【摘 要】
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工质的研究及小通道的使用可有效提高并优化热力系统的能效与结构,减少系统能耗与碳排放,是实现“双碳”目标的有效途径。对于高温空气源热泵、焦耳-汤姆逊制冷循环、有机朗肯循环等热力系统,对不同管径下的大温度滑移非共沸工质的流动沸腾换热特性研究可有效提高系统能效,优化系统换热器结构,降低系统成本。本文针内径分别为3.5mm和2mm的水平不锈钢圆管,探究在质量流速为200 kg/（m~2s）～400kg/（
【基金项目】
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国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（No.2021YFE0116100）:基于可再生能源热泵利用的复合型区域供热供冷系统关键技术研究与示范; 国家自然科学基金资助项目（No.51806151）:大温度滑移三元非共沸工质流动沸腾传热传质机理研究; 天津市自然科学基金（No.20JCQNJC00600）:基于机械过冷 CO2 热泵的大沸程混合制冷剂沸腾传热及组分迁移机理研究; 生态环境部对
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工质的研究及小通道的使用可有效提高并优化热力系统的能效与结构,减少系统能耗与碳排放,是实现“双碳”目标的有效途径。对于高温空气源热泵、焦耳-汤姆逊制冷循环、有机朗肯循环等热力系统,对不同管径下的大温度滑移非共沸工质的流动沸腾换热特性研究可有效提高系统能效,优化系统换热器结构,降低系统成本。本文针内径分别为3.5mm和2mm的水平不锈钢圆管,探究在质量流速为200 kg/（m~2s）～400kg/（m~2s）,热流密度为12 k W/m~2～48 k W/m~2,饱和温度为10℃～20℃的实验工况下,大温度滑移非共沸工质CO2/R152a（65.3/34.7）及纯质R152a在流动沸腾过程中的两相流型、流动沸腾换热及压降梯度变化规律进行实验研究与理论分析,为大温度滑移非共沸工质应用场景下的系统能效改善、换热设备的设计及优化提供实验及理论支撑。通过不同管径下大温度滑移非共沸工质流动沸腾换热实验台的搭建,在实验工况范围内发现,由可视化段观测到3.5mm常规通道内流型可分为:弹状流、间歇流、环状流和雾状流。而2mm小通道内观察到的流型为:弹状流、弹状/半环状流、半环状流、环状流（粗糙/光滑）。对流型图的应用中,Wojtan等流型模型对3.5mm管内预测结果较好,小通道中,根据流型数据及分析,Ong-Thome流型图被采纳。通过对比不同管径流型图及对应图像发现,管径的减小和质量流速的增加会大大减小间歇流/聚集泡状区（I/CB）区域,增大环状流（I）区域,同时使得管内的重力效应减弱,管内上下部液膜厚度的差异减小。但管径的减小对弹状流/孤立气泡区（Slug/IB）过渡至间歇流/聚集泡状区（I/CB）的流型转变曲线的影响并不明显。通过灰度分析法对不同管径内的流型进一步分析后发现,随着流型的发展,不同管径下的流型灰度图在低干度范围下具有振频快,振幅大的特点。当由管内流型由弹状流过渡至下一阶段时,流型整体灰度值略有上升,且随着流型的发展,管内液膜更加均匀,灰度值逐渐下降并趋于平稳,最终稳定在某一固定值左右波动。对不同管径下大温度滑移非共沸工质CO2/R152a（65.3/34.7）及纯质R152a的流动沸腾换热系数的实验结果分析发现,CO2/R152a（65.3/34.7）及纯质R152a换热系数随干度的增加先缓慢增加,干度增至临界干涸干度后换热系数迅速减小并趋于稳定。随着质量流速的增加,CO2/R152a（65.3/34.7）在中高干度区域的换热系数最大增加了31.2%～65.4%;随着热流密度和饱和温度的增加,低干度区域核态沸腾增强,换热系数分别增大了4.2%～37.8%和16.2%～20.6%。结合大温度滑移非共沸工质换热特性与实验数据,提出适用于大温度滑移非共沸工质的新换热关联式,其平均绝对偏差为11.3%。针对实验工况内的压降特性,通过实验发现,压降梯度随着质量流速和热流密度的增加而增加,随饱和温度的增加而减小,且质量流速对压降梯度的影响最大。管径为3.5mm时,质量流速为400 kg/（m~2s）时全压降梯度比200 kg/（m~2s）提升了54.4%～189.2%;在相同工况下,随着管径的减小,管内压降梯度显著提升,2mm管内全压降梯度与3.5mm管内全压降相比,最高增大了102.4%。各摩擦压降梯度模型中,Jung-Radermacher压降梯度模型对实验数据的预测效果较好。
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