技術(shù)以及制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)與理論研究，而對(duì)于空調(diào)設(shè)備中耗材最多的換熱器的改進(jìn)一直都是研究的重中之重。微細(xì)通道換熱器能夠極大的提高換熱量的同時(shí)并不提

50、高微細(xì)通道換熱器的運(yùn)行溫度，是目前提高換熱效果最有效的手段之一[3]。</p><p>　　雖然微細(xì)通道換熱器在汽車空調(diào)及冰箱上已經(jīng)逐步推廣使用，但是在家用和商用制冷產(chǎn)品上的應(yīng)用并沒有得到普及。由于微細(xì)通道換熱器有很高的傳熱系數(shù)，相比于傳統(tǒng)換熱器，其能夠設(shè)計(jì)成更小更輕的機(jī)組，也就意味是其更加便于包裝運(yùn)輸。微細(xì)通道換熱器還能夠做的更加緊湊，相比于傳統(tǒng)換熱器，其所消耗的金屬材料也更少，并且換熱器可以采用全鋁設(shè)計(jì)，能夠

51、有效解決翅片與鋁的腐蝕問題，產(chǎn)品易于回收循環(huán)利用。此外由于微細(xì)通道換熱器風(fēng)阻的減少不僅降低了風(fēng)機(jī)的能耗，還能夠大幅降低風(fēng)機(jī)的噪聲，使其在制冷系統(tǒng)應(yīng)用中極具競爭優(yōu)勢(shì)。根據(jù)對(duì)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行評(píng)估，在未來一段時(shí)間內(nèi)微細(xì)通道換熱器的市場份額將大幅提升[4]。然而目前微細(xì)通道換熱器應(yīng)用于家用和商用空調(diào)系統(tǒng)還處于初始階段，其換熱形式與尺寸也與汽車空調(diào)存在巨大差異，對(duì)于微細(xì)通道換熱器的實(shí)際應(yīng)用并沒有取得技術(shù)上的突破，其仍然存在諸多急需解決的問題。諸如，

52、由于微細(xì)通道換熱器制冷劑充注量遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)換熱器，制冷劑充注量對(duì)系統(tǒng)性能影響顯著；換熱過程中出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q熱性能急劇下降；微細(xì)通道內(nèi)的摩擦阻力計(jì)算值與經(jīng)典理論值的差距甚遠(yuǎn)，微細(xì)通道強(qiáng)化換熱特性與常規(guī)通道有所不同；層流向湍流轉(zhuǎn)化的臨界</p><p><b>　　1.2.2環(huán)境保護(hù)</b></p><p>　　臭氧層破壞與溫室效應(yīng)一直都是全球人類所面臨的重要環(huán)境問題

53、。在制冷空調(diào)行業(yè)中，由于氯氟烴類化合物CFCS具有出色的物理及化學(xué)特性，自問世以來就被廣泛的使用，并且其還被大量用作清潔劑、發(fā)泡劑等。自1974年美國的兩位科學(xué)家Molina和Rowlnad發(fā)表的論文中提出氟氯烴類物質(zhì)是破壞大氣臭氧層的罪魁禍?zhǔn)椎浆F(xiàn)在，人們對(duì)于氟氯烴對(duì)臭氧層的破環(huán)作用有了相當(dāng)多的了解，溫室效應(yīng)所造成的危害也有了更加清醒的認(rèn)識(shí)。因此人們一直致力于尋找能夠替代正在被廣泛使用的CFCS及HCFCs等傳統(tǒng)制冷工質(zhì)。而中國作為最大

54、的HCFCs生產(chǎn)國與消費(fèi)國，中國對(duì)于HCFCs制冷劑的替代進(jìn)程與替代措施在世界范圍內(nèi)都具有舉足輕重的影響[5]。根據(jù)蒙特利爾議定書規(guī)定對(duì)于HCFCs淘汰時(shí)間的要求，絕大多數(shù)國家往往將HFCs制冷劑作為過渡性制冷劑以減少制冷設(shè)備的改動(dòng)，從而節(jié)約改造設(shè)備的成本。然而對(duì)于制冷劑的替換需要全方位的戰(zhàn)略考慮，制冷劑不僅要求對(duì)臭氧層無破壞作用，還要能夠滿足溫室氣體的排放要求。HFCs雖然對(duì)臭氧層幾乎沒有破環(huán)作用，但是其仍屬于減排的氣體，所以在不久的

