竖管外含不凝气体蒸汽凝结换热特性及强化换热实验研究

发布时间：2020-07-19 06:00

【摘要】：蒸汽凝结现象普遍存在于各种工程领域中,但是当蒸汽中含有不凝气体时,凝结传热系数急剧降低。由于含不凝气体蒸汽凝结涉及到复杂的相变传热过程、气相传质过程、凝结液的形态及其变化过程等方面,因此其机理研究未能得到通用的解释。探索含不凝气体蒸汽凝结传热机理和强化传热传质方向一直是学者们研究的热点。本文以含空气蒸气混合气体在竖直光管和强化管外凝结为研究对象,通过实验研究方法,深入研究含不凝气体蒸汽凝结传热传质过程及强化传热传质机理。主要的研究内容及取得的研究结论如下:(1)含不凝气体蒸气凝结换热过程的实质是由气相扩散传质控制的热量传递过程。蒸汽通过扩散由主体区经过凝结壁面附近不凝气体浓度高的扩散层到达凝结壁面,换热过程包括混合气体对流换热、蒸汽凝结换热和凝结液的导热。凝结液脱落冲刷对气相扩散层产生强制对流扰动,减薄气相传热传质扩散边界层,提高气相边界层内的温度梯度和浓度梯度,减小速度矢量与温度梯度矢量、浓度梯度矢量间的协同角,使速度场与温度梯度场、浓度梯度场协同,从而强化传热。(2)通过构建竖直换热管外含不凝气体蒸汽凝结可视化实验平台,进行自然对流条件下不同工况的凝结传热实验研究。通过高速摄像仪对竖直不锈钢光管外壁面上的凝结液形态及动态变化过程进行图像采集。可视化观察发现,竖直不锈钢光管外壁面上的凝结液形态有四种:珠流共存状、珠膜共存状、稳定膜状、混合状。凝结液的形态及动态变化过程对气相扩散层的传质传热产生不同的影响,凝结液脱落冲刷越频繁,传质传热效果越好。通过不同的不凝气体质量含量、过冷度、压力条件下的实验研究凝结传热特性,平均凝结表面传热系数随着不凝性气体含量的增高而逐渐降低;平均凝结表面传热系数整体趋势先随着壁面过冷度的增大而增大,达到最大值以后,再随着壁面过冷度的增大而减小基于凝结换热特性的影响因素,提出了新的竖管外含不凝气体蒸汽凝结实验关联式。(3)以不锈钢光管和黄铜光管的实验为基础,分别将不锈钢表面涂层强化管、黄铜表面涂层强化管在与光管相同的条件下进行含不凝气体蒸汽冷凝实验。表面涂层强化管外壁面上的凝结液形态有两种:珠膜共存状和珠状;与光管动态变化过程相比,涂层强化管凝结液脱落冲刷更频繁、范围更大、速度更快,凝结液量更大;表面涂层强化管表面上的凝结液形态种类和动态变化过程促进了气相扩散层的传质传热过程。在相同的蒸汽分压与不凝气体质量含量下,通过表面涂层强化管的实验数据与光管的进行对比,涂层强化管换热效果优于光管,其中不凝气体质量含量分别为30%时,不锈钢涂层强化管的换热系数是不锈钢光管的1.3～3.0倍,黄铜涂层强化管的换热系数是黄铜光管的1.1～1.9倍;涂层强化管的过冷度比光管的过冷度低,涂层强化管换热系数随过冷度的变化曲线斜率比光管的大。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124

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