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深冷混合工质节流制冷技术是在80~230K温区具有显著优势的制冷技术。这种制冷技术具有无低温运动部件、高热力学性能和经济可靠等优点,其对半导体工业、液化天然气工业、生物医学工程等领域的发展具有非常重要的意义。深冷纯工质及其混合物的沸腾换热研究为深冷混合工质节流制冷机的设计、校核提供基础的传热数据,可以提高制冷机的可靠性和经济性。
本文通过广泛的资料查询和信息调研,对前人沸腾研究工作的主要成果进行了回顾和总结。在现有实验台的基础上,对实验主体系统进行了部分改进,使实验台的测量精度提高,以获取更准确的沸腾换热数据。利用该实验台对深冷纯工质R14、R170及其二元混合物、R116纯质进行了一系列池内核态沸腾换热实验,并对实验结果进行了分析,具体如下:
Ⅰ.R14和R170纯质池内核态沸腾换热特性研究
本文对R14和R170纯质进行了池内核态沸腾换热实验测量,获得了在0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa三个压力、不同热流密度下的池内核态沸腾换热数据。分析了热流密度和系统压力对纯工质沸腾换热的影响,R14和R170两种纯质的沸腾换热系数都随着热流密度的增加而呈其指数关系增大,并随着压力的增加而增大。实验结果与经典纯工质沸腾换热的关联式进行了比较,并对比较结果进行了分析。
Ⅱ.R14/R170二元混合物池内核态沸腾换热特性研究
本文开展了R14/R170混合物池内核态沸腾换热特性的实验研究,测量了不同浓度配比、不同热流密度和不同压力下的R14/R170混合物池内核态沸腾换热数据,分析了浓度配比、热流密度和压力对混合物沸腾换热的影响。实验结果与现有的混合物沸腾换热关联式进行了比较,并对比较结果进行了分析,为深冷混合工质节流制冷等相关领域提供基础数据。
Ⅲ.R116池内核态沸腾的压力影响特性研究
对全氟乙烷(R116)进行了0.1~0.9MPa压力范围、不同热流密度下的池内核态沸腾换热实验,获得了大量R116的池内核态沸腾换热数据。发现了R116池内核态沸腾换热系数随压力变化的异常现象,即R116的沸腾换热系数随着压力的增加并不是一直增大,在压力为0.1~0.9MPa范围内,换热系数先随着压力的增加而增大,达到最大值后随着压力的增加而减小。这一现象与大多数制冷工质都不相同。将R116的实验数据与当前文献中的一些关联式做了对比,发现他们并不能反映R116的沸腾异常现象。针对该异常现象,本文进行了探索性的解释。基于R116的实验数据,考虑了表面张力、粘性系数、Joule-thomson系数、体积膨胀系数的影响,拟合了一个新的适用于R116在0.1~0.9MPa压力范围内的关联式。该关联式很好的拟合了实验数据,与实验数据最大相对偏差为±15%,平均误差为±3.2%。