55、將來HFCs類制冷劑也將面臨新一輪的淘汰問題，因此家用和商用空調(diào)</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著生產(chǎn)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，人們?cè)絹碓角宄恼J(rèn)識(shí)到了解流動(dòng)沸騰換熱機(jī)理、精確預(yù)測水平蒸發(fā)管內(nèi)換熱系數(shù)的重要性，換熱系數(shù)的精確計(jì)算既可以避免蒸發(fā)器設(shè)計(jì)裕量的過度放大，節(jié)約原材料；也可以防止換熱面積的不足，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行。此外對(duì)光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性與臨界熱流

56、密度特性進(jìn)行精確的預(yù)測，開發(fā)出能夠反映其換熱規(guī)律的換熱關(guān)系式，對(duì)探索出水平蒸發(fā)管強(qiáng)化換熱的新途徑也很有幫助[6-8]，因此對(duì)水平光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱與臨界熱流密度特性研究很有必要。從目前國內(nèi)外研究學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)來看[9,10]，大多數(shù)學(xué)者都研究替代制冷劑在水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性、壓降特性以及流態(tài)轉(zhuǎn)換等，但是對(duì)于微通道對(duì)換熱機(jī)理的影響仍未研究清楚，對(duì)環(huán)保制冷劑R290在微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱研究很有限，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也很少。</p>

57、<p>　　張小力、蔡祖恢等[11]人對(duì)R134a和R12在水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)工況為：質(zhì)量流量10-38.5g/s，熱流密度0.5-50kW/m2，進(jìn)口壓力0.37-0.445Mpa，干度0-1，管長5.7m。研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)工況下，R134a比R12的換熱系數(shù)高32%-43%，并且發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量對(duì)R134a與R12水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)之比的影響較大，干度和熱流密度對(duì)其影響相對(duì)較小。</p>

58、;<p>　　陳民[12]對(duì)R134a純工質(zhì)在水平光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)工況為：質(zhì)量流率80-600kg/m2s，熱流密度2-30kW/m2，飽和溫度12-38℃，干度0-1。研究結(jié)果表明管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱是核態(tài)沸騰與兩相強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)換熱的共同作用，并且局部換熱系數(shù)隨著干度與質(zhì)量流率的增加幾乎單調(diào)增加，而飽和溫度高時(shí)的換熱系數(shù)大于飽和溫度低時(shí)的換熱系數(shù)。</p><p>　　張良等

59、[13]對(duì)CO2在微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過程機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，針對(duì)熱流密度、質(zhì)量流率、飽和溫度、管徑等參數(shù)對(duì)其換熱的影響進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析。研究顯示在管徑微型化后，原有常規(guī)管徑換熱模型將不再適用，熱流密度的增加強(qiáng)化了核態(tài)沸騰換熱作用，而質(zhì)量流率對(duì)于換熱系數(shù)的影響相對(duì)較小，飽和溫度對(duì)CO2的物性造成極大的影響，從而導(dǎo)致其在不同溫度時(shí)換熱特性差異較大。</p><p>　　唐汝寧等[14]對(duì)R290作為空調(diào)

60、制冷劑的可行性進(jìn)行了研究，利用數(shù)值解法編程計(jì)算了R290工質(zhì)小型制冷系統(tǒng)毛細(xì)管的長度，并對(duì)R290的熱物性和理論循環(huán)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明R290是一種很好的替代工質(zhì)，。</p><p>　　Wambsganss等[15]對(duì)微細(xì)通道內(nèi)R113沸騰換熱進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。在質(zhì)量流率為50kg/m2·s，熱流密度在8-16kW/m2之間變化時(shí)，換熱系數(shù)基本上沒有變化；而當(dāng)質(zhì)量流率在100-30050 kg/m

61、2s，熱流密度在16-63kW/m2之間變化時(shí)，換熱系數(shù)對(duì)質(zhì)量流率與熱流密度的變化相當(dāng)敏感，該文還著重分析了核態(tài)沸騰和對(duì)流沸騰對(duì)總換熱系數(shù)的影響，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有的關(guān)聯(lián)式預(yù)測值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Lazarek和Black[16]關(guān)聯(lián)式的平均誤差在±20%之內(nèi)。</p><p>　　在Wambsganss等人的研究基礎(chǔ)上，Tran等[17]對(duì)R12在細(xì)圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為對(duì)于寬廣熱流密度范圍而

