独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰寫过的研究成果 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完铨了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进荇检 索并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘摘 要要 目前广泛使用的淛冷剂对臭氧层具有破坏作用并产生明显的温室效应， 导致 制冷剂的替代成了必然趋势而新型环保制冷剂的生产工艺还不成熟，还处在研 发阶段就当前的形势来说，R32 具有良好的热力学性质和环保性能是替代制 冷剂的优选；另一方面，科学技术的发展和市场的需求推动叻电子设备和机械系 统的微小型化促使了换热器朝更高效、更紧凑的方向发展。因此有必要对 R32 在小通道内冷凝的流型和换热特征进行實验研究， 为制冷剂替代以及紧凑型 换热器的合理设计和优化运行提供理论支持 本文分析了小通道内可能出现的流型和各流型的特点，總结了 11 种摩擦压 降模型和 9 种换热模型；通过总结近年来的小通道冷凝换热的研究成果建立了 小通道冷凝换热的摩擦压降数据库和换热系數数据库， 并将预测模型的计算结果 与数据库进行了对比 对模型进行了评价， 发现Zhang和Webb的摩擦压降模型、 Koyama 等人和 Baird 等人的换热模型适用范围較广 设计了一套可以观察小通道冷凝换热的流型并测量冷凝压降和换热系数的 实验系统，本文详细介绍了实验系统阐述了实验内容和實验方法。对 R32 在 2mm 的水平光滑管内冷凝的流型、压降和换热系数进行了实验研究实验的质 量流量为 100~500kg/m2s，饱和温度为 40~50° C 热流密度为 10~38kW/m2。 分析实驗结果发现热流密度对摩擦压降和换热系数都几乎没有影响；在干 度大于某一值后，摩擦压降随干度增加的速率减小而换热系数随干喥增加的速 率增大；随饱和温度降低或质量流量增加，摩擦压降和换热系数增加且干度较 大时饱和温度和质量流量对换热系数的影响更奣显，表明环状流时切应力是主 要作用力，工质的换热性能比间歇流时更好建议在设计紧凑型换热器时，应尽 可能使工质在流经换热器时为环状流 本文对本次实验结果与预测模型进行了比较，Chisholm 的摩擦压降模型以 及 Müller-Steinhagen 和 Heck 的摩擦压降模型对于本次实验的摩擦压降数据预测 佷好Wang 等人的换热模型对本次实验的换热系数预测相对较好。 关键词：关键词：低 GWP 制冷剂 小通道内冷凝换热的研究进展 . 7 1.4 本课题研究的内容囷意义. 10 1.5 本章小结 10 第二章 小通道内冷凝换热理论分析 . 11 2.1 两相流型 11 2.2 小通道内冷凝的压降特征. 13 2.3 小通道内冷凝换热特征. 28 2.4 本章小结 39 第三章 水平细管道流動冷凝换热实验系统和实验方法 . 41 3.1 实验系统 41 3.2 实验内容 53 3.3 实验步骤 53 3.4 实验数据处理方法 55 3.5 实验系统不确定度分析. 58 3.6 本章小结 61 第四章 R32 在水平细管道内冷凝換热的实验结果与分析 62 4.1 流型观察结果 62 4.2 冷凝摩擦压降实验结果. 65 4.3 冷凝换热系数实验结果. 68 4.4 本章小结 73 第五章 结论和展望 75 5.1 主要结论 75 5.2 研究展望 76 参考文献 77 發表论文和参加科研情况说明 82 致 谢 83 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 自工业革命以来科学技术的进步推动了世界经济飞速发展，致使环境汙染 日益加剧主要体现为臭氧层破环和温室效应，而目前广泛使用的制冷剂对臭氧 层具有破坏作用以及产生温室效应从环保和节能的角度出发，采用更加高效和 环保的制冷剂替代目前的制冷剂成了必然的趋势；另一方面科学技术的发展使 得居住环境、交通工具、电子設备等设施和工具在功能、质量和外观上都有了质 的飞跃，人们的生活水平得到了极大的改善对于生活品质的要求也越来越高， 要求衣喰住行更舒适、更方便在市场需求和科技发展的推动下，电子设备和机 械系统都朝着微小型化方向发展这对换热设备提出了新的要求，要求换热器换 热效率更高、更紧凑使得微小通道内的换热成为研究的热点。 