绕管换热器管程气液两相螺旋流沸腾传热模拟与实验研究

发布时间：2020-10-31 12:09

　　 绕管式换热器是一种紧凑型管壳式换热器,具有传热效率高、存在离心力场、产生二次流等特性,其传热基本单元为螺旋管。螺旋管在传热传质、气液分离等领域广泛使用。现阶段螺旋管内工质流动换热的研究重点在于二次流、气相或液相单相流动、空气—水气液两相流传热及压降分析,但对螺旋管内沸腾传热机理及气液两相分布分析较少。因此,本文以绕管换热器为研究对象,采用单管模型,对螺旋管内沸腾换热进行理论和数值模拟研究,对沸腾状况下汽泡特性进行实验研究,主要研究内容及结论如下:(1)针对绕管换热器螺旋管内纯液体沸腾换热过程,基于分相流动模型,特别考虑粘性力、重力及离心力对传热过程的影响,建立了螺旋管内沸腾传热工况下气液两相二维流动几何模型和数学模型,对模型进行了相关物理假设,进而对二维流动控制方程进行了简化,求解了分相流模型下气膜速度及换热系数表达式,为绕管换热器螺旋管内沸腾换热计算提供了理论支持。(2)采用Fluent软件数值模拟方法,结合自定义函数(UDF)对螺旋管内沸腾工况时气液两相流的流动及传热状况进行了分析,主要研究了气液相的分布规律。结果表明,气相集中于螺旋管的内侧(靠近于中轴线的一侧)及上侧壁面处,在螺旋管的最下端,液体与气体分层存在;随着管长的增加,气相体积分数逐渐增大,且趋于均匀。此外,还分析了螺旋管结构参数对气相体积分数、压降及传热特性的影响,以及热流密度对壁面温度分布的影响。(3)在相同工况下,对比分析了螺旋管与水平管内沸腾传热过程的特点,即螺旋管内沸腾传热过程中存在二次流,需要引入迪恩数De来表示传热效果,基于模拟结果并通过多元非线性回归的方法,得出了螺旋管内沸腾传热流动过程的关联式Nu_(tp)(28)0.35De_(Eq)~(0.7)Pr_l~(0.65)X_(tt)~(0.14)P_i~(-0.16)(Bo?10~4)~(0.23),与修正的chen关联式进行了对比分析,二者的平均绝对误差?为4.5%。(4)用单管模型处理螺旋管换热器,针对螺旋管内沸腾相变工况,提出基于“换热面积”的温度分段传热计算方法,根据螺旋管内工质的相态变化,将螺旋管分成液相段、气液两相段和气相段三部分,给出了每段管侧、壳侧端点温度的求解公式。对气液两相段进一步细分,分段求解对流传热过程,最终求出总换热面积。(5)设计并搭建了螺旋管内工质沸腾换热实验台,对内径为4mm、螺旋外径为20mm、螺距7mm的石英螺旋管内乙醇工质(C_2H_6O)沸腾时,汽泡运动特性进行了可视化研究,对传热流动特性进行分析,并与相同参数的螺旋管内工质沸腾模拟结果进行了对比,结果显示:传热系数的模拟值与实验值之间的相对误差为16~19%,进出口压力降模拟值与实验数据之间相差9%~15%。二者吻合较好,证明了模拟方法的准确性。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK172
【部分图文】：

1 绪论题研究背景与意义器是一种常用的热量转换装置，在制冷、化工、石油冶炼、医药用，在“节能环保”的大背景下，研究开发高效换热器，对提高增加经济效益、改善环境具有重要意义。换热器是一种紧凑型的高效换热器，具有换热效率高、补偿性能高、污垢热阻小等特性[1]，绕管换热器的主要部件为：螺旋管束、筒，剖面结构如图 1.1 所示，换热管按照某个螺旋角层层缠绕于芯管束的缠绕方向相反。根据换热管束的数量，绕管换热器可分为流两种。

图 1.2 工质为 R134a 时螺旋管内六种典型流型图淑香等[9]采用直流电加热的方式，进口介质为液相 CO2，对立式螺况下温度分布、换热关联式进行了研究，主要分析了加热功率 q系统运行压力 Pin对管内侧壁面温度的影响，实验结果表明，螺旋O2时，核态沸腾占据主导地位，强制对流影响较弱，根据实验数液两相沸腾传热关联式。伟[10]采用交流电源分别对螺旋管上、下壁面局部加热，以 R22 为螺旋管内不均匀升温状况下气液两相沸腾换热及压降特性，基于了传热关联式，实验中主要变量有螺旋管自身结构参数（管径 式（是否均匀）、系统参数（运行压力、流速 G 等），结果表明热并不影响螺旋管内的沸腾换热特性，但在外侧加热、内侧绝热内沸腾换热系数具有最大值。令健[11]采用直流稳压电源均匀加热的方式，以 R134a 为介质，分为过冷沸腾时，汽泡的产生起始点，拍摄了注入空气气泡时的运

图 1.3 注入空气气泡时的运动特性图文斌等[12]采用低电压交流电加热的方式，以纯水为工质，搭建了立式螺旋管内沸腾状况下传热恶化过程，主要研究参数有工质流和临界干度，结果表明，螺旋管外侧壁面壁温呈“M 型”、“A终绘制了在传热恶化临界点下，螺旋管内瞬时数据查询表。OURI 等[13]采用实验的方法，研究了注入气泡对螺旋管内流体摩擦，结果表明，在较低雷诺数下，空隙率对流动损失影响较大，当Re为为 0.9%时，阻力值和沸腾换热方式相比能够减少 35%。wang 等[14]对空气—水混合物流动沸腾换热特性进行了研究，实验为：管径 d 12mm、螺旋外径为 D=606~977mm，入口质量8.4~530.5kg/(m2·s)），结果表明，在实验范围内，与对流沸腾相占据主导地位，同时拟合出了螺旋管内表面沸腾传热系数关联式hao L 等[15]在管内径为 9mm、螺旋管绕径为 292mm、螺距 30mm 的，对蒸汽-水两相流动的压降和沸腾传热特性进行了实验研究，分
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本文编号：2863927