62、言，核態(tài)沸騰占主導(dǎo)作用。</p><p>　　Chang等[18]對(duì)采用新型制冷劑R290的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試。其蒸發(fā)器采用逆流套管的形式，管子采用銅管，內(nèi)徑為8mm，外徑為13.8mm，總長為9.6m。研究發(fā)現(xiàn)R290性能與R22較為接近，其制冷能力與制熱能力稍遜于R22，但其COP值略高于R22。作者還將其實(shí)驗(yàn)值與Wattelet經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值相比較，發(fā)現(xiàn)其平均誤差在20%之內(nèi)。</p>

63、<p>　　Mathur[19]公開發(fā)表了R290在光管內(nèi)單相及相變傳熱進(jìn)行了理論計(jì)算。在理論分析中，蒸發(fā)溫度為-6.7℃和4.4℃，管子外徑為9.53mm，壁厚為0.64mm，質(zhì)量流率范圍為50-800 kg/m2s，并將R290的換熱系數(shù)與R12、R134a進(jìn)行比較，結(jié)果顯示環(huán)保制冷劑R290的換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于R12與R134a。</p><p>　　Boissieux[20]對(duì)水平光滑管內(nèi)R41

64、0A流動(dòng)沸騰換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)工況為：質(zhì)量流率170-460 kg/m2s，熱流密度27-52kW/m2，飽和溫度-3-5℃，干度0-1。作者將所測得的實(shí)驗(yàn)值與Gungor，Shah，Kattan的經(jīng)典關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，這些經(jīng)典關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果偏差較小，其標(biāo)準(zhǔn)誤差為13%。</p><p>　　Corre和Yao等[21]的研究表明，在一維尺度很細(xì)的空間內(nèi)，流體的沸騰特性與池沸騰換熱

65、特性截然不同，通過與大空間池沸騰實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)低熱流密度下狹小空間的換熱性能能夠大幅度的提高，臨界熱流密度隨著狹縫空間的減少而降低。</p><p>　　Katto Y[22]，Bowring R W[23]以及Shah[24]等人都提出了微細(xì)通道內(nèi)干涸臨界熱流密度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，Revellin R等人也給出了理論分析模型[25]。眾多實(shí)驗(yàn)研究表明，在微通道內(nèi)發(fā)生臨界熱流密度時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)一定處于環(huán)狀流，

66、當(dāng)出現(xiàn)干涸的時(shí)候，壁面液膜被蒸干（液膜厚度為0），蒸氣與壁面進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)大幅下降。</p><p>　　綜上所述，盡管近年來對(duì)于水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的研究已經(jīng)深入化、多樣化，各種類型替代工質(zhì)在水平光管內(nèi)流動(dòng)換熱特性、微細(xì)管道內(nèi)的流動(dòng)沸騰特性以及各類新型強(qiáng)化管內(nèi)換熱特性等方面的研究也更加活躍，同時(shí)也取得了不凡的成果及工程上廣泛的應(yīng)用。但是目前關(guān)于R290在水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的研究還不多，對(duì)R29

67、0在管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的機(jī)理的研究還不夠充分，認(rèn)識(shí)也很有局限性，應(yīng)用也不多見，對(duì)其中觀察到的許多現(xiàn)象還無法很好的用現(xiàn)有的理論去解釋，故還需從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面來深入探討核態(tài)沸騰與對(duì)流蒸發(fā)的相互關(guān)系，研究流動(dòng)沸騰換熱過程中的干涸現(xiàn)象以及與干涸現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的臨界熱流密度問題，結(jié)合動(dòng)態(tài)流態(tài)觀測分析影響換熱機(jī)理、干涸現(xiàn)象及與之對(duì)應(yīng)的臨界熱流密度影響因素。</p><p>　　1.4本文問題的提出及主要研究內(nèi)容</p>

68、;<p>　　目前對(duì)于碳?xì)浠衔锏氖褂眠€沒有形成規(guī)模，相關(guān)機(jī)構(gòu)也沒有明令禁止其使用。但是業(yè)界內(nèi)的一些專家以及一些科研機(jī)構(gòu)普遍認(rèn)為，采用碳?xì)浠衔镒鳛樘娲评鋭┦乔袑?shí)可行的，并且中國作為最大的發(fā)展中國家如果能夠牢牢把握住機(jī)會(huì)，率先對(duì)其展開科學(xué)研究，在保證安全的前提下，率先大力推廣使用，那么一定能夠在未來的日子里至少在制冷領(lǐng)域占有一定的先機(jī)。</p><p>　　在這樣的背景條件下，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的研究

