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《华东理工大学》 2011年
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槽形竖壁冷凝强化规律研究与结构优化

朱登亮  
【摘要】:换热器是热力过程中的重要设备,也是实现节能降耗的关键设备。随着我国节能减排工作的逐步深入,进一步开发效率更高的换热器势在必行。应用于竖直管外表面冷凝强化的纵槽管,因具有结构简单‘、传热效率高等优点,成为最有发展前途的高效换热管之一。 本文运用理论分析、数值计算和实验方法对槽形竖壁表面冷凝规律进行了系统研究,优选出了综合性能较好的槽形,并将其应用于纵槽管,主要研究内容及结论如下: (1)建立了槽形竖壁表面膜状冷凝理论模型,考虑了重力和表面张力的影响并根据流体力学边界层理论推导出了正交曲线坐标下的液膜厚度方程以及s向和z向速度的表达式,基于槽表面温度分布的不均匀性利用传热学基本原理建立了涵盖竖壁和液膜的二维导热方程,分别采用有限差分法、有限元法对液膜厚度方程和二维导热方程进行耦合求解,获得了液膜厚度、液膜内速度场和温度场。结果表明,槽形竖壁表面膜状冷凝理论模型是可靠的,槽峰区和槽谷区冷凝液分别以横向流动和纵向流动为主,液膜较薄的槽峰区是传热的主要区域,液膜较厚的槽谷区是排走冷凝液的主要区域。 (2)进行了槽表面冷凝液流动可视化及冷凝传热实验,分别以0.0025s和0.0125s的时间间隔用高速摄像记录了示踪物流动的时间-空间信息,得到了槽谷冷凝液流速与z的关联式,测量了传热系数。结果表明,冷凝液流动方向、槽谷冷凝液流速以及传热系数与理论分析吻合,实验证明槽形竖壁表面膜状冷凝理论模型是可靠的。 (3)根据液膜内速度场分布规律进行合理的简化,建立了槽形竖壁表面膜状冷凝分区模型,提出了基于Runge-Kutta法、迭代法和类比法等算法的冷凝传热计算方法。通过编程对余弦形槽表面的冷凝进行了计算,得到了传热量与槽长度的关系式。结果表明,分区模型及传热计算方法是可靠的,槽的平均热流密度随槽长度的增大而减小,在纵槽管外表面设置除液盘后其传热量是未设置除液盘时的(m+1)1-b倍。 (4)在分区模型理论的基础上发展了适用于U形槽的四区模型及传热计算方法,确立了槽形的选择原则,提出以排液能力、冷凝传热性能和最大有效长度为目标,优选出了综合性能较好的U形槽,与V形槽相比优选的U形槽具有更好的综合性能,计算证明了槽表面温度分布的不均匀性。 (5)进行了U形槽表面冷凝液流动可视化实验,证明了四区模型关于冷凝液流场分布假设的正确性。进行了优化纵槽管、UOP纵槽管和光管的冷凝传热实验,实验表明,四区模型及传热计算方法是可靠的;温差ΔTfw相同时,优化纵槽管热流密度是光管的1.8倍以上,达到相同热流密度优化纵槽管所需温差ΔTfw最大仅为光管的43%;与UOP纵槽管相比,优化纵槽管在温差ΔTfw相同时热流密度提高9.5%,热流密度q相同时传热系数hvw提高12%;优化纵槽管具有更好的冷凝强化性能。
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