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水平三维强化管管内流动沸腾换热特性实验研究

马祥  
【摘要】:针对目前以及未来的能源可持续发展和环境保护,强化传热技术已经成为提高能源利用效率的一种重要方法。随着工业的发展和工艺的提高,对于强化传热提出了更高的要求。而国、内外对于强化传热的研究也是层出不穷,目前,换热设备逐渐趋于微型化,减小了重量和体积,使其结构紧凑,极大地提高了换热系数。同时,在流动沸腾换热过程中,基于流体从液态转变为气态的过程中吸收了大量的汽化潜热,实现了高效的换热。本文研究了不同类型的强化管、不同制冷剂对流型、换热和阻力特性的影响。然后基于实验结果,提出在流动沸腾换热过程中所包含的主要的流型,适用于不同强化管的换热系数和压降的半经验预测模型。预计该模型不仅能够预测本实验数据和文献中的数据,还能较好地预测换热系数和压降随干度、质量流速、热流密度等参数的变化。本文的研究一方面可以为开发高效的强化换热管提供一种途径,并使其广泛应用到工业生产活动中;另一方面对于提高换热器的效率也有重要意义。采用实验的方法研究了新型三维强化管内的流动沸腾换热特性,结果表明:流动沸腾换热系数随质量流速、干度的增大和管径以及饱和温度的降低而增加;摩擦压降随质量流速、干度的增加而逐渐增加。三维强化管内流动沸腾换热的强化作用十分明显,流动沸腾换热系数大约是光滑管的1.2~2.2倍,而摩擦压降仅仅比光滑管大10~30%左右。这主要是由于强化表面产生大量的气化核心,界面湍流程度增加,破坏了流动边界层,流动分离以及由凹坑和花瓣阵列引起的二次流动产生。对三维强化管内流动沸腾过程中的流型进行分析,实验过程中通过高速摄像机对其内部的流动沸腾形态进行了可视化研究,实验中观察到了分层流、分层波状流、弹状流、间歇流、环形流、干涸流。另外,采用已有的经验关联式与流动沸腾实验结果进行对比,基于实验数据,提出适用于三维强化管的流动沸腾换热系数和摩擦压降半经验预测模型,修改后的新模型可以预测90%实验结果在±20%的误差范围内。


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