【摘要】：混合工質(zhì)在低溫制冷、天然氣液化、氣體分離等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。與純工質(zhì)相比,混合工質(zhì)核態(tài)沸騰的換熱性能會(huì)大幅降低。因此,探尋混合工質(zhì)沸騰換熱的衰減機(jī)制、獲得混合工質(zhì)沸騰換熱的特性規(guī)律,對(duì)換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、混合工質(zhì)表面換熱技術(shù)的強(qiáng)化、混合工質(zhì)制冷循環(huán)的設(shè)計(jì)均有重要的意義。本文從混合工質(zhì)的成核過程,沸騰時(shí)的氣核密度,氣泡成長過程和沸騰換熱系數(shù)等方面研究了混合工質(zhì)沸騰的換熱機(jī)理和換熱特性。首先,本文基于相變時(shí)吉布斯自由能的改變分析了非共沸混合工質(zhì)的非均相成核過程,得到了混合物沸騰時(shí)的臨界半徑,有效能的改變量,起始沸騰過熱度和熱流密度的解析解。計(jì)算結(jié)果表明,在相同的過熱度下,隨著高沸點(diǎn)組分的增加,混合工質(zhì)的起始沸騰熱流密度先增加后減小,且混合物沸騰時(shí)的臨界半徑和最大可用能改變均大于對(duì)應(yīng)的純工質(zhì)。因此,在混合工質(zhì)中形成氣泡需要克服更大的能量壁壘。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,本文對(duì)R22、R124及R22/R124混合物的起始沸騰過熱度和熱流密度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,隨著R124濃度上升,混合物的起始沸騰過熱度和熱流密度先增加后減小。且實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果較好吻合,大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差為+20%~-40%�；旌瞎べ|(zhì)沸騰時(shí)氣核密度減少是其沸騰換熱系數(shù)下降的一個(gè)主要原因。本研究從氣泡形成概率的角度出發(fā),使用漲落理論解釋了混合工質(zhì)沸騰時(shí)氣核密度衰減的現(xiàn)象。本文首先提出支持濃度漲落假設(shè)的證據(jù),然后通過計(jì)算低沸點(diǎn)組分在局部區(qū)域中變化時(shí)系統(tǒng)的熵變,得到了發(fā)生濃度漲落的概率和混合工質(zhì)沸騰時(shí)氣泡密度的衰減率。另外,本研究還測試了丙烷,異丁烷和丙烷/異丁烷,R134a/R22混合物在透明石英管中沸騰時(shí)的氣核密度,發(fā)現(xiàn)純工質(zhì)沸騰時(shí)的氣核密度隨壁面過熱度的增加而線性增加,混合工質(zhì)在相同壁面過熱度下沸騰時(shí)的氣核密度均小于對(duì)應(yīng)的純工質(zhì)。而且,實(shí)驗(yàn)獲得的混合工質(zhì)沸騰時(shí)相對(duì)純工質(zhì)的氣核衰減率與根據(jù)濃度漲落理論計(jì)算結(jié)果較好吻合。氣泡成長速度的衰減也是混合工質(zhì)沸騰換熱系數(shù)下降的主要另一個(gè)主要原因。為了研究混合工質(zhì)沸騰時(shí)傳質(zhì)阻力的影響和氣泡成長速度的衰減率,本文建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)單個(gè)氣泡分別在R134a、R142b、異丁烷和不同濃度R134a/R142b混合物中的成長過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)衰減因子與根據(jù)文獻(xiàn)中已有模型計(jì)算出的衰減因子,發(fā)現(xiàn)已有的模型都低估了傳質(zhì)阻力的影響。在重新考慮傳質(zhì)阻力的影響之后,本研究提出了一個(gè)適用于混合工質(zhì)氣泡成長的衰減因子計(jì)算模型,誤差在+30%~-30%之間。最后,本文對(duì)R22,R124和不同濃度R22/R124混合物在壓力為0.7~0.85 MPa,熱流密度為10000~100000 W/m~2下的池沸騰換熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)比已有的純工質(zhì)和混合工質(zhì)傳熱關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果與本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性均欠佳。因此,本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合了新的混合工質(zhì)池沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式,其平均絕對(duì)誤差為12.69%,平均相對(duì)誤差為0.32%。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK124
【圖文】：

氣泡受力另外，從化學(xué)式變化的角度出發(fā)，在過熱液體中形成氣泡前后化學(xué)勢的變化如公

圖 1-2 氣泡半徑與液體溫度和化學(xué)勢的關(guān)系式(1-4)，化學(xué)勢變化量與氣泡半徑的關(guān)系如圖 1-2 所示。圖中同液體溫度，且 Ts<Tl,1<Tl,2，其中 Ts對(duì)應(yīng)液體的飽和溫度。如溫度下，化學(xué)勢的變化量隨氣泡半徑的增大而先增加后減��；氣泡半徑 rc越小，化學(xué)勢的變化量的最大值越小，發(fā)生沸騰所小，液體越容易發(fā)生沸騰。自發(fā)的過程中，系統(tǒng)的化學(xué)勢總是往小的方向進(jìn)行。當(dāng)氣泡半臨界半徑時(shí)（r<rc），氣泡將自行消失，而當(dāng)氣泡半徑大于臨界半徑過熱液體中繼續(xù)成長[1]。當(dāng)Δ 達(dá)到最大值時(shí)，臨界半徑 rc的表達(dá)體中形成氣泡所要做的功（成核臨界功）Δ 如式(1-6)所示。 =2 ( )42

第二章 混合工質(zhì)沸騰換熱機(jī)理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究混合工質(zhì)沸騰換熱機(jī)理，本論文建立了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按同可分為兩套子系統(tǒng)：（1）起始沸騰及池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；（2）氣核長實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。下面將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹：驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備 起始沸騰及池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究純工質(zhì)及其混合物的起始沸騰條件和池沸騰時(shí)的換熱系數(shù)，本文建2-1 所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。此系統(tǒng)由低溫恒溫槽、沸騰容器、盤管換熱器、可陶瓷加熱器、加熱銅柱、攝像機(jī)、光源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。這些部件用：

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 何家基;劉金平;龐偉強(qiáng);許雄文;;Linde-Hampson制冷機(jī)混合工質(zhì)充灌量分析及實(shí)驗(yàn)研究[J];化工學(xué)報(bào);2015年12期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號(hào)：2795357