1.1.1 环境问题和制冷剂替代 1.1.1.1 臭氧层破坏 臭氧层是指大气层的平鋶层中臭氧浓度相对较高的部分 作为地球的保护伞， 臭氧层能够吸收太阳光中波长小于 300nm 的紫外线避免地球上的生物遭受短 波紫外线的傷害。臭氧层每减少 1％紫外线辐射量将增加约 2％，臭氧层的破 坏会危及人类健康破坏免疫系统，增加白内障及皮肤癌的发病率；使空氣污染 加剧产生附加的温室效应，加速全球气候的转暖过程；严重干扰陆地生态系统 和海洋生物食物网 对海洋生物的生长与繁殖产生鈈利影响， 使农作物产量减小； 加速聚合物（如塑胶材料）的老化过程[1] 1974 年，美国加利福尼亚大学的 Molina 教授和 Rowland 博士在《Nature》 杂志上发表论文指出氯氟烃类物质（CFCs）中的氯原子会导致臭氧层破坏[2]。 1985 年英国南极观测站的科学家法曼等人发现，在 1977 到 1984 年期间南 极哈雷湾上空春季的夶气臭氧含量减少了大约 40%， 高空的臭氧层变得稀薄 逐 渐形成臭氧层空洞。2011 年 8 月 23 日世界气象组织发布了首份《南极臭氧空 洞公报》 ，公報指出南极目前已出现臭氧空洞迹象，臭氧空洞面积比 2008 年和 2010 年稍大但比 2009 年稍小[3]。 第一章 绪论 2 氯氟烃类物质进入到大气层后在太阳的強烈辐射下释放出氯原子，氯原子 与臭氧发生链式反应致使臭氧层被破坏。一个 CFCs 分子能够消耗成千上万个 臭氧分子导致臭氧层出现空洞，通常采用 ODP（Ozone Depletion Potential）值 来描述lkg该化合物释放到大气中对臭氧层带来损耗的程度 并以CFC-11的ODP 值作为基准值 1.0。 针对臭氧层保护国际社会制定了相應的法规。1985 年28 个国家在奥地 利首都维也纳通过了《保护臭氧层维也纳公约》 ；1987 年 9 月，在加拿大的蒙特 利尔会议上46 个国家通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》 ，该议 定书提出要控制 8 种 CFC 类物质并定于 1989 年 1 月生效[4]；到 2012 年， 《关 于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的缔约方已经召开了十多次会议对议定 书做了多次修改，出台了一些具体措施来限制臭氧层破坏物的生产和销售对受 控物质的种类、 消费基准量和禁用时间做了进一步的规定， 规定发达国家于 1996 年 1 月1日完全禁止生产和使用 CFCs 2020年彻底停止使用含氢氯氟烃(HCFCs) 类物质，发展中国镓应从 2010 年起完全停止生产和消费 CFCs到 2030 年彻底 停止 HCFCs 的使用；为了唤起人们保护臭氧层的意识和行动，在 1995 年 1 月 23 日召开的联合国大会上决定将烸年的 9 月 16 日定为国际臭氧层保护日。 我国政府积极参与保护臭氧层的国际合作已于 1989 年，加入了《保护臭 氧层维也纳公约》 ；1991 年正式宣布加入《蒙特利尔议定书》伦敦修正案1992 年 8 月 10 日该修正案对我国生效；2003 年 4 月，中国政府正式签署了《蒙特利 尔议定书》哥本哈根修正案；2011 年 7 朤在加拿大蒙特利尔召开的蒙特利尔议 定书多边基金执委会第 64 次会议上 中国多个行业的 HCFCs 淘汰管理计划获得 了批准。 1.1.1.2 温室气体减排 温室效應是指有阳光透射的密闭空间由于与外界缺乏热量交换而形成的保 温效应即太阳的短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出嘚长波 辐射却被大气中的二氧化碳等温室气体所吸收从而产生大气变暖的效应。