非均匀热流下水平管内 R245fa 流动沸腾特性的实验与模拟研究
摘要：
太阳能是一种可再生能源，具有环保、长久的优势，是应对能源短缺和气候变化的重要选择之一。采用有机工质的槽式直膨系统以太阳辐射为热源，产生的气体可直接进入有机朗肯循环做功，热功转化效率较高，且规模较小， 运行温度压力较低，集热效率更高，适用于分布式能源系统，目前相关研究较少，技术可行性有待验证。为此，建立实验台，研究非均匀热流下 R245fa 的沸腾传热性能，可为有机工质槽式直膨系统的应用提供参考，具有一定的工程应用价值。
槽式集热器示意图
集热管外非均匀热流
实验台实物图
采用实验研究和数值模拟相结合的方法，研究了非均匀热流下 R245fa 在水平圆管内的流动沸腾特性， 主要工作和结论如下：
01
设计并建立非均匀热流下 R245fa 流动沸腾换热实验台，主要由预热段、实验测试段、冷凝段和工质泵等四分组成，实验试验段内径为 29 mm，实验工况为质量流速 80~160 kg/( m2·s)、热流密度 8~14 kW/m2、饱和温度 55~75℃、干度0~0.35。
实验工况
不同工况下测温截面温度
02
通过实验数据分析，研究干度、质量流速、热流密度及饱和温度等参数对沸腾换热系数的影响，将实验结果和四种常用两相换热关联式的计算结果进行对比，开发新的实验关联式。结果表明：
在周向非均匀热流和低干度条件下，分层流区域内 R245fa 的换热系数随干度的增大而减小；
沸腾换热主要受气泡作用的影响， 质量流速的变化对 R245fa 换热系数几乎没有影响；
较高的热流密度容易形成更多的汽化核心，核态沸腾得到显著增强；
随着饱和温度的增加， 生成气泡所需壁面过热度下降，两相换热系数随之增加；
现有关联式对实验数据的预测普遍偏小；
利用实验数据开发了新的换热系数关联式，对于95.4%的数据预测偏差在±20%以内，对所有实验数据的平均预测偏差为-4.56%，绝对平均偏差分别为 8.84%。
03
根据实验工况，采用数值模拟软件 Fluent 对非均匀热流下 R245fa 在水平管内的流动沸腾换热进行研究。模拟结果显示，气泡运动破坏了非均匀热流在流体内部产生的二次流，强化了流动换热。现有多相流模型 Lee 模型没有考虑非均匀热流对气泡产生的增强作用，有必要完善现有源项，尤其是在低干度的区域内。
关键词：非均匀热流， 流动沸腾， R245fa， 数值模拟， 换热关联式
作者发表论文和参加科研情况说明：
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