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R600a、R1234ze(E)及其混合物水平管内流动沸腾特性的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球对环境保护意识的不断增强，制冷剂对环境的影响日益受到关注。传统的氯氟烃（CFCs）和氢氯氟烃（HCFCs）类制冷剂，因其具有较高的臭氧消耗潜能值（ODP）和温室效应潜值（GWP），对臭氧层造成破坏并加剧全球气候变暖，已被《蒙特利尔议定书》及其修正案列为逐步淘汰的对象。在这一背景下，寻找环保型制冷剂成为制冷行业的重要任务。

R600a作为一种天然碳氢制冷剂，具有零ODP值、极低的GWP值（接近0）以及良好的热力学性能，如较高的蒸发潜热和较低的运行压力，在家用冰箱、冷柜等小型制冷设备中得到了广泛应用。然而，R600a具有可燃性，在使用过程中需要严格控制充灌量和采取安全措施，这在一定程度上限制了其更广泛的应用。

R1234ze(E)（反式-1,3,3,3-四氟丙烯）属于氢氟烯烃（HFOs）类制冷剂，其ODP值为0，GWP值小于1，被认为是一种极具潜力的环保型制冷剂，尤其是作为R134a的替代品，在汽车空调、商用制冷等领域受到了广泛关注。不过，R1234ze(E)的热力学性能和传输特性与传统制冷剂相比仍有一定差距，单独使用时在某些方面难以满足实际需求。

为了综合发挥不同制冷剂的优势，研究R600a、R1234ze(E)及其混合物在水平管内的流动沸腾特性具有重要意义。在制冷系统中，蒸发器是实现制冷剂蒸发吸热的关键部件，制冷剂在水平管内的流动沸腾过程直接影响着蒸发器的换热性能和系统的制冷效率。深入了解R600a、R1234ze(E)及其混合物在水平管内的流动沸腾特性，有助于优化制冷系统的设计，提高系统的性能和能源效率，降低运行成本。同时，对于推动环保型制冷剂的应用和发展，减少制冷剂对环境的影响，实现制冷行业的可持续发展也具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

对于R600a在水平管内的流动沸腾研究，国内外学者已取得了一定的成果。在换热特性方面，陈梦寻等人搭建了纳米冷冻机油/制冷剂水平光管内流动沸腾换热测试实验台，研究了石墨/R600a纳米制冷剂在水平直光管内流动沸腾换热特性，发现纳米石墨的添加增强了含油制冷剂的流动沸腾换热，并获得了基于石墨的含油纳米制冷剂流动沸腾换热关联式。在压降特性方面，邱金友等人对R600a/3GS混合物在内径为8mm水平管内流动沸腾换热过程摩擦压降特性进行实验研究，结果表明R600a/3GS混合物和纯R600a制冷剂的摩擦压降均随质流密度和干度的增大而增大，3GS润滑油的混入强化了摩擦压降。

针对R1234ze(E)在水平管内的流动沸腾，郭潇扬等人对其在内径为8mm水平圆管内流动沸腾换热特性进行实验研究，分析了质流密度、热流密度以及干度对R1234ze(E)饱和流动沸腾换热系数的影响，并将实验结果与3种预估关联式进行比较，发现LIU等的关联式计算结果较优。牛永明等人对R1234ze(E)的研究主要集中于物理性质、传热特性以及系统性能等方面，认为其作为新一代的绿色环保替代制冷剂，因其环保特性及良好的系统性能而被广泛关注和研究。

关于R600a和R1234ze(E)混合物在水平管内流动沸腾的研究相对较少。目前的研究主要集中在混合物的热物性分析以及系统性能的初步探讨，对于混合物在水平管内流动沸腾过程中的换热特性、压降特性以及流型变化等方面的研究还不够深入和系统。现有研究在不同工况下对混合物流动沸腾特性的影响规律研究不够全面，缺乏对混合物中各组分比例变化对流动沸腾特性影响的深入分析，且相关的预测模型也有待进一步完善和验证。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入揭示R600a、R1234ze(E)及其混合物在水平管内的流动沸腾特性，明确主要影响因素，构建准确的预测模型，为制冷系统的优化设计和环保制冷剂的应用提供坚实的理论依据和数据支持。

围绕这一目标，具体研究内容如下：首先，搭建高精度的水平管内流动沸腾实验装置，严格控制实验条件，针对R600a、R1234ze(E)及其不同比例混合物，开展全面系统的流动沸腾实验研究。精确测量不同工况下的换热系数、压降以及流型等关键参数，确保实验数据的准确性和可靠性。其次，深入分析实验数据，详细探究质流密度、热流密度、干度以及混合物组分比例等因素对R600a、R1234ze(E)及其混合物流动沸腾换热系数、压降特性和流型变化的具体影响规律。通过对比分析，明确各因素的作用机制和相互关系。最后，基于实验数据和理论分析，运用先进的数学方法和模型构建技术，构建适用于R600a、R1234ze(E)及其混合物在水平管内流动沸腾的换