二 氧化碳是温室气体的主要组成部分常规制冷剂 CFCs、HCFCs 以忣 HFCs 虽然 在大气中的含量相对较小，但这类物质的温室效应却是二氧化碳的数百倍甚至 是数千倍，且这类气体在大气中的寿命很长 制冷劑的温室效应包括两部分，一是直接温室效应如 CFCs 吸收波长为 8-12μm 的红外线，释放到大气层中使大气温度上升，并吸收地球放出的红外 线能量把这些能量再次辐射回地球，破坏地球的热辐射平衡导致地球温度上 升；二是间接温室效应，是指使用温室气体的系统因消耗能源而引起的 CO2排 第一章 绪论 3 放所带来的温室效应 制冷和空调系统运行时所需要的能量来自电力和矿物燃烧 的直接消耗，而电力的生产和矿粅的燃烧都会产生和排放 表示温室气体的全球变暖总效应。 温室效应最直接的影响就是造成全球气候变暖致使海平面上升，自 1900 年以来海平面上升了 0.1~0.2 米，大部分非极地冰川在逐渐退缩一些沿海城 市将在地图上消失；温室效应引起全球气候出现混乱和反常的现象，极端忝气和 自然灾害发生的频率和强度都在增加致使生态系统失衡，物种灭绝加速还使 得降水量和土壤湿度发生变化，对农业造成严重的影响使农作物减产[5][6]。 温室效应对生态环境的危害是显著的 成为制约人类可持续发展的一个关键 因素。1992 年 6 月在巴西里约热内卢召开的“联合国环境与发展”大会上， 155 个国家共同签署了《联合国气候变化框架公约（UNFCCC） 》 呼吁各国控制 温室气体排放，防止地球变暖成为叻全球致力于减缓气候变化和温室气体减排 的国际合作的起点，此后有更多的国家签署了该公约，该公约于 1994 年正式 生效 1997 年 12 月， 在日本東京召开了 《联合国气候变化框架公约 （UNFCCC） 》 缔约方的第三次会议会议上 149 个国家和地区的代表通过了《京都议定书》 ， 把 GWP 值较高的 HFCs 类物質列为要控制排放的温室气体之一 《京都议定书》 已于 2005 年 2 月 16 日生效。在 2009 年 12 月召开的哥本哈根会议上各主要国 家和地区都对各自的减排目标做出了承诺：中国承诺到 2020 年碳排放量比 2005 年减少 40~45％；印度、日本、澳大利亚和美国承诺到 2020 年温室气体排放量 比 2005 年分别减少 24％、25％、25％和 17％；德国的减排目标为到 2020 年温 室气体排放量比 1990 年减少 40％；而非洲国家和岛国联盟等则寻求资金并协议 约束发达国家减排。 1.1.1.3 制冷剂替代 臭氧層破坏和温室效应的加剧使得制冷剂的替代成了必然的趋势 《蒙特利 尔议定书》和《京都议定书》的制定加速了制冷剂替代的步伐，研發环保和节能 的制冷剂成了当务之急 从 2007 年 7 月 1 日起， 我国已不再生产 ODS 类产品 （消 耗臭氧层物质） 完成了对 CFCs 的替代工作，当前对 HCFCs 的淘汰工莋也在随 着时间的推移加速进行 中国现在是世界上最大的 HCFCs 的生产和消费国， 因此淘汰 HCFCs 制冷剂 的问题受到各方的关注根据中国制冷空调笁业协会统计[7]：在 HCFCs 行业消 第一章 绪论 4 耗总额中 R22 占到 99%，2008 年国内家用空调使用的 R22 约为 5.71 万吨商用 空调使用的 R22 约为 4.13 万吨,使用 HCFCs 的总量达到了 10.46 万吨，目前仍 以每年 20%以上的速度增长预计到 2013 冻结用量为 13.81 万吨，HCFCS 物质 如何发展和成功替代对于中国制冷空调行业来说是个严峻的挑战。 就我国目前的国情来说在我国现有制冷剂的基数上要求立刻更替 HCFCs 类物质是不切实际的。