69、進(jìn)展，選擇R290制冷劑作為研究對(duì)象，針對(duì)其在微細(xì)通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性及其發(fā)生干涸時(shí)臨界熱流密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析熱流密度、質(zhì)量流率、飽和溫度、管徑等對(duì)換熱系數(shù)的影響，研究與干涸現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的臨界熱流密度特性，為制冷系統(tǒng)中的微細(xì)通道換熱器設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　針對(duì)上述研究目的，本文主要進(jìn)行的工作有：</p><p>　?。?）微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱機(jī)理研究

70、。系統(tǒng)分析了微細(xì)通道內(nèi)換熱特性及干涸形成機(jī)理，研究微細(xì)通道內(nèi)換熱過程中換熱系數(shù)、干涸以及流態(tài)轉(zhuǎn)變理論模型。</p><p>　?。?）測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建。本論文是以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，因此搭建與本課題相適應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)是本文重點(diǎn)工作之一。實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)是否合理、測試手段是否完善等都直接關(guān)系到本文所用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。</p><p>　　（3）R290在水平微細(xì)光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)研究。測

71、定不同熱流密度、不同飽和溫度、不同質(zhì)量流率、不同管徑下，R290在水平微細(xì)光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)，分析其變化規(guī)律；與此同時(shí)研究飽和溫度、質(zhì)量流率以及管徑對(duì)臨界熱流密度的影響。</p><p>　?。?）對(duì)R290管內(nèi)流態(tài)進(jìn)行可視化研究。對(duì)發(fā)生干涸的機(jī)理及影響因素進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，通過換熱過程中的流態(tài)圖分析流態(tài)與換熱系數(shù)之間相互關(guān)系。</p><p>　　第二章 微細(xì)通道流動(dòng)沸騰換熱模

72、型研究</p><p>　　2.1微細(xì)通道換熱模型研究</p><p>　　在微細(xì)通道內(nèi)兩相流動(dòng)換熱過程的機(jī)理要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比單相流動(dòng)換熱過程的機(jī)理復(fù)雜，隨著換熱通道尺度的減少，微尺度效應(yīng)的提升，換熱性能與熱流密度、質(zhì)量流率、換熱管徑以及一些流體本身的物性都存在密切的聯(lián)系。然而從目前很多研究中可以發(fā)現(xiàn)，在微細(xì)通道內(nèi)換熱過程中氣泡的生成、生長以及合并，能夠較快地達(dá)到管徑尺寸，因此流態(tài)能夠迅速地轉(zhuǎn)變，

73、然而在大尺度通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過程中某些流態(tài)甚至從來都不出現(xiàn)，所以傳統(tǒng)的大尺度流動(dòng)沸騰換熱的相關(guān)結(jié)論及機(jī)理已經(jīng)不能來解釋微細(xì)通道內(nèi)的一些現(xiàn)象，包括一些經(jīng)典的關(guān)聯(lián)式，因此針對(duì)微細(xì)通道內(nèi)的換熱系數(shù)預(yù)測模型成為理論研究的重點(diǎn)之一。</p><p>　　2.1.1核態(tài)沸騰與強(qiáng)制對(duì)流疊加換熱模型</p><p>　　核態(tài)沸騰換熱與強(qiáng)制對(duì)流疊加換熱模型是目前微細(xì)通道內(nèi)換熱系數(shù)宏觀預(yù)測最常采用的方法之一

74、。通過實(shí)驗(yàn)研究微細(xì)通道內(nèi)換熱機(jī)理，許多以往針對(duì)大管徑或者池沸騰換熱研究的關(guān)聯(lián)式被重新擬合修正用于預(yù)測微細(xì)通道內(nèi)換熱系數(shù)，其中像Oh J T等人[26]認(rèn)為微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱機(jī)理就是由核態(tài)沸騰換熱與強(qiáng)制對(duì)流換熱組成的，因此將核態(tài)沸騰換熱與強(qiáng)制對(duì)流換熱疊加可預(yù)測微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)，如式（2-1），其中核態(tài)沸騰對(duì)換熱的影響由核態(tài)沸騰抑制因子S控制，強(qiáng)制對(duì)流對(duì)換熱的影響由兩相對(duì)流乘數(shù)F控制，如式（2-2）（2-3），兩者均為并流兩相

75、摩擦因子的函數(shù)，如式（2-6）（2-7）。</p><p><b>　?。?- 1）</b></p><p><b>　?。?- 2）</b></p><p><b>　?。?- 3）</b></p><p>　　式（2-1）中核態(tài)沸騰換熱系數(shù)目前常常采用基于Cooper[27

