热管式挤出机机筒沸腾换热及结构改进研究

发布时间：2021-07-28 15:36

　　双螺杆挤出机作为聚合物加工过程中的主要换热设备,要求具备较强的换热能力。经过课题组前期的研究,将热管技术应用于挤出机机筒的结构设计,研发出了热管式挤出机。虽然热管式挤出机换热能力较传统钻孔式挤出机的换热能力有了明显的增强,但随着加热功率的增大,热管式机筒的温度较高,仍然存在换热能力有限的问题。因此,研究热管式机筒腔内的具体沸腾过程,从微观角度探讨液体相变机理,并提出新的优化结构从而强化热管式机筒的换热能力十分必要。基于气泡动力学理论和相场理论建立了水平加热壁面上的单气泡和多气泡核沸腾模型,采用有限元数值计算软件COMSOL Multiphysics对气泡的生长过程进行了数值模拟,揭示了气泡生长过程中压力场、速度场、温度场和局部热通量的变化规律,研究了不同物性参数和参数对核沸腾过程的影响,如加热功率、表面张力、饱和温度、接触角。模拟结果表明,核沸腾过程中气泡的生长主要经历横向扩张的膨胀阶段和颈缩并脱离加热壁面的跃离阶段,脱离壁面上升过程中先后经历球形、半球形、帽形,相变主要发生在气泡的根部,汽液固三相接触线处的局部热通量最大;多个气泡同时生长时会相互影响气泡周围的流场流动,气泡脱离壁面后... 

【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：96 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 文献综述
    1.1 双螺杆挤出机及其换热的发展现状
        1.1.1 双螺杆挤出机的发展
        1.1.2 双螺杆挤出机机筒的换热现状
    1.2 强化传热技术研究现状
        1.2.1 主动强化传热法
        1.2.2 被动强化传热法
        1.2.3 重力式热管强化传热
    1.3 沸腾过程的研究现状
        1.3.1 核沸腾
        1.3.2 膜沸腾
        1.3.3 流动沸腾
        1.3.4 沸腾模拟研究的发展趋势
    1.4 相变传热数值模拟
        1.4.1 两相流计算方法
        1.4.2 相变传质模型
    1.5 本文的研究意义和研究内容
        1.5.1 本文的研究意义
        1.5.2 本文的研究内容
2 相变汽液两相流模型的理论基础
    2.1 相场理论
        2.1.1 CFD与Comsol Multiphysics简介
        2.1.2 气泡动力学理论
        2.1.3 控制方程
    2.2 核沸腾过程数值模型建立
        2.2.1 汽液两相流假设
        2.2.2 物理模型及网格划分
        2.2.3 初始条件与边界条件
        2.2.4 物理参数
        2.2.5 变量表达式及弱表达式
    2.3 数值模型验证
        2.3.1 二维与三维模型的对比性验证
        2.3.2 网格无关性验证
        2.3.3 模型正确性验证
    2.4 本章小结
3 微观核沸腾气泡动力学的数值分析
    3.1 单气泡沸腾过程气泡动力学特性
        3.1.1 汽液体积分布随时间变化的规律
        3.1.2 压力场随时间变化的规律
        3.1.3 速度场随时间的变化规律
        3.1.4 温度随时间的变化规律
        3.1.5 局部热通量随时间的变化规律
    3.2 不同参数对沸腾过程气泡生长的影响
        3.2.1 加热功率对气泡生长过程的影响
        3.2.2 表面张力对气泡生长过程的影响
        3.2.3 饱和温度对气泡生长过程的影响
        3.2.4 接触角对气泡生长过程的影响
        3.2.5 气穴形状对气泡生长过程的影响
    3.3 多汽化核心沸腾过程
        3.3.1 几何模型及网格划分
        3.3.2 气泡生长过程
        3.3.3 局部热通量
    3.4 本章小结
4 机筒内壁不同壁面处核沸腾过程的数值分析
    4.1 热管式机筒结构
    4.2 竖直壁面核沸腾过程
        4.2.1 几何模型与网格划分
        4.2.2 竖直壁面单气穴核沸腾过程
        4.2.3 竖直壁面双气穴核沸腾过程
    4.3 圆弧壁核沸腾过程
        4.3.1 几何模型
        4.3.2 气泡脱离规律
        4.3.3 流场分布
    4.4 内壁底部核沸腾过程
        4.4.1 几何模型
        4.4.2 汽液体积分数分布
        4.4.3 流场分布
        4.4.4 局部热通量
    4.5 本章小结
5 热管式挤出机蒸发段结构优化
    5.1 热管式机筒的数值模拟及实验验证
        5.1.1 热管式机筒的模型建立
        5.1.2 实验系统及实验步骤
        5.1.3 结果与分析
    5.2 结构优化及其数值模拟
        5.2.1 优化几何结构
        5.2.2 汽液体积分数分布
        5.2.3 温度场分布
        5.2.4 流场分布
        5.2.5 压力场分布
        5.2.6 局部热通量
    5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]两相闭式重力热管强化传热研究进展[J]. 战洪仁,李春晓,王立鹏,吴众,杨瑞.  热力发电. 2016(09)
[2]单汽泡沸腾过程数值模拟的研究[J]. 刘俊杰,王国清,张利军,姚诗训.  石油化工. 2015(11)
[3]柱状微结构表面强化沸腾换热研究综述[J]. 魏进家,张永海.  化工学报. 2016(01)
[4]双螺杆挤出机筒结构参数优化设计与分析[J]. 李锦伟,唐跃,孙召成.  塑料. 2015(03)
[5]同向双螺杆挤出机的核心技术与自主创新[J]. 刘发国,纪欣,陈磊,江洪,李建军.  塑料. 2015(02)
[6]交叉齿内螺纹重力热管强化传热特性[J]. 田富中,辛公明,亓海青,程林.  工程热物理学报. 2014(05)
[7]过冷池沸腾中气泡聚并对壁面换热影响的实验研究[J]. Abdoulaye Coulibaly,林曦鹏,毕景良,柯道友.  清华大学学报(自然科学版). 2014(02)
[8]新型异向平行双螺杆挤出机传动系统的设计[J]. 蒋新萍.  塑料科技. 2014(02)
[9]基于响应面法的注塑件残余应力优化[J]. 陈乐平,朱雷平.  塑料. 2013(04)
[10]双螺杆挤出机的最新发展动态[J]. 田沁元,程瑞林,刘晓锋,毕超.  橡塑技术与装备. 2012(08)

硕士论文
[1]热管技术在挤出机机筒传热中的应用与性能研究[D]. 陈紫薇.大连理工大学 2016
[2]螺旋槽纹管强化传热与压降性能及抗污垢性能数值模拟研究[D]. 高晓斐.浙江大学 2016
[3]基于混炼造粒机的重力热管型机筒性能研究[D]. 张中学.大连理工大学 2015
[4]分离式热管性能研究及在混炼造粒机上的应用[D]. 卢静文.大连理工大学 2014
[5]亲/疏水表面上液滴接触角滞后的研究[D]. 秦亮.大连理工大学 2012



本文编号：3308178