發(fā)布時(shí)間：2020-10-31 12:09

　　 繞管式換熱器是一種緊湊型管殼式換熱器,具有傳熱效率高、存在離心力場、產(chǎn)生二次流等特性,其傳熱基本單元為螺旋管。螺旋管在傳熱傳質(zhì)、氣液分離等領(lǐng)域廣泛使用�，F(xiàn)階段螺旋管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)換熱的研究重點(diǎn)在于二次流、氣相或液相單相流動(dòng)、空氣—水氣液兩相流傳熱及壓降分析,但對螺旋管內(nèi)沸騰傳熱機(jī)理及氣液兩相分布分析較少。因此,本文以繞管換熱器為研究對象,采用單管模型,對螺旋管內(nèi)沸騰換熱進(jìn)行理論和數(shù)值模擬研究,對沸騰狀況下汽泡特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)針對繞管換熱器螺旋管內(nèi)純液體沸騰換熱過程,基于分相流動(dòng)模型,特別考慮粘性力、重力及離心力對傳熱過程的影響,建立了螺旋管內(nèi)沸騰傳熱工況下氣液兩相二維流動(dòng)幾何模型和數(shù)學(xué)模型,對模型進(jìn)行了相關(guān)物理假設(shè),進(jìn)而對二維流動(dòng)控制方程進(jìn)行了簡化,求解了分相流模型下氣膜速度及換熱系數(shù)表達(dá)式,為繞管換熱器螺旋管內(nèi)沸騰換熱計(jì)算提供了理論支持。(2)采用Fluent軟件數(shù)值模擬方法,結(jié)合自定義函數(shù)(UDF)對螺旋管內(nèi)沸騰工況時(shí)氣液兩相流的流動(dòng)及傳熱狀況進(jìn)行了分析,主要研究了氣液相的分布規(guī)律。結(jié)果表明,氣相集中于螺旋管的內(nèi)側(cè)(靠近于中軸線的一側(cè))及上側(cè)壁面處,在螺旋管的最下端,液體與氣體分層存在;隨著管長的增加,氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大,且趨于均勻。此外,還分析了螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣相體積分?jǐn)?shù)、壓降及傳熱特性的影響,以及熱流密度對壁面溫度分布的影響。(3)在相同工況下,對比分析了螺旋管與水平管內(nèi)沸騰傳熱過程的特點(diǎn),即螺旋管內(nèi)沸騰傳熱過程中存在二次流,需要引入迪恩數(shù)De來表示傳熱效果,基于模擬結(jié)果并通過多元非線性回歸的方法,得出了螺旋管內(nèi)沸騰傳熱流動(dòng)過程的關(guān)聯(lián)式Nu_(tp)(28)0.35De_(Eq)~(0.7)Pr_l~(0.65)X_(tt)~(0.14)P_i~(-0.16)(Bo?10~4)~(0.23),與修正的chen關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對比分析,二者的平均絕對誤差?為4.5%。(4)用單管模型處理螺旋管換熱器,針對螺旋管內(nèi)沸騰相變工況,提出基于“換熱面積”的溫度分段傳熱計(jì)算方法,根據(jù)螺旋管內(nèi)工質(zhì)的相態(tài)變化,將螺旋管分成液相段、氣液兩相段和氣相段三部分,給出了每段管側(cè)、殼側(cè)端點(diǎn)溫度的求解公式。對氣液兩相段進(jìn)一步細(xì)分,分段求解對流傳熱過程,最終求出總換熱面積。(5)設(shè)計(jì)并搭建了螺旋管內(nèi)工質(zhì)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)臺,對內(nèi)徑為4mm、螺旋外徑為20mm、螺距7mm的石英螺旋管內(nèi)乙醇工質(zhì)(C_2H_6O)沸騰時(shí),汽泡運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了可視化研究,對傳熱流動(dòng)特性進(jìn)行分析,并與相同參數(shù)的螺旋管內(nèi)工質(zhì)沸騰模擬結(jié)果進(jìn)行了對比,結(jié)果顯示:傳熱系數(shù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的相對誤差為16~19%,進(jìn)出口壓力降模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間相差9%~15%。二者吻合較好,證明了模擬方法的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK172
【部分圖文】：

