液氮温区肋表面强化冷凝传热特性的数值模拟与实验研究
发布时间：2021-10-01 22:04
大型煤化工、钢铁等行业对氧氮为代表的工业气体需求持续增长,促进低温空分装备向大型化、低能耗化和智能化方向发展。主冷凝蒸发器作为空分装置中的关键设备之一,提升其换热性能对于空分系统整体的节能具有重要意义。当前,主冷强化传热的研究主要集中在液氧蒸发侧,氮蒸汽冷凝侧的研究相对缺乏。低温下冷凝侧热阻与蒸发侧相当,因此采用有效的冷凝传热强化方法对于提高主冷换热器的性能具有同等重要的作用。强化冷凝传热主要是研制各种强化换热的表面,肋表面可有效提高冷凝换热效率,该方法已在多种常规流体冷凝中得到验证和应用。然而由于低温工质与常温工质物性的差异以及冷凝工况的差异,肋表面在低温冷凝强化中的适用性及传热效果需要进一步研究。受限于低温试验对绝热、密封要求较高,低温测量难度较大,数值模拟软件模拟低温相变收敛困难等难点,低温冷凝强化的实验数据仍然缺乏,仅有早期针对列管式冷凝蒸发器的纵槽管强化冷凝传热研究。如今列管式冷凝蒸发器已普遍被板翅式换热器所取代,因此,可以考虑通过在换热表面和扩展表面（板翅式换热器中翅片）都可加工的微小尺度肋片来实现冷凝性能的进一步提升。为揭示肋片强化低温冷凝微观的传热与流动机理,探索肋表面...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空分工艺流程图[7]
浙江大学硕士学位论文绪论4热表面被研发和制造，并取得可观的经济效益，但限于人工和时间成本，对新型表面换热机理的理解没有常规导热、对流、辐射那么深刻。低温流体沸点低极易发生相变，因此低温换热器大部分是两相流，换热情况比单相复杂得多。综上所述，探索、研究适用于低温冷凝传热强化的方法和技术对于提升换热设备性能是十分必要的。在此基础上，关注背后的微观流动与传热机理，而不是仅止于效果试验，以此来指导后期的优化设计。1.2纯质蒸汽冷凝传热强化研究进展根据液相工质壁面润湿性的差异，蒸汽在与低于饱和温度的壁面接触时会存在两种冷凝形式，膜状冷凝和滴状冷凝[1]。当产生的冷凝液在表面铺展成膜，液相可以很好地润湿壁面时，这种形式叫作膜状冷凝，蒸汽与壁面的换热需要通过这层冷凝液膜，液膜成为了传热过程中的主要热阻。相反，当壁面上只被观测到一颗一颗小液珠，不能形成完整液膜时，这种叫作滴状冷凝，形成的液珠会不断长大、合成直至脱落，此时壁面上存在裸露区域蒸汽可直接接触进行热量交换，传热效率大大提升。1.2.1滴状冷凝实现的方法滴状冷凝是冷凝传热强化的最有效方式。定义强化比，在一定蒸汽-壁面传热温差下，强化后表面热流密度或传热系数与对应光滑表面膜状冷凝的比值，可以反映冷凝强化效果[13]。如图1.2所示，滴状冷凝强化比最高可达到30，比其它三种方式高出1个数量级，滴状冷凝能够成为所有强化方式中佼佼者的根本原因是壁面没有完全被液膜覆盖，蒸汽可以与部分裸露壁面直接进行热交换。图1.2各强化方式的强化比[14]
浙江大学硕士学位论文绪论7液两相物理性质的差异，但强化效果并不明显[40]。图1.3加装排液板的沟槽管[1]图1.4液体的EHD抽吸现象[35]加速排液通常和扩展表面组合使用，可以解决纵槽底部液膜过厚的问题。外加电场强化主要针对制冷剂开发，制冷剂蒸汽介电常数约为1，而液相介电常数约为5[35]，电场力可以起到较强的作用。但对于低温流体来说，气液两相介电常数都约为1，差异非常小，基本可以判断低温冷凝中应用外加电场几乎不会有效果，并且目前通过外加场来主动强化冷凝换热的方式多限于理论研究，实际应用则很少。扩展表面主要是通过减薄液膜实现强化，已在常规换热器中得到广泛应用，常见的表面扩展方式包括在冷凝表面添加翅片结构或刻画各种沟槽等。综合比较，扩展表面这类通过改变表面物理结构的被动强化传热方式，在低温冷凝中使用会更加实际与可靠。1.2.3扩展表面强化膜状冷凝换热增加扩展表面已在常温流体冷凝中被证明是提高冷凝换热效率的有效方式，工程上多以翅片为主且类型多样，包括发展趋于成熟的二维连续翅片，以及近年来随着加工制造技术发展而出现的三维非连续翅片。1.2.3.1二维纵向翅片Gregorig[41]最早认识到表面张力对翅片表面冷凝的影响，但由于分析是在假设液膜厚度薄的前提条件下进行，因此结果只适用于翅片尖端附近，不适用于尖端与波谷之间的区域以及波谷区域。此后，在垂直沟槽表面上开展了许多实验研究[42-48]，以证实Gregorig的发现。Lustenader等[42]采用了带沟槽的垂直管，其传热系数约为垂直光滑管的4倍。Carnavos[43]进行了双槽垂直管的实验，发现冷凝传热系数约增加6倍。Thomas[44,45]测试了带孔矩形翅片的纵槽管，增强倍数约为8。Newson和Hodgson[46]研制了
