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

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1、天津大学硕士学位论文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ExperimentalandSimulationStudyonFlowBoilingCharacteristicsofR245fainHorizontalTubeswithNon-uniformHeatFluxdistribution学科专业：热能工程研究生：王志指导教师：赵力教授天津大学机械工程学院二零一七年十二月I摘要太阳能是一种可再生能源，具有环保、可持续的优势，是应对能源短缺和气候变化的重要选择之一。采用有机工

2、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。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：1、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

3、、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29mm，实验工况为质量流速80~160kg/(m2·s)、热流密度8~14kW/m2、饱和温度55~75℃、干度0~0.35。2、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R245

4、fa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%，绝对平均偏差为8.84%。3、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

5、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IIABSTRACTSolarenergyisarenewableenergy,whichisenvironmentallyfriendlyandsustainable.Therefore,itisoneoftheimportantoptionsforpeopletodealwithener

6、gyshortagesandclimatechange.Directvaporgeneration(DVG)inparabolictroughsolarcollectors,featuredbysolarradiationasheatsourceandvaporgenerateddirectlyfromorganicworkingfluidsintheabsorbertube,isadvantageouswithabetterperformanceofpowercycle,asmallersyste

7、mscale,loweroperationtemperatureandpressureandahighercollectorefficiency.Asaresult,itisapplicabletodistributedenergysystems.Atpresent,therearefewrelatedresearchesanditstechnicalfeasibilityneedstobeverified.Therefore,thispaperestablishedaR245faflowboili

8、ngexperimentalapparatusundernon-uniformheatfluxandstudiedtheboilingheattransferperformanceofR245fa,whichcanprovidereferencefortheapplicationofdirectvaporgenerationsystem,andhascertainengineeringapplicationvalue.Inthispaper,experimentala