76、]的池沸騰關(guān)聯(lián)式，如式（2-4），而強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)則需要根據(jù)雷諾數(shù)的不同進(jìn)行選擇，此外對(duì)于不同的工質(zhì)預(yù)測的關(guān)聯(lián)式也有所不同，式（2-5）為不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)預(yù)測關(guān)聯(lián)式。</p><p><b>　?。?- 4）</b></p><p><b>　?。?- 5）</b></p><p><b>　　（2- 6）&l

77、t;/b></p><p>　　其中Martinelli因子 、兩相并流壓降因子 與摩擦因子 可由式（2-7）~（2-9）求得。</p><p><b>　?。?- 7）</b></p><p><b>　?。?- 8）</b></p><p><b>　?。?- 9）</b&

78、gt;</p><p>　　2.1.2三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型1</p><p>　　許多傳統(tǒng)理論的研究認(rèn)為微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱時(shí)流體的狀態(tài)主要為相連的液氣兩段區(qū)組成，對(duì)其微元的理論分析也是建立在液態(tài)及氣態(tài)兩個(gè)獨(dú)立的微單元基礎(chǔ)上的。Thome J R等[28]研究人員在液氣二區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型，用以描述微細(xì)通道內(nèi)部氣泡的生成與生長過程。模型著重分析了氣泡流動(dòng)

79、頻率對(duì)換熱過程的影響以及換熱系數(shù)周期變化，獲得了局部基于時(shí)間的平均換熱系數(shù)、液膜厚度與發(fā)生干涸現(xiàn)象時(shí)最小液膜厚度以及在整個(gè)流動(dòng)沸騰換熱過程中局部動(dòng)態(tài)換熱系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)測方法。三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型的建立是基于假設(shè)微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)換熱蒸發(fā)過程中氣泡迅速生長并達(dá)到管徑尺寸，通道內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的氣泡受管徑的限制而逐漸加長，液柱長度不斷減少，氣泡與管內(nèi)壁之間的液膜不斷蒸發(fā)并逐漸變薄直至干涸，而下一個(gè)液柱還沒有到達(dá)時(shí)，中間會(huì)形成一個(gè)完整的蒸汽段。如圖

80、2-1所示為在絕熱工況下微細(xì)通道內(nèi)空氣與水流動(dòng)時(shí)的流態(tài)圖。</p><p>　　圖2-1 空氣-水絕熱流動(dòng)氣泡流圖</p><p>　　Fig.2-1 Image of bubble flow of air and water at adiabatic condition</p><p>　　對(duì)于圖2-1展示的流態(tài)圖，研究人員認(rèn)為氣泡流中的液柱由純液體組成且不含任何

81、氣體，同時(shí)氣泡與管內(nèi)壁之間形成的液膜也由液柱中的液體補(bǔ)充。如果在建立模型的時(shí)候不考慮因液膜蒸干而干涸產(chǎn)生的蒸汽段，僅僅認(rèn)為存在液柱段與氣泡段，那么這樣的模型即為二區(qū)模型；如果在建立模型的時(shí)候考慮到干涸現(xiàn)象產(chǎn)生了蒸汽段將其分為液柱段、氣泡段以及蒸汽段，如圖2-2所示即為三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型示意圖。</p><p>　　圖2-2 三區(qū)蒸發(fā)模型示意圖</p><p>　　Fig.2-2 Sche

82、matic diagram of the three-zone evaporation model</p><p>　　三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型也存在適用條件的，即三區(qū)流動(dòng)模型的建立也是基于下列假設(shè)：（1）管內(nèi)壁熱流密度均勻且穩(wěn)定；（2）換熱管內(nèi)部均勻流動(dòng)且氣體速度與液體速度相同；（3）氣體與液體均沒有過熱；（4）相對(duì)于管徑，液膜厚度非常??；（5）管壁的熱慣性可以忽略不計(jì)；（6）局部飽和溫度由飽和壓力決定；（7）所有

83、液體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生氣泡后氣泡逐漸生長直至管徑大??；（8）氣泡液膜始終附著于管壁上，蒸汽的剪切力可以忽略不計(jì)。</p><p>　　基于上述假設(shè)條件，氣泡生長半徑及氣泡形成頻率可按照式（2-10）、（2-11）計(jì)算：</p><p><b>　?。?- 10）</b></p><p><b>　?。?- 11）</b>&l

84、t;/p><p>　　根據(jù)質(zhì)量平衡原理，對(duì)三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型建立方程如下（2-12）、（2-13）：</p><p><b>　?。?- 12）</b></p><p><b>　?。?- 13）</b></p><p>　　根據(jù)假設(shè)條件，在初始生長過程中液柱與氣體段質(zhì)量流率是恒定的，氣泡長度完全由氣

