R1234ze(E)界面蒸发的分子动力学研究

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蒸发相变是第四代工质氢氟烯烃在制冷循环和有机朗肯循环(ORC)中的重要能量传递方式之一,因此揭示氢氟烯烃纯工质及其混合工质的蒸发机理对于提高循环系统热效率、降低蒸发器的设计成本具有重要意义。现如今,对氢氟烯烃工质界面相变的研究主要集中在实验研究,从实验角度难以揭示氢氟烯烃纯工质及其混合工质的界面蒸发机理以及对应的驱动机制,而基于分子间相互作用的分子动力学模拟方法则有望解决这一问题。本文以典型氢氟烯烃纯工质R1234ze(E)及其混合工质R32/R1234ze(E)为研究对象,结合非平衡以及平衡分子动力学模拟方法,围绕氢氟烯烃工质R1234ze(E)的界面蒸发过程开展了研究,通过分析气-液相界面性质,热量传递阻力以及分子间相互作用力,分别讨论了同分异构体,混合工质质量配比以及表面润湿性对R1234ze(E)界面蒸发过程的影响机制。首先,研究了同分异构体R1234yf、R1234ze(E)和R1234ze(Z)的界面蒸发行为。研究结果表明,同分异构体的蒸发过程中存在一个动态稳定时期,在此期间蒸发速率和热流密度基本保持不变。R1234yf的蒸发速率最大,其次是R1234ze(E)和R1234ze(Z)。在稳定阶段,可以根据温差和热流得到热阻。R1234ze(Z)体系的总热阻大于R1234ze(E)和R1234yf体系。固-液界面热阻只占总热阻的很小一部分。气-液相界面的热阻是同分异构体总热阻存在差异的主要原因。三种体系中,R1234yf体系的气-液相界面的面积最大,为蒸发提供了更大的传热传质表面。R1234yf具有最小的液体分子间相互作用能,所以其在液膜中受到的扩散阻力最小,从而导致R1234yf液体分子的蒸发传热阻力与能垒最小。其次,研究了R32/R1234ze(E)纯工质及其混合工质的界面蒸发行为。研究结果表明,在混合工质中,更易蒸发的R32分子提高了不易蒸发的R1234ze(E)分子的蒸发速率。体系中R32的质量百分数越小,总热阻越大。固-液间的热阻值最小,液体热阻值其次,气-液相界面蒸发热阻最大。固-液界面热阻随R32的质量百分数的降低而降低,而液体热阻与气-液界面蒸发热阻随R32的质量百分数的降低而增大。气-液相界面区域的厚度随着R32的质量百分数的降低而降低。R32的分子间相互吸引力比R1234ze(E)小,因此降低了R1234ze(E)分子在混合工质中所受到的吸引力与扩散阻力,从而导致了混合工质的蒸发传热传质阻力小于R1234ze(E)纯工质体系。此外,铜壁面对R1234ze(E)分子的吸引力更大,所以R32体系的固-液界面热阻小于R1234ze(E)体系。最后,研究了R1234ze(E)纯工质在不同润湿性表面上的蒸发行为。研究结果表明,表面润湿性影响了氢氟烯烃工质R1234ze(E)界面蒸发过程的三个阶段。强表面润湿性减少了蒸发“初始”阶段的持续时间,提高了蒸发“稳定”的蒸发速率,但是增加了蒸发“抑制”阶段的持续时间。表面润湿性的增强,增强了固-液间的相互作用力,使得固-液界面处的R1234ze(E)工质呈现出“类固”状态,从而降低了固-液界面的温度跳跃与热量传递阻力,也使得“不可蒸发层”出现的可能性增加。
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