【参考文献】：
期刊论文
[1]板翅式换热器在空分中的应用[J]. 运萌,张伟杰,赵雪莉,张惠媛. 低温与特气. 2019(02)
[2]滴状冷凝的实现方法研究进展[J]. 唐媛,宋佳,白杨,张小斌,邱利民. 浙江大学学报(工学版). 2018(02)
[3]大型及特大型空分设备节能减排技术和实践[J]. 韩一松,彭旭东. 深冷技术. 2017(01)
[4]液化天然气（LNG）接收站节能再冷凝器的研究与设计[J]. 严涛,刘玉丰,刘丰. 化工进展. 2015(S1)
[5]Visualization on Flow Patterns during Condensation of R410A in a Vertical Rectangular Channel[J]. XU Wenyun,JIA Li. Journal of Thermal Science. 2014(03)
[6]EHD强化垂直管内凝结换热的实验研究[J]. 万金庆,李瑞阳,郁鸿凌. 清华大学学报(自然科学版). 2009(11)
[7]蒸汽滴状冷凝传热机理和实现方法的研究进展[J]. 朱冬生,孙荷静. 流体机械. 2009(10)
[8]磁场对水蒸气冷凝传热系数的影响[J]. 吴松海,孙永利,贾绍义. 磁性材料及器件. 2005(06)
[9]滴状冷凝机理及冷凝表面改性的研究进展[J]. 郎需庆,马红钦,谭欣. 石油化工高等学校学报. 2004(02)
[10]超薄PTFE表面上滴状冷凝的传热研究[J]. 杜长海,马学虎,徐敦颀. 化学工业与工程. 2000(04)
博士论文
[1]波动层流区低温冷凝换热机理研究[D]. 唐媛.浙江大学 2018
[2]槽形竖壁冷凝强化规律研究与结构优化[D]. 朱登亮.华东理工大学 2011
硕士论文
[1]含不凝性气体氮蒸气冷凝传热数值模拟与可视化实验研究[D]. 白杨.浙江大学 2017
[2]低温冷凝可视化实验装置设计与竖壁冷凝过程模拟研究[D]. 张家源.浙江大学 2015
本文编号：3417416
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空分工艺流程图[7]
浙江大学硕士学位论文绪论4热表面被研发和制造，并取得可观的经济效益，但限于人工和时间成本，对新型表面换热机理的理解没有常规导热、对流、辐射那么深刻。低温流体沸点低极易发生相变，因此低温换热器大部分是两相流，换热情况比单相复杂得多。综上所述，探索、研究适用于低温冷凝传热强化的方法和技术对于提升换热设备性能是十分必要的。在此基础上，关注背后的微观流动与传热机理，而不是仅止于效果试验，以此来指导后期的优化设计。1.2纯质蒸汽冷凝传热强化研究进展根据液相工质壁面润湿性的差异，蒸汽在与低于饱和温度的壁面接触时会存在两种冷凝形式，膜状冷凝和滴状冷凝[1]。当产生的冷凝液在表面铺展成膜，液相可以很好地润湿壁面时，这种形式叫作膜状冷凝，蒸汽与壁面的换热需要通过这层冷凝液膜，液膜成为了传热过程中的主要热阻。相反，当壁面上只被观测到一颗一颗小液珠，不能形成完整液膜时，这种叫作滴状冷凝，形成的液珠会不断长大、合成直至脱落，此时壁面上存在裸露区域蒸汽可直接接触进行热量交换，传热效率大大提升。1.2.1滴状冷凝实现的方法滴状冷凝是冷凝传热强化的最有效方式。定义强化比，在一定蒸汽-壁面传热温差下，强化后表面热流密度或传热系数与对应光滑表面膜状冷凝的比值，可以反映冷凝强化效果[13]。如图1.2所示，滴状冷凝强化比最高可达到30，比其它三种方式高出1个数量级，滴状冷凝能够成为所有强化方式中佼佼者的根本原因是壁面没有完全被液膜覆盖，蒸汽可以与部分裸露壁面直接进行热交换。图1.2各强化方式的强化比[14]