85、泡分離頻率決定，見式（2-14）、（2-15），氣液兩相段的初始長度 為兩者之和。</p><p><b>　　（2- 14）</b></p><p><b>　?。?- 15）</b></p><p><b>　?。?- 16）</b></p><p>　　而實(shí)驗(yàn)段流體入口平

86、均干度可由式（2-17）氣液模型段質(zhì)量流率計(jì)算得到。</p><p><b>　?。?- 17）</b></p><p>　　基于測試管路施加恒定的熱流密度建立能量平衡方程，、由式（2-18）、（2-19）計(jì)算干度為1時(shí)實(shí)驗(yàn)段的長度。假設(shè)測試管內(nèi)蒸汽干度隨著沿程長度呈線性變化，可由式（2-20）求得在測試管 位置 。</p><p><b

87、>　?。?- 18）</b></p><p><b>　　（2- 19）</b></p><p><b>　?。?- 20）</b></p><p>　　根據(jù)假設(shè)管內(nèi)流體速度均勻的條件，可由式（2-21）~（2-24）液體、氣體速度相等求出含氣率 與管內(nèi)微元段流速 。</p><p&g

88、t;<b>　?。?- 21）</b></p><p><b>　?。?- 22）</b></p><p><b>　?。?- 23）</b></p><p><b>　　（2- 24）</b></p><p>　　在測試管任意位置經(jīng)過時(shí)間 即為流過的微元

89、段長度，因此液體段長度、氣體段長度、微元段平均長度以及與之相對(duì)應(yīng)的滯留時(shí)間可由式（2-25）~（2-30）計(jì)算所得。</p><p><b>　?。?- 25）</b></p><p><b>　?。?- 26）</b></p><p><b>　　（2- 27）</b></p><

90、;p><b>　　（2- 28）</b></p><p><b>　?。?- 29）</b></p><p><b>　　（2- 30）</b></p><p>　　在三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)模型中液膜的厚度對(duì)換熱系數(shù)起著非常重要的影響，綜合考慮現(xiàn)有研究成果，對(duì)換熱系數(shù)計(jì)算較為成熟公式如（2-31）、（2-

91、32），其中 還需要從微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)參數(shù)中擬合與工質(zhì)相對(duì)應(yīng)的最佳值。</p><p><b>　?。?- 31）</b></p><p><b>　?。?- 32）</b></p><p>　　在計(jì)算換熱系數(shù)時(shí)，根據(jù)不同的雷諾數(shù)采用VDI[29]提供的不同關(guān)聯(lián)式分別計(jì)算層流與湍流努塞爾數(shù)，見式（2-33）~（2

92、-35）。根據(jù)Churchill S W[30]等人提出的漸進(jìn)法獲得基于雷諾數(shù)的平均換熱系數(shù)連續(xù)表達(dá)式（2-36），微元段流管內(nèi)經(jīng)局部位置的時(shí)間平均換熱系數(shù)則由式（2-37）求得。</p><p><b>　?。?- 33）</b></p><p><b>　　（2- 34）</b></p><p><b>　　

93、（2- 35）</b></p><p><b>　?。?- 36）</b></p><p><b>　?。?- 37）</b></p><p>　　2.2微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰干涸模型</p><p>　　由于微細(xì)通道內(nèi)微尺度效應(yīng)使得制冷劑在換熱的過程中容易向環(huán)狀流甚至是霧狀流轉(zhuǎn)變，傳熱表面

94、干涸現(xiàn)象也更容易出現(xiàn)。圖2-3所示為水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱環(huán)狀液膜蒸干的原理圖，將理論模型簡化為A、B兩個(gè)，分別對(duì)應(yīng)環(huán)狀區(qū)域與環(huán)狀流向干涸發(fā)展區(qū)域。</p><p>　　圖2-3 水平管內(nèi)干涸原理圖</p><p>　　Fig.2-3 Schematic of dry-out mechanism in horizontal tube</p><p>　　圖2-4所示為

95、換熱系數(shù)隨管內(nèi)兩相流蒸汽干度變化，由圖2-3與2-4對(duì)比研究可知目前對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的預(yù)測主要集中在A區(qū)域即干涸現(xiàn)象發(fā)生前，許多研究人員通過大量的實(shí)驗(yàn)研究擬合獲得了干涸前換熱系數(shù)預(yù)測關(guān)聯(lián)式。對(duì)于區(qū)域B管內(nèi)壁液膜開始部分蒸干導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)偏離原有換熱模型，但是換熱系數(shù)并沒有立即下降，而是在B區(qū)內(nèi)達(dá)到最大值后迅速下降，對(duì)于這一區(qū)域的換熱特性目前還沒有很成熟的理論與實(shí)驗(yàn)研究。干涸現(xiàn)象的發(fā)生與臨界熱流密度密切相關(guān)，如果能夠準(zhǔn)確的預(yù)測到微細(xì)

