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内插金属网管对竖直蒸发管内传热特性影响的实验研究

武超群  
【摘要】:在工业生产和可再生能源利用系统中存在大量的低品位能源,这些低品位能源的高效利用对于缓解能源短缺和发展可再生能源新技术具有重要的现实意义,低品位能源的高效热利用已成为国内外工程热物理领域的研究热点和前沿。低品位能源热利用的共性问题体现在传热温差小,换热设备体积较大,热经济性相对较差,因此发展小传热温差下的高效传热原理和技术,减小换热设备体积提高热经济性具有重要的科学意义,为高效换热器的设计、制造和运行提供科学依据和技术支持。与单相对流换热相比,沸腾传热具有传热温差小、传热效率高等优点,特别适用于低品位能源热利用中小温差传热。强化沸腾换热的主要目的是提高设备换热性能,减少能量传递中的不可逆损失,有效地利用能源,减小换热面积,降低金属消耗量,保证换热设备的安全运行等。沸腾传热中流型与传热密切相关,通过发展和调控有利于传热的流型,从而实现强化传热,为沸腾传热的强化提供了新的视角。本课题组前期进行空气/水冷态的试验研究,初步验证了采用内插金属网管实现竖直管及水平管中流型调控的可行性,并进一步在凝结换热中采用内插金属网管实现了冷凝传热的强化。在水平蒸发管中,内插金属网管对流动沸腾的传热影响本课题组也已进行了初步研究。本文针对竖直蒸发管中的垂直向上流动沸腾,开展了普通光管与内嵌金属网管的新型蒸发管的流型及传热特性的实验对比研究。本文设计并搭建了竖直管内流动沸腾传热可视化研究平台,实验使用高纯水作为实验工质,在质量流速为350.77kg/m2s,进口压力256.99kPa,热流密度27.69~85.47kW/m2范围内,采用内径为14.25mm的不锈钢管作为蒸发管,内插不锈钢金属网管的目数为200目、直径为10.5mm,采用高速摄影仪对比研究了不同热流密度下普通光管和具有内嵌金属网管的新型蒸发管的流型转化特性,通过热态数据分析,获取了泡状流、弹状流、混块状流及混块-环状流四个流型区域内的传热特性;在不同的进口干度下,研究了采用内嵌金属网管后,热流密度对流型和传热特性的影响规律,获得了强化传热系数比,分析了内嵌金属网管对竖直蒸发管内沸腾传热的作用机理。实验可视化研究表明,插入金属网管能够显著改变竖直管内流动沸腾的流型特性:(1)在较低的热流密度下,蒸发管内流型发展缓慢,气液界面的变化较为小,金属网管的存在使得气液两相工质分区流动,汽相被阻隔在金属网管与蒸发管之间的环形环隙内;(2)随着热流密度的增大,在金属网管入口附近区域蒸汽相仍被阻隔在环形环隙内,但由于较高的热流密度使得气液界面产生剧烈的蒸发,蒸汽相急剧膨胀使得金属网管产生的界面张力不足以阻隔汽相进入网管内部,从而使金属网管内外产生两相工质交换。热态数据分析表明,内嵌金属网管对竖直蒸发管传热的影响体现在:(1)在较大入口过冷度下,单相湍流对流传热为主要机理,金属网管的存在阻隔了网管内外冷热流体的湍动交混,在一定程度上恶化传热,其传热恶化比达0.5;(2)低干度过冷及饱和沸腾区,蒸汽含量较低并且均被网管阻隔在环形环隙内,由于环形环隙的挤压作用汽相进入环形环隙时气液接触界面增大,即增大了蒸汽与蒸发管内壁间的液膜蒸发传热区域,从而使传热得到强化,且沿程最大强化传热比达3.8,网管壁面过热度相比普通光管低2.5℃;(3)分析发现在进口干度较高时,调控管出口可视段出现了汽泡脉动现象,分析此现象,是由网管与加热管管壁环隙的压力变化及蒸汽体积变化引起的,这种脉动现象有效的说明了在调控管内存在液体对管壁的再润湿,而不会发生管壁持续蒸干现象。


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