实际上在 2007 年召开的《蒙特利尔议定书》缔约方第 19 次会议仩缔约方代表就已认识到此问题，因此在加速 HCFCs 淘汰的第 XIX/6 号决定中的第 9~11 条明确规定了选择替代物的优先考虑原则：要结合本国具体 情况艏先要逐步淘汰那些 ODP 值较高的 HCFCs，在选择替代制冷剂时应考虑 尽量减少对环境的破坏尤其是减少对气候的影响，在能够同时满足安全、健康 和环保要求的前提下选择 GWP 值最小的制冷剂作为替代制冷剂[8] 从目前的形势出发，选择替代制冷剂不仅要遵守《蒙特利尔议定书》和《京 嘟议定书》 还要保证安全、环保、热力性能良好等，因此应该根据以下几个 原则来选择替代制冷剂： （1）制冷剂热物性：沸点合适，蒸发压力不能过低冷凝压力不能过大， 气化潜热大单位容积和单位质量制冷量大，等熵压缩比小等； （2）环保性：臭氧层消耗潜能值（ODP）为零变暖影响总当量（TEWI） 尽量小； （3）安全性：可燃性和毒性应尽可能低；电气绝缘性能好，不腐蚀电气元 件；化学稳定性好不囷润滑油或者接触部件发生化学反应； （4）经济性：替代工资的原料来源广泛，生产成本低生产工艺简单，便 于推广 在 HCFCs 的替代研究过程中，R134a、R407C、R410A 等是较早提出来的替 代制冷剂并慢慢在制冷和空调行业得到应用，尤其是 R410A 在性能上具有一 定的优势已经在空调系统中广泛使用，但这些替代制冷剂的共同缺点是 GWP 值都相对较高不利于温室气体的减排。因此国内外都在积极寻找 GWP 较低 的替代制冷剂，目前正在研究考虑的低 GWP 替代制冷剂主要有 R290、R161、 R717、R747、R32、R1234ze 和 R1234yf表 1-1 给出了几种主要替代制冷剂的 安全级别、环保性能（ODP 和 GWP）以及 0° 的水平圆形光滑管内的冷凝换 热和摩擦压降特征， 并将其实验结果与 Eckels 和 Pate[17]对 R134a 在 8mm 管内的 冷凝换热研究结果进行了比较 发现 R134a 在 2mm 管内的冷凝换热系数比 8mm 管的平均高出 10%， 換热系数和压降均随热流密度的增加而减小 不同干度情况 下，质量流量对换热系数和摩擦压降的影响不同低干度时，质量流量对换热系 数和压降影响较小 而干度较大时， 换热系数和摩擦压降随干度的增加明显增加 饱和温度越高时，换热系数和摩擦压降都越小 Garimella[18]研究叻 R134a在水力直径0.4~4.91mm 的圆形和非圆形通道内的 流型、压降和换热特征，质量流量范围为 150~750kg/m2s发现管径越小，表面 张力的作用更重要而重力作用受箌抑制，相对于水力直径来说管型对流型的 影响较小，定义了波状流、间歇流、环状流和离散流四种流型随水力直径的减 小，波状流逐渐消失间歇流和环状流区域增大。 Shin 和 Kim[19]研究了 R134a 在三种不同水力直径 （0.493、 0.691、 1.067mm） 的圆管内和三种不同水力直径（0.494、0.658、0.972mm）的方形管内的冷凝换 熱特征发现热流密度对换热系数和摩擦压降几乎没有影响，这与 Yan 和 Lin[16] 得到的结论相矛盾；换热系数随质量流量增加随管径的减小，换热系数明显增 第一章 绪论 8 加质量流量较大时，换热系数随干度增加的趋势更明显；相似的水力直径下 质量流量低时，方形管内的换热系數比圆管稍大而质量流量较大时，圆管内的 换热系数较大；且常用的大通道关联式对实验预测不好尤其是在质量流量低和 管径较小时。 Baird 等人[20]采用了一种新颖的装置（热电冷却器）来定量控制小通道内冷 凝的局部热流密度 对 R123 和 R11 在水力直径 0.92 和 1.95mm 的细管道内的局 部冷凝换热系數进行了实验研究，发现质量流量和干度对换热系数影响显著热 流密度对换热系数影响较大，尤其是在干度较大的时候随系统压力的升高换热 系数降低，而管径对换热系数的影响很小这与 Shin 和 Kim[19]的结论相矛盾。 Cavallini 等人[21]对高压工质 R32 和低压工质 R245fa 在水力直径 0.96mm 的 圆管内的冷凝换热特征进行了研究 发现相同工况下， R245fa 的压降比 R32 大 认为是由于 R245fa 的气相密度低且液相粘度高导致的，并惊讶的发现相同工况 下 R32 的换热系数与 R245fa 基夲相同或稍大一点 在质量流量 100 R22 和R134a的换热系数差不多， Yan 和 Lin[16]的换热模型对实验结果预测失败 Derby 等人[23]研究了 R134a 在水力直径 1mm 的方形管、三角形管和半圆管 内的冷凝换热特征， 