微小通道中重力和润滑油对流动冷凝换热的影响研究

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随着航天事业的发展,航天应用蒸气压缩式热泵/制冷系统逐渐受到各国研究的重视,微重力环境下制冷剂的冷凝换热是其中重要环节。由于航天器对散热量的需求,多采用微小通道换热器,而微重力下难以回收的润滑油会对换热造成较大影响,研究微小通道中重力、润滑油对冷凝换热的影响对航天应用冷凝器的设计和开发具有重要意义。本文以R134a制冷剂为研究对象,建立了微小通道内流动冷凝换热的三维数值模型,并模拟研究了重力和润滑油对冷凝换热的影响,主要研究内容和结果如下:(1)研究了微小通道中不同重力条件下流动冷凝的换热和压降特性,发现在重力的影响下,冷凝液膜向通道底部汇集,通过改变通道形状、增大质量流速以及减小水力直径可以增强表面张力或惯性力作用的比重,削弱重力的影响。无重力条件下,通道内冷凝换热系数低于常重力条件,而冷凝压降梯度则略高,且常重力条件下重力作用的比重越小,有无重力条件下的差别越小。此外,对已有研究中流动冷凝的重力无关性准则进行分析,并基于研究数据拟合出新的重力无关性准则式。(2)研究了微小通道中含油工质流动冷凝的换热和压降特性,发现润滑油对通道内流动冷凝换热系数和压降梯度的作用效果相反,油浓度越高,同一干度下的冷凝换热系数越低,而压降梯度越大。同一油浓度下,油影响因子随蒸汽干度的降低、质量流速的减小以及通道水力直径的增大而呈现增大的趋势。(3)研究了环状液膜在肋片窄通道中的流动过程并分析了肋片对流动冷凝换热的影响机理,发现肋片结构由于对液膜的破坏对换热性能具有显著提升作用,且采用长度更短、分布更密集的肋片更有助于提升通道内整体的冷凝换热性能。此外,肋片结构也增强了冷凝换热的重力无关性。
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