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《大连理工大学》 2012年
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微通道内蒸汽及混合蒸气冷凝流动与传热

范晓光  
【摘要】:微通道是现代微细化科技中的重要组成部分,其在传质及传热领域起着举足轻重的作用。以微通道为载体的冷凝流动及传热特性的研究也已成为当前重要的课题之一,但对于微通道内两相流动及相变传热机理的研究还有待于进一步的深入。本文建造了微通道蒸汽及混合蒸气冷凝实验系统平台,设计并制作了用于测试冷却器内温度场分布的实验核心元件,从而测定了微通道内蒸汽冷凝局部传热量及蒸汽干度。在此基础上,对微通道内纯蒸汽及含不凝气的混合蒸气冷凝两相流体流动形态及其转换机理,两相流压降特性,冷凝相变传热特性进行了系统地研究。这将为今后微米级微通道冷凝器在工程技术中的实际应用提供可靠的判据。 利用高速摄像系统对纯蒸汽冷凝两相流动形态进行了可视化研究,以蒸汽质量通量及蒸汽干度为坐标建立了蒸汽冷凝两相流型图,考查了蒸汽质量通量及微通道几何结构参数对两相流型及其转换特性的影响,同时对微通道内流型转换区域的流体作用力强度进行了无因次分析,通过建立两相流型转换临界干度预测关联式确定了两相流型转换准则。可视化研究结果表明微通道内纯蒸汽冷凝两相流型主要表现为环状流、滴状流、喷射流及间歇泡状流,其中喷射流以多气泡及单气泡的模式喷射气泡,喷射流尖端脉动幅度随着通道截面比率的减小而增大,喷射出的间歇气泡由于受到液相表面张力作用而发生瞬时形变。此外,微通道尺度越大,蒸汽质量通量越高,蒸汽干度越大,微通道内越容易出现环状及滴状流,而惯性力及表面张力对两相流体的作用效果较其它作用力更为明显。 对微通道内蒸汽冷凝两相流压降特性进行了研究。对实验测试系统的局部压降进行了分析计算,考查了蒸汽质量通量、蒸汽干度及冷却水体积流量对微通道内局部摩擦压降梯度的影响,将实验数据与已有压降模型的预测结果进行了对比,并建立了适合于微通道内蒸汽冷凝的两相流摩擦压降预测模型。计算及实验结果表明,减速压降及微通道入口分液槽至微通道入口的突缩压降对实验系统总压降的影响更为显著:两相流摩擦压降梯度随着蒸汽质量通量及蒸汽干度的增加而增大,冷却水流量的改变也会导致摩擦压降梯度的差异;而对于具有不同几何结构参数的微通道而言,水力学直径越小,截面比率越大,微通道内摩擦压降梯度越高。由于现有的两相流压降预测模型并不能准确预测本实验条件下的蒸汽冷凝两相流摩擦压降,所以针对微通道冷凝两相流体流动特点,通过引入流体物性,通道几何参数及代表流体作用力强度的无因次参数对两相流摩擦压降建立了预测模型,预测值与实验数据值吻合较好。 对微通道内蒸汽冷凝传热特性进行了实验研究。根据本文建立的两相流压降预测模型确定了微通道内局部蒸汽温度,通过测试铜冷却器内温度场分布确定了微通道内局部冷凝传热量,通过测试导热硅脂接触热阻并结合铜冷却器上壁面温度及硅片导热温差计算得到微通道内壁温度,进而确定了微通道局部冷凝传热系数。实验结果表明微通道内纯蒸汽冷凝传热系数随着蒸汽质量通量及蒸汽干度的增加而增大;对于不同尺度的微通道而言,微通道有效冷凝面积与微通道体积的比率越大,微通道内冷凝传热系数越高;在特定的蒸汽质量通量条件下,环状流区域内的平均冷凝传热系数较间歇流区域高1.2至2倍,这说明环状流的出现有利于冷凝传热效率的强化。此外,对Moser传热系数预测关联式进行了修正,较好地预测了微通道内蒸汽冷凝传热特性。 对微通道内含不凝气的混合蒸气冷凝进行了实验研究。分析了不凝气对微通道内蒸汽冷凝两相流体流动形态及其转换的影响,考查了混合蒸气冷凝传热及压降特性。可视化研究结果表明,微通道内冷凝两相流型在较高的不凝气摩尔分量而较低的蒸汽质量通量条件下表现为间歇环状流的特殊形态;而含有较低不凝气摩尔分量的混合蒸气与纯蒸汽冷凝相比,具有喷射流喷射尖端面积大,喷射细颈长度长等特点;同时不凝气的存在将导致微通道内流型转换位置对应的蒸汽干度及质量通量相应减小。实验结果表明在相同的入口蒸汽质量通量条件下,不凝气摩尔含量越高,两相流摩擦压降越大:与自然对流冷凝传热不同,在微通道内强制对流冷凝传热过程中,不凝气的摩尔分量对冷凝传热Nusselt数影响较小。基于实验数据,对混合蒸气冷凝传热Nusselt数建立了预测关联式,预测结果与实验数据结果吻合良好。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TK124

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