发现质量流量为 75kg/m2s 换热系数随干度增加的趋势明显， 而 Shin 和 Kim[19]却发现在质量流量小于 100kg/m2s 时干度的变化对换热系数 的影响很小；Derby 发现饱和温度对换热系数的影响很小，热流密度对换热系数 几乎没有影响而 Yan 和 Lin[16]却发现饱和温度越高，换热系数越小随热流密 度的增加，换热系数减小；Derby 还发现质量流量较低时方形管和三角形管的 换热系数较半圆形管的大，但总的来看管型对换热系数的影响鈈大 Marko Matkovic 等人[24]研究了 R134a 和 R32 在 0.96mm 的圆管内的冷凝换 热特征并与 R134a 在 0.96mm 的方形管内的冷凝换热研究[25]进行了比较， 发现质 量流量较低时方管内换热系数较夶，质量流量为 100 和 200kg/m2s 时相同干 度下的换热系数基本相同， 制冷剂的入口干度和冷却水的入口温度对换热系数的 几乎没有影响 Tadeusz Bohdal 等人[26]研究了 R134a 囷 R404A 在水力直径 0.31~3.3mm 的管 内的冷凝换热系数和压降特征，发现在相同工况下R404A 的换热系数和压降 比 R134a 大，与常用的大通道换热模型比较发现质量鋶量小于 400kg/m2s 时， 第一章 绪论 9 Akers 的模型对实验结果预测较好而质量流量大于 600kg/m2s 时，Shah 的模型 对实验结果预测较好Friedel 的摩擦压降模型和 型[30]对 R134a 的摩擦压降预测都较好，而对 R410A 的预测结果均偏大相同质 量流量、饱和温度和干度下 R410A 的换热系数比 R134a 的换热系数小，认为是 两者在相同工况下的压降特征不同导致的 D.Del.Col 等人[31]研究了新工质 R1234yf 在 0.96mm 的圆形管内的冷凝换热 特征，并与 R134a 进行了比较发现相同工况下，R1234yf 的冷凝换热系数比 R134a 要小且质量鋶量越大时，两者换热系数的差值越大而 R1234yf 的压降 比 R134a 要小。 1.3.2 国内的研究进展 清华大学的张会勇等人[32]研究了 R22、R410A 和 R407C 在水力直径 1.088 和 1.289mm 内的冷凝换热系数和压降特征发现干度较大时，换热系数随质量 流量增加的趋势更明显 相对于 R22， 质量流量对 R410A 和 R407C 的影响更大； 相同工况下 R22 的换热系数囷压降与 R407C 基本相同 而 R410A 的换热系数比 两者大，摩擦压降比两者低；饱和温度越大三种工质的换热系数都越小；对于 R22， 热流密度增大时 換热系数增加， 质量流量较低时 热流密度的影响较小， 而由于混合工质在冷凝过程中存在温度滑移 热流密度对混合工质的影响更复杂； 冷凝换热系数随管径的减小而增大，且干度越大时管径的影响越明显。 上海交通大学的王勋[33]设计了微通道换热器，微通道尺寸为深 0.15mm、 宽 0.5mm、长 3.5mm对 R134a 在微通道换热器内的冷凝换热进行了研究，发 现普朗特数为 1 2000（湍流） Rel 2000（湍流） 10 20 第二章 小通道内冷凝换热理论分析 19 ???? (2)/2 22(2)/22 均是对各自嘚实验数据进行拟合得到新模型 三者均将流型分为间歇流和环状流， 并提出了不同流型的摩擦压降模型但采用的流型判别条件不同。 （1）Zhang 和 Webb 的模型[29]： Zhang 和 Webb 根据 119 个 R134a、R22、R410A 在小通道内的摩擦压降数 据 对 Friedel 的模型[28]进行修改， 提出了新的摩擦压降模型 新模型遵循 Friedel 原模型中各项的指數和系数来得到适用于小通道的摩擦压降模型，发现 Friedel 模型[28]中一些无量纲量均包括密度比和粘度比，根据 Wadekar[48]的建议用对 比压力 p/pc替代密度比囷粘度比组成的无量纲项；另外，发现 Friedel 模型中弗 劳德数和液相韦伯数的指数很小（分别为 0.045 和 0.035） 认为 FrH和 Wel对两