1 緒論題研究背景與意義器是一種常用的熱量轉(zhuǎn)換裝置，在制冷、化工、石油冶煉、醫(yī)藥用，在“節(jié)能環(huán)保”的大背景下，研究開發(fā)高效換熱器，對提高增加經(jīng)濟(jì)效益、改善環(huán)境具有重要意義。換熱器是一種緊湊型的高效換熱器，具有換熱效率高、補(bǔ)償性能高、污垢熱阻小等特性[1]，繞管換熱器的主要部件為：螺旋管束、筒，剖面結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示，換熱管按照某個(gè)螺旋角層層纏繞于芯管束的纏繞方向相反。根據(jù)換熱管束的數(shù)量，繞管換熱器可分為流兩種。

圖 1.2 工質(zhì)為 R134a 時(shí)螺旋管內(nèi)六種典型流型圖淑香等[9]采用直流電加熱的方式，進(jìn)口介質(zhì)為液相 CO2，對立式螺況下溫度分布、換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了研究，主要分析了加熱功率 q系統(tǒng)運(yùn)行壓力 Pin對管內(nèi)側(cè)壁面溫度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋O2時(shí)，核態(tài)沸騰占據(jù)主導(dǎo)地位，強(qiáng)制對流影響較弱，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)液兩相沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式。偉[10]采用交流電源分別對螺旋管上、下壁面局部加熱，以 R22 為螺旋管內(nèi)不均勻升溫狀況下氣液兩相沸騰換熱及壓降特性，基于了傳熱關(guān)聯(lián)式，實(shí)驗(yàn)中主要變量有螺旋管自身結(jié)構(gòu)參數(shù)（管徑 式（是否均勻）、系統(tǒng)參數(shù)（運(yùn)行壓力、流速 G 等），結(jié)果表明熱并不影響螺旋管內(nèi)的沸騰換熱特性，但在外側(cè)加熱、內(nèi)側(cè)絕熱內(nèi)沸騰換熱系數(shù)具有最大值。令健[11]采用直流穩(wěn)壓電源均勻加熱的方式，以 R134a 為介質(zhì)，分為過冷沸騰時(shí)，汽泡的產(chǎn)生起始點(diǎn)，拍攝了注入空氣氣泡時(shí)的運(yùn)

圖 1.3 注入空氣氣泡時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性圖文斌等[12]采用低電壓交流電加熱的方式，以純水為工質(zhì)，搭建了立式螺旋管內(nèi)沸騰狀況下傳熱惡化過程，主要研究參數(shù)有工質(zhì)流和臨界干度，結(jié)果表明，螺旋管外側(cè)壁面壁溫呈“M 型”、“A終繪制了在傳熱惡化臨界點(diǎn)下，螺旋管內(nèi)瞬時(shí)數(shù)據(jù)查詢表。OURI 等[13]采用實(shí)驗(yàn)的方法，研究了注入氣泡對螺旋管內(nèi)流體摩擦，結(jié)果表明，在較低雷諾數(shù)下，空隙率對流動(dòng)損失影響較大，當(dāng)Re為為 0.9%時(shí)，阻力值和沸騰換熱方式相比能夠減少 35%。wang 等[14]對空氣—水混合物流動(dòng)沸騰換熱特性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)為：管徑 d 12mm、螺旋外徑為 D=606~977mm，入口質(zhì)量8.4~530.5kg/(m2·s)），結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，與對流沸騰相占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)擬合出了螺旋管內(nèi)表面沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式hao L 等[15]在管內(nèi)徑為 9mm、螺旋管繞徑為 292mm、螺距 30mm 的，對蒸汽-水兩相流動(dòng)的壓降和沸騰傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分
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本文編號：2863927