96、通道內(nèi)發(fā)生干涸時(shí)的起始干度與臨界熱流密度無疑將有助于改善現(xiàn)有的干涸前干涸后的換熱預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)通換熱器的精確設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖2-4 換熱系數(shù)隨蒸汽干度變化</p><p>　　Fig.2-4 Variation of heat transfer coefficient (h) with vapor quality (x)</p><p>　　目前

97、已經(jīng)有多個(gè)關(guān)聯(lián)式可以預(yù)測微細(xì)通道內(nèi)換熱系數(shù)的變化規(guī)律。在通過比對(duì)研究這些關(guān)聯(lián)式時(shí)發(fā)現(xiàn)換熱系數(shù)跟干度之間是存在著某種規(guī)律的。換熱系數(shù)可以隨著干度增大、減小或者不變，這都要取決于兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，分別為沸騰數(shù)Bo，液相與汽相的密度比（ρL/ρG），其中沸騰數(shù)Bo的計(jì)算公式如下：</p><p><b>　?。?- 38）</b></p><p>　　式中：G—質(zhì)量流量，kg

98、/s；</p><p>　　q—熱流密度，kW/m2；</p><p>　　iLG—汽化潛熱，J/kg。</p><p>　　Kandliar研究了換熱系數(shù)隨干度變化的規(guī)律。在沸騰數(shù)較小時(shí)，管內(nèi)對(duì)流換熱占據(jù)主導(dǎo)作用，此時(shí)換熱系數(shù)隨著干度增大而增大；當(dāng)沸騰數(shù)較大時(shí)，管內(nèi)核態(tài)沸騰換熱占據(jù)主導(dǎo)作用，換熱系數(shù)隨著干度的增加而增加；當(dāng)干度大到一定程度時(shí)，換熱形式轉(zhuǎn)變，換熱系數(shù)

99、隨著干度的增加而減小。Kandliar提出的公式能夠準(zhǔn)確的預(yù)測這一趨勢(shì)，相比較而言其他一些學(xué)者提出的關(guān)聯(lián)式顯示任何流體的換熱系數(shù)總是隨著干度的增加而增加的，因此Kandliar1990年提出的關(guān)聯(lián)式很具有研究的價(jià)值，其換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下[31-36]：</p><p><b>　?。?- 39）</b></p><p><b>　　（2- 40）</

100、b></p><p><b>　?。?- 41）</b></p><p><b>　?。?- 42）</b></p><p><b>　?。?- 43）</b></p><p><b>　　（2- 44）</b></p><p&g

101、t;<b>　　（2- 45）</b></p><p><b>　?。?- 46）</b></p><p>　　式中FFl為液體表面參數(shù)。不同的液體數(shù)值不一樣，可通過查表獲得。</p><p>　　2.3微細(xì)通道流動(dòng)沸騰流態(tài)模型</p><p>　　流態(tài)的觀測研究對(duì)于理解復(fù)雜多變的兩相流現(xiàn)象及流動(dòng)沸

102、騰換熱特性具有非常重要的作用，目前對(duì)于工質(zhì)在微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過程所具有的流態(tài)主要有以下幾種，如圖2-5所示。</p><p>　　泡狀流（B）：氣泡分散存在于連續(xù)的液柱中。</p><p>　　層流（SW）：在較低流速下氣液兩相分界明顯，液體由于重力作用在管底部流動(dòng)。</p><p>　　間歇流（l）：這種流態(tài)發(fā)生在較低氣體流速和中等液體流速時(shí)的間歇流，此時(shí)管

103、內(nèi)氣泡被液柱隔開，液柱仍舊處于連續(xù)的狀態(tài)，氣泡直徑略小于管徑。</p><p>　　波狀流（W）：當(dāng)層流時(shí)管上部氣體流速較快時(shí)，會(huì)在氣液分界面上形成波，這些波沿著工質(zhì)流動(dòng)方向傳播。</p><p>　　柱塞流（S）：與間歇流相比氣體流速進(jìn)一步增加，流動(dòng)液內(nèi)含有小氣泡，流動(dòng)更加混亂，氣泡與液段界面變得模糊。</p><p>　　環(huán)狀流（A）：高速流動(dòng)的氣體使液體在管路

