混合工质溶液池沸腾气泡成核及换热机理研究

The phase change heat transfer of non-zeotropic mixture solution widely exists in the energy chemical processes. At present, the heat transfer correlations are poorly applicable to mixture solutions with large temperature glide, which made greatly trouble to the heat exchanger design. This study takes the boiling process of non-zeotropic mixture solution as object, focus on fundamental mechanism research of the gas nucleus reduction and the boiling heat transfer decrement. A theory of mixture solution boiling nucleation will be tried to propose through the molecule dynamics. The mathematical model of the nucleus density will be constructed to calculate the reduction ratio by the mixed effect. Then the boiling heat transfer correlations deriving from the pure substances will be corrected by considering the nucleus reduction in mixture solutions. After that, considering the heat transfer reduction by mass transfer resistance, the effective superheated degree on the interfacial of the gas and liquid will be calculated through the mass transfer dominating model. At last, a new boiling heat transfer correlation of non-zeotropic mixture solution will be constructed and verified by experiments. This study aims at disclosing the boiling gas nucleation mechanism of mixture solutions, and obtaining a more adaptive pool boiling heat transfer correlation for mixture solutions.

非共沸混合工质相变传热广泛存在于能源化工流程中，目前其传热关联式对于较大温度滑移下的混合工质适用性较差，给换热器设计计算带来了很大的制约。本项目以非共沸混合工质溶液沸腾过程为研究对象，对其沸腾过程中的气泡成核衰减机理及沸腾换热衰减规律进行基础科学研究。主要研究内容有：从分子运动学出发，提出混合工质沸腾气核密度衰减机理，并建立混合工质气核密度的数学模型，计算混合工质相比纯工质时的气核衰减系数，修正沸腾气核衰减后的混合工质沸腾传热关联式；采用传质主导模型计算气液界面上的有效过热度，考虑传质阻力引起的传热衰减；从而建立同时考虑沸腾气核衰减及气泡成长传质阻力作用后的沸腾传热关联式并进行实验验证。本项目旨在揭示混合工质成核机理，通过混合工质溶液沸腾气核密度衰减系数修正其沸腾传热关联式，得到一个适用性较强的混合工质沸腾传热计算关联式。

混合工质在低温制冷、设备散热、天然气液化和空气分离等领域有广泛的应用。但与纯工质相比，混合工质核态沸腾的换热性能大幅降低，掌握混合工质的沸腾换热的机理对换热器的设计和强化换热技术的发展有重要的意义。因此，本课题从混合工质的成核过程，气泡成长过程和沸腾换热系数方面逐步研究了混合工质沸腾的换热机理和换热特性。. 首先，基于相变时吉布斯自由能的改变分析了非共沸混合工质的非均相成核过程。得到了混合物沸腾时的临界半径，有效能的改变量，起始沸腾过热度和热流密度的解析解。在此基础上，建立了混合工质起始过热度关联式，并对R22、R124及R22/R124混合物的起始沸腾过热度和热流密度进行实验验证。结果表明，本课题提出的模型与实验结果的吻合度较好，大部分实验数据的误差为+20%~-40%。. 其次，混合工质沸腾时气泡密度减少是混合工质沸腾换热系数下降的主要原因之一。本课题首次从气泡形成概率的角度出发，使用涨落理论解释了混合工质沸腾时气泡密度衰减的现象。通过计算低沸点组分在局部区域中变化时系统的熵变，得到了发生浓度涨落的概率和混合工质沸腾时气泡密度的衰减率。实验测试了不同纯工质及其混合物在透明石英管中沸腾时的气泡密度，实验结果与计算结果的一致性较好。. 另外，气泡成长速度的衰减也是混合工质沸腾换热系数下降的主要原因之一。为了研究混合工质沸腾时传质阻力的影响和气泡成长速度的衰减率，本课题对单个气泡分别在混合物中的成长过程进行了实验研究。实验结果表明，目前已有的计算模型都低估了传质阻力的影响。因此，提出了适用于混合工质气泡成长的衰减因子计算模型，大多数计算结果的误差在+30%~-30%之间。. 最后，综合研究了混合工质沸腾的换热特性。对混合物的池沸腾换热系数进行实验研究。对比了已提出的纯工质和混合工质的关联式，并根据实验结果提出了新的换热关联式。