冰浆在管道中流动换热特性的研究

发布时间：2017-10-14 01:23

  本文关键词：冰浆在管道中流动换热特性的研究

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【摘要】：冰浆是一种冰粒直径不大于1×10-3 m的冰水混合物,具有可流动、可泵送的特点,因此,可在集中供冷领域作为新型载冷剂使用;冰浆在换热过程中伴随相变,潜热高达3.35×105 J/kg,能量密度较高,因此在动态冰蓄冷领域内具有较好的应用前景。然而,由于冰浆存在流动换热规律不确定等难点问题,其应用程度受到很大限制。研究流动、换热特性的目的在于减小流动中能量损失、提高换热系数。本文立足加快冰浆的实际应用,针对冰浆在管道中的流动、换热问题,从数值模拟和实验分析两方面展开研究。论文主要内容如下:(1)数值模拟:包括网格划分和流体计算两部分。首先,对管道进行六面体结构网格划分,网格质量在0.7以上。其次,采用Fluent软件进行流体计算,两相选用Euler-Euler双流体模型,将冰粒作为颗粒相处理,颗粒直径设定为1×10-4m。换热模拟考虑冰粒的相变特点,编写UDF程序,导入求解器。以含冰率、流速和管径为变量,模拟冰浆在直管、90°弯管和三叉管中的流动情况,得到压降曲线、温度分布云图,并进行比较分析。流动模拟结果表明,压降随着含冰率与流速的增大而增大,随着管径增大而减小。与实验数据的误差不超过20%;阻力部件处出现压力最低区,表明压降损失剧烈。换热模拟结果表明,在阻力部件处冰浆温度最高,或焓值最大,则能量损失严重。(2)为预测和防止冰堵风险,对直管内冰粒浓度分布进行数值模拟,弥补了实验手段在该方面研究的不足。模拟得到管道内冰粒、水的分布云图受流速、含冰率的影响规律。绘制最值浓度-速度曲线,由此提出第一临界速度(约为1~2m/s)和第二临界速度(约为10m/s)的概念,介于两临界速度之间即为不发生冰堵的安全速度。为冰堵风险分析提供了一定的参考和依据。(3)搭建冰浆流动换热实验装置,包括三部分:冰浆制取装置、流动换热实验段、数据采集系统。流动实验:以管道形状、流速和含冰率为变量,分析压降的变化规律。结果表明,随着管道形状的阻力程度的增大,流动压降呈非线性增加,其中三叉管压降最大,弯管次之,直管最小。而在同一形状的管道内,流动压降随着流速和含冰率的增大而增大。以上结果与模拟结果较一致。换热实验:研究直管在定热流边界条件下,换热温差、表面换热系数随热流密度、流速变化的规律。结果表明,换热温差随着流速增大而减小,随着热流密度的增大,先升高后降低;表面换热系数随着流速和热流密度的增加而增加,且随着热流密度增大,换热系数的增长率变大。
【关键词】：冰浆 流动换热 冰堵风险 数值模拟 实验研究
【学位授予单位】：天津商业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 符号说明表9-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 冰浆在各领域内的广泛应用13-16
• 1.3 冰浆传统制取方式及装置16-21
• 1.3.1 传统方式16-19
• 1.3.2 近年新型制冰方式19-21
• 1.4 国内外研究现状21-26
• 1.4.1 冰浆在直管中的流动换热特性分析21-24
• 1.4.2 冰浆在复杂管道中的流动换热特性研究24-26
• 1.5 课题主要展开工作26-27
• 1.6 本章小结27-29
• 第二章 流动换热理论及经验公式29-37
• 2.1 冰浆物性参数分析29-32
• 2.1.1 密度和粘度29-31
• 2.1.2 含冰率的计算31
• 2.1.3 导热系数31
• 2.1.4 表面传热系数和Nu数31-32
• 2.2 固液两相流及颗粒动力学理论32-35
• 2.2.1 质量守恒33
• 2.2.2 动量守恒33-35
• 2.3 本章小结35-37
• 第三章 冰浆在直管中流动换热特性模拟37-45
• 3.1 误差分析37-38
• 3.2 压降受流动参数的独立影响38-42
• 3.2.1 流速对压降的影响39-40
• 3.2.2 管长对压降的影响40-41
• 3.2.3 管径对压降的影响41
• 3.2.4 含冰率对压降的影响41-42
• 3.3 管内冰粒分布情况42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 复杂管道流动换热特性模拟及冰堵分析45-61
• 4.1 弯管的流动换热特性45-49
• 4.1.1 流动参数分析45-47
• 4.1.2 换热分析47-49
• 4.2 三叉管流动换热特性数值模拟49-51
• 4.3 冰堵风险预测51-59
• 4.3.1 固体冰粒分布51-55
• 4.3.2 最大冰粒浓度和最小冰粒浓度确定55-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第五章 冰浆流动换热实验台搭建61-69
• 5.1 实验原理和目的61
• 5.2 实验台搭建61-66
• 5.2.1 冰浆制取实验台61-62
• 5.2.2 流动换热实验测试段62-66
• 5.3 实验设计66
• 5.4 实验方法及步骤66-67
• 5.5 实验数据处理67-68
• 5.6 本章小结68-69
• 第六章 实验结果及分析69-79
• 6.1 流变特性测量69-74
• 6.1.1 冰堵现象观察69
• 6.1.2 管道形状的影响69-71
• 6.1.3 流速和含冰率的影响71-72
• 6.1.4 与模拟结果的比较72-74
• 6.2 换热实验74-78
• 6.2.1 流速的影响75-76
• 6.2.2 热流密度的影响76-78
• 6.3 小结78-79
• 第七章 结论与展望79-81
• 7.1 结论79-80
• 7.2 本文创新点80
• 7.3 展望80-81
• 参考文献81-87
• 发明论文及参加科研情况说明87-89
• 致谢89-90

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