【摘 要】
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本次研究使用制冷剂R410A作为制冷工质在光滑管、涟漪纹管、内螺纹管管内的单相流动换热和压降进行了分析对比研究,同时进行了流动冷凝实验研究,进而探究在不同质量流速、干度和饱和温度下以及使用不同管径和管材质时三种表面结构对冷凝换热和摩擦压降的影响,实验计算的数据结果也通过和管内流型对比进行了深入分析。实验测试过程所涉及的工况包括:饱和温度设定为35–45℃;制冷剂干度范围为0.1到0.9;质量流速范
【基金项目】
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中国船舶重工级团第七一九研究所热能动力技术重点实验室开放基金资助项目(TPL2020B04);
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本次研究使用制冷剂R410A作为制冷工质在光滑管、涟漪纹管、内螺纹管管内的单相流动换热和压降进行了分析对比研究,同时进行了流动冷凝实验研究,进而探究在不同质量流速、干度和饱和温度下以及使用不同管径和管材质时三种表面结构对冷凝换热和摩擦压降的影响,实验计算的数据结果也通过和管内流型对比进行了深入分析。实验测试过程所涉及的工况包括:饱和温度设定为35–45℃;制冷剂干度范围为0.1到0.9;质量流速范围为70至450kg m-2s-1。结果表明,涟漪纹管产生了最高的单相流动换热系数和压降,内螺纹管次之,光管的单相流动换热系数和压降最小。涟漪纹管的PEC因子随质量流速增大也逐渐增大,范围为1.59-2.52,而内螺纹管则随质量流速增大有略微减小的趋势,范围为0.58-0.86。冷凝传热系数和摩擦压降随着饱和温度的升高而呈现减小的趋势(主要由制冷剂性质的变化所产生),随着质量流量和蒸汽质量的增加而增加。在较低的流速下,强化管的冷凝换热系数随着质量流量的增加而降低。内螺纹管提供了最大的传热表面积和最佳的排液能力;然而,由于表面张力驱动的液滴使得流体更容易到达管的上部区域,减少了气体和管壁之间的传热面积。而对于涟漪纹管的凹坑结构,这种类型的强化表面产生的湍流比内螺纹管中产生的扰动要强烈得多。流体的流动特性可以反映在流型中,虽然三根管出口在相同条件下流型一致,但液体在强化管中的分布更不均匀,而且比光滑管中的液面更高。对于实验中的工况条件,涟漪纹管的换热系数强化比在1.15到2.05的范围内,而内螺纹管的换热系数强化比为1.18到1.69,考虑压降结果的性能系数分别为1.02-1.57和1.23-1.78。光滑管的传热性能仅略微受换热管的热导率影响;然而对于强化管,随着热导率的增加,换热系数有显著的增加。此外,对于较小直径的换热管,其可以表现出更好的传热性能。本文引入了比敏感因子评估强化管的强化换热效果,通过比敏感因子分析可以得出结论,降低饱和温度并非为强化管强化传热的有效方法;然而,使用由更高导热率的换热管材料制成的管和减小管径都是提高强化管效率的有效措施。对于压降的分析结果表明,涟漪纹管的压降增加了30%-40%,而内螺纹管压降仅增加了5-20%。摩擦压降在冷凝过程中起着最重要的作用,且随着质量流量和蒸汽质量的增大而展现出增加的趋势。较小的管径往往导致较大的摩擦压降;与不同类型的换热管相比,三维强化管产生的摩擦压降最高,其次是螺旋微翅管和光滑管。最终,对强化管的换热性能进行综合评价表明,螺旋微翅管在大部分工况下尤其是低流速下性能良好,三维的涟漪纹强化管更适合高质量流量。
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