104、內(nèi)表面形成一層連續(xù)的液膜。由于核心氣流存在擾動(dòng)，薄膜液滴可能會(huì)以霧狀分散在氣體中。</p><p>　　霧狀流（M）：氣相是連續(xù)的流體，液體流態(tài)以液滴夾帶的形式存在于高速流動(dòng)的氣體中。</p><p>　　干涸區(qū)（D）：環(huán)狀流與霧狀流之間的轉(zhuǎn)變區(qū)，對(duì)于較大管徑通常起始于管路環(huán)狀流頂部液膜變薄，至管路底部液膜干涸進(jìn)入霧狀流，此過程發(fā)生在一定干度范圍內(nèi)。</p><p>

105、;　　圖2-5 水平管內(nèi)流體兩相流態(tài)圖</p><p>　　Fig.2-5 Sketches of flow regimes for flow of fluid liquid/vapor mixtures in a horizontal tube</p><p>　　目前對(duì)于微細(xì)通道內(nèi)流態(tài)的觀測研究還處于起步階段，對(duì)于同一流體在相同的工況下，不同的研究人員也沒有取得一致性的結(jié)論。國內(nèi)外很多

106、研究人員采用視覺觀測的方法對(duì)流態(tài)進(jìn)行研究，并結(jié)合獲得的數(shù)據(jù)庫擬合一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，這種主觀意識(shí)的研究方法導(dǎo)致他們獲得研究結(jié)論并不一致，所以到目前為止還沒有完善的流態(tài)轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則和流態(tài)圖。Taitel Y[37]等人提出氣液兩相半理論數(shù)學(xué)模型，根據(jù)水平管內(nèi)流態(tài)轉(zhuǎn)變導(dǎo)出的參數(shù)群（Martinelli參數(shù) 、測試管路傾角 、弗勞德數(shù) 、 、 等）進(jìn)行流態(tài)預(yù)測，見式（2-47）~（2-49）。圖2-6所示為Taitel Y等提出的水平管內(nèi)流態(tài)轉(zhuǎn)變曲線

107、，其中波狀層流與光滑層流轉(zhuǎn)變曲線 由 與 經(jīng)理論推導(dǎo)獲得，波狀層流、環(huán)形分散流、分散氣泡流、間歇流轉(zhuǎn)變曲線 與 （ =1.6）分別由 與 獲得，分散氣泡流與間歇流轉(zhuǎn)變曲線 由 與 獲得。</p><p><b>　?。?- 47）</b></p><p><b>　　（2- 48）</b></p><p><b>

108、;　　（2- 49）</b></p><p>　　圖2-6 水平管內(nèi)流態(tài)轉(zhuǎn)變曲線圖</p><p>　　Fig.2-6 The flow pattern transition curves of horizontal tube</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章根據(jù)現(xiàn)

109、有的理論研究，著重介紹了微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過程中換熱系數(shù)、干涸以及流態(tài)的理論模型。</p><p>　　（1）介紹了微細(xì)通道內(nèi)的換熱模型：核態(tài)沸騰與強(qiáng)制對(duì)流疊加換熱模型與三區(qū)流動(dòng)蒸發(fā)換熱模型。</p><p>　　（2）分析了微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰干涸機(jī)理，介紹了通用性較好的光滑管內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。</p><p>　?。?）給出了微細(xì)通道流動(dòng)沸騰換熱過程

110、中主要流態(tài)的文字描述，介紹了目前能夠較好預(yù)測流態(tài)轉(zhuǎn)變的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　第三章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與可視化實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容</p><p>　　在各種類型的換熱器設(shè)計(jì)中，采用小管徑管或者微通道管將是今后的發(fā)展方向之一，它們通

111、過增加換熱器的換熱面積，改變管內(nèi)流態(tài)，來達(dá)到強(qiáng)化熱量傳遞的目的。由于微通道管的管徑要求小于200μm，對(duì)它的觀察與測量都存在一定的難度，但是有研究表明微細(xì)通道與微通道在換熱特性上存在諸多的相似性，因此可以通過對(duì)微細(xì)通道研究來達(dá)到對(duì)微通道換熱特性及臨界熱流密度特性的初步認(rèn)識(shí)。目前國內(nèi)外對(duì)R290純工質(zhì)在微細(xì)通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性以及臨界熱流密度特性研究的并不多，而且在僅有的研究文獻(xiàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異比較大，對(duì)換熱機(jī)理的解釋也不盡相同，甚至