低温室效应工质HFO1234ze 及其与R32混合物的换热机理与系统运行特性研究

环境问题已经成为全球性问题，采用低温室效应的制冷工质是必然的发展趋势。本研究以当前国际最新的低温室效应工质 HFO1234ze为研究对象，研究纯工质及与R32的混合工质的流动沸腾换热与管内冷凝换热的特性，并探讨在不同流量密度，不同热流密度，不同管径和不同饱和温度下的换热情况，及流型对换热的影响。讨论混合工质不同的混合比例情况下的换热过程中的换热情况。得到新的理论模型能够预测纯工质和混合工质的换热系数，同时提出混合物的抑制因子。对混合物中由于物质扩散造成的换热系数下降的机理以及管径对换热的影响机理进行探索。对HFO1234ze及与R32的混合工质的热泵系统进行机组运行实验，分别在额定工况和部分负荷工况下进行制热和制冷运行测试，找到运行规律，提出改进办法。以上研究将填补新工质HFO1234ze及与R32的混合工质的数据不足，为我国开发新工质HFO1234z空调制冷设备提供坚实的理论和实践基础。

本研究针对当前新型的低温室效应工质HFO与R32的换热机理与系统运行特性进行了理论计算和实验测试两方面的研究。首先对HFO与R32的混合工质的物性数据进行修正，得出了制冷剂适于用各状态方程模型的交互系数及HFO的特性参数，得出PRSV状态方程的计算精度最高且稳定性较好，相对于REFPROP其计算精度由±8%提高到±2%，为实验与理论分析提供了可靠的物性基础。搭建水平光滑细管管内流动沸腾和冷凝换热试验台，研究低GWP纯工质及HFO工质与R32 的混合工质的流动沸腾换热与管内冷凝换热的特性，的并探讨在不同流量密度，不同热流密度，不同管径和不同饱和温度下的换热情况，及流型对换热的影响。R32的管内冷凝和管内沸腾的传热换热系数都高于纯HFO工质。不同配比下的HFO与R32混合工质的传热系数相对于纯质而言都有不同程度的降低，在冷凝情况下，小流量下的传热系数下降更剧烈，而在沸腾蒸发情况下，则是高热流密度情况下，传热系数下降的更剧烈。在对管径的研究中，发现小管径流体在低Bo数情况下，沸腾换热系数要高于大管径，而在大Bo情况下，后者则大于前者。基于对R32和HFO及其混合工质的换热机理分析讨论，修正混合物传质阻力因子，对传热关联式理论预测模型进行优化。通过比较预测值与实验值结果显示：对于纯工质而言，沸腾换热Yoshida的模型预测效果是比较好的，在此基础上进行了修正，使预测误差在15%以内，并提出混合物的修正因子。在冷凝方面， Barid et al.的模型、Koyama et al.的模型和Garimella et al.的模型的预测误差值较小。三者预测的平均绝对误差在±30%以内的工质较多。并在Koyama et al.的模型基础上进一步优化，使得精确度有显著的提高。利用稳态分布参数模型对HFO1234ze在空调换热器中的流动换热特性进行了理论分析，并与HFO1234yf、R290以及R410A进行了性能的对比分析。在空调蒸发器和冷凝器中，HFO1234ze达到与R410A相同换热量所需的流量稍大，但由于相同质量流量下HFO1234ze的压降大于R410A，可以略微增加管径来调整。R290用R410A质量流量的一半多点儿就可以达到相同的换热量，且压降情况与R410A持平。以上研究结果都为低温室效应工质HFO工质的应用与换热器的开发提供理论基础。