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采用小管径换热管或C型弯曲换热管是降低蒸发器成本和改善能效的重要手段之一。目前外径为5mm或7mm的换热管正在被广泛地应用于空调蒸发器,且有采用更小管径换热管的趋势。润滑油的混入增加了制冷剂在这类换热管内的流动沸腾换热的复杂性。如何计算含油制冷剂在相对小管径换热管和C型弯曲换热管内的流动沸腾换热系数和压力损失,定量评价润滑油的混入对蒸发器性能的影响,对促进小管径换热管在紧凑式蒸发器设计中的工程应用具有重要价值。
本文从含油制冷剂在单根换热管内的流动沸腾换热特性和压力损失特性等基础性问题的研究入手,以含油制冷剂混合物性计算模型为切入点,以实验为手段,以开发工程应用换热及压降模型为目的,在无油制冷剂翅片管蒸发器分布参数模型的基础上,增加了润滑油对蒸发器性能影响的分析功能。为预测润滑油对蒸发器换热系数、压力损失以及蒸发器性能等的影响奠定了一定基础。
取得了以下几方面的成果:
1.基于现有实验数据开发了制冷剂.润滑油混合物物性计算模型。该混合物性计算模型为分析润滑油的混入对制冷系统和部件性能的影响奠定了基础。
2.设计并搭建了含油制冷剂管内流动沸腾换热及压降特性测试实验台。该测试装置可实现在线连续准确注油,克服了现有注油方式的缺点,为在全工况大范围内考察润滑油的混入对制冷剂管内流动沸腾换热和压降的影响提供了重要手段。
3.对含油制冷剂在相对小管径水平直光管和C型弯曲光管内的流动型态进行了实验研究。水平直光管的主流流型以波状流、波状-环状流、环状流及弥散环状流的形式出现。研究发现润滑油的混入一方面会使波状流到环状流的过渡向干度减小的方向滑移;另一方面使环状流到弥散环状流的过渡向干度增大的方向滑移。水平C型弯曲光管内的主流型态与水平直光管没有明显区别,但流型之间过渡干度值略有不同,前者由于受离心力的作用,出现环状流形成延迟以及弥散环状流提前的现象。
4.对含油制冷剂在相对小管径水平直光管和C型弯曲光管内流动沸腾换热和压降特性进行了研究。润滑油的混入对制冷剂在相对小管径换热管内的流动沸腾换热和压降特性的影响远较大管径换热管敏感。随着换热管径的减小,油的换热增强效果减弱甚至消失。通过压降和换热系数的无量纲参数的定义,发现基于混合物性的全液相压降乘子以及两相换热增强因子与局部油浓度具有良好的线性相关度,且不同干度和质量流量下变化斜率一致。
5.根据实验研究结论,提出的基于混合物性的适用于相对小管径水平直/弯管的压降和换热模型,能反映润滑油在制冷剂中的真实存在状态及对制冷剂管内流动沸腾换热和压降的影响规律,物理意义明确,压降模型95%以上的预测值与实验数据的偏差保持在±15%以内;而换热模型预测值与90%以上的实验数据的偏差在±20%以内。
6.润滑油对蒸发器性能影响可归结为润滑油的混入对换热系数、压降、管内外换热温差以及蒸发器出口处润滑油中制冷剂残留量的影响。局部换热系数和局部压力的沿程分布表明,润滑油对换热系数和压降的影响仍然是影响蒸发器整体性能的决定因素。当润滑油循环量为3%时,蒸发器制冷量的衰减约为5%左右,在出口过热度较小时,润滑油中制冷剂残留量约为2-3%;但当润滑油循环量为5%时,蒸发器制冷量的衰减超过10%,残留制冷剂量可达7%。压降的影响较换热的影响显著。当润滑油循环量为1%时,压降的增加约为10%,而当润滑油循环量为3%时,压降约增加20%,当循环量为5%时,而压降的增加量已达30-40%。
最后给出本文由于时间关系尚没有深入研究的问题以及将来应重点关注的相关研究方向。