浙江大学硕士学位论文绪论7液两相物理性质的差异，但强化效果并不明显[40]。图1.3加装排液板的沟槽管[1]图1.4液体的EHD抽吸现象[35]加速排液通常和扩展表面组合使用，可以解决纵槽底部液膜过厚的问题。外加电场强化主要针对制冷剂开发，制冷剂蒸汽介电常数约为1，而液相介电常数约为5[35]，电场力可以起到较强的作用。但对于低温流体来说，气液两相介电常数都约为1，差异非常小，基本可以判断低温冷凝中应用外加电场几乎不会有效果，并且目前通过外加场来主动强化冷凝换热的方式多限于理论研究，实际应用则很少。扩展表面主要是通过减薄液膜实现强化，已在常规换热器中得到广泛应用，常见的表面扩展方式包括在冷凝表面添加翅片结构或刻画各种沟槽等。综合比较，扩展表面这类通过改变表面物理结构的被动强化传热方式，在低温冷凝中使用会更加实际与可靠。1.2.3扩展表面强化膜状冷凝换热增加扩展表面已在常温流体冷凝中被证明是提高冷凝换热效率的有效方式，工程上多以翅片为主且类型多样，包括发展趋于成熟的二维连续翅片，以及近年来随着加工制造技术发展而出现的三维非连续翅片。1.2.3.1二维纵向翅片Gregorig[41]最早认识到表面张力对翅片表面冷凝的影响，但由于分析是在假设液膜厚度薄的前提条件下进行，因此结果只适用于翅片尖端附近，不适用于尖端与波谷之间的区域以及波谷区域。此后，在垂直沟槽表面上开展了许多实验研究[42-48]，以证实Gregorig的发现。Lustenader等[42]采用了带沟槽的垂直管，其传热系数约为垂直光滑管的4倍。Carnavos[43]进行了双槽垂直管的实验，发现冷凝传热系数约增加6倍。Thomas[44,45]测试了带孔矩形翅片的纵槽管，增强倍数约为8。Newson和Hodgson[46]研制了
【参考文献】：
期刊论文
[1]板翅式换热器在空分中的应用[J]. 运萌,张伟杰,赵雪莉,张惠媛. 低温与特气. 2019(02)
[2]滴状冷凝的实现方法研究进展[J]. 唐媛,宋佳,白杨,张小斌,邱利民. 浙江大学学报(工学版). 2018(02)
[3]大型及特大型空分设备节能减排技术和实践[J]. 韩一松,彭旭东. 深冷技术. 2017(01)
[4]液化天然气（LNG）接收站节能再冷凝器的研究与设计[J]. 严涛,刘玉丰,刘丰. 化工进展. 2015(S1)
[5]Visualization on Flow Patterns during Condensation of R410A in a Vertical Rectangular Channel[J]. XU Wenyun,JIA Li. Journal of Thermal Science. 2014(03)
[6]EHD强化垂直管内凝结换热的实验研究[J]. 万金庆,李瑞阳,郁鸿凌. 清华大学学报(自然科学版). 2009(11)
[7]蒸汽滴状冷凝传热机理和实现方法的研究进展[J]. 朱冬生,孙荷静. 流体机械. 2009(10)
[8]磁场对水蒸气冷凝传热系数的影响[J]. 吴松海,孙永利,贾绍义. 磁性材料及器件. 2005(06)
[9]滴状冷凝机理及冷凝表面改性的研究进展[J]. 郎需庆,马红钦,谭欣. 石油化工高等学校学报. 2004(02)
[10]超薄PTFE表面上滴状冷凝的传热研究[J]. 杜长海,马学虎,徐敦颀. 化学工业与工程. 2000(04)
博士论文
[1]波动层流区低温冷凝换热机理研究[D]. 唐媛.浙江大学 2018
[2]槽形竖壁冷凝强化规律研究与结构优化[D]. 朱登亮.华东理工大学 2011
硕士论文
[1]含不凝性气体氮蒸气冷凝传热数值模拟与可视化实验研究[D]. 白杨.浙江大学 2017
[2]低温冷凝可视化实验装置设计与竖壁冷凝过程模拟研究[D]. 张家源.浙江大学 2015
本文编号：3417416
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