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课题组优秀硕士毕业生王志同学毕业论文分享—【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】

天大赵力课题组2018-12-05 14:20:20

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

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:

  1. 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; 

  2. 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;

  3. 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;

  4.  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;

  5.  现有关联式对实验数据的预测普遍偏小;

  6. 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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天津大学赵力教授课题组

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