竖直圆管管内R113降膜流动与蒸发换热特性数值模拟

发布时间：2017-08-11 14:38

  本文关键词：竖直圆管管内R113降膜流动与蒸发换热特性数值模拟

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【摘要】：工业余热量大、质低、分布广,特别是在钢铁、有色金属冶炼、水泥、轻工、煤炭等行业,而工业余热回收利用率低是我国能源利用率低的主要原因,所以研发高效余热利用技术是节能减排的重要途径。目前对于高品质余热(温度250℃)的利用技术已经逐步成熟,而对于温度为60℃~200℃的低品质余热的回收利用方面的研究较少。降膜蒸发技术以其小传热端差、高传热效率被广泛应用于化工、余热回收领域,本文针对低品质余热特性,采用CFD数值模拟的方法,研究低沸点有机工质R113在竖直圆管管内降膜流动和换热特性,为开发设计应用于低品质余热回收利用的有机工质降膜蒸发器提供指导。论文以采用环形插件式布膜器的竖直圆管作为研究对象,建立二维几何模型,利用FLUENT软件,对有机工质R113在管内降膜流动及蒸发换热的非稳态过程进行了数值模拟研究。其中,气-液两相流的相互作用采用VOF模型,同时选用几何重建(Geo-Reconstruction)技术捕捉两相交界面,压力-速度耦合采用PISO算法,并通过加入udf程序模拟R113表面蒸发传热传质过程。本文的主要研究内容分为R113的冷态成膜数值模拟和热态蒸发换热数值模拟两部分。冷态成膜数值模拟主要研究了R113稳定成膜时的液膜分布和速度分布特性,并模拟研究了喷淋密度、管长、管径和布膜环形间隙对管内液膜成形及膜厚分布的影响。研究结果表明:液膜流动沿管长方向由稳定发展为波动,膜厚由均匀变为厚薄交替,沿流动方向速度逐渐增大,且增加趋势逐步变缓。喷淋密度越大,膜厚越大,且喷淋密度大于1.062 kg/m·s时R113能够稳定成膜;在一定喷淋密度下,不同管长、管径和布膜环形间隙时液膜稳定段厚度相等;同时,管径越小,液膜流动越稳定,当小于某个值时,膜厚沿壁面均匀分布,存在最佳降膜管径;液膜波动随着管长增大而增强,管长大于1.2m后液膜下段出现飞溅而无法湿润壁面;环形间隙越小,液膜波动越强,减小到1.2 mm之后R113无法完整成膜。热态蒸发换热数值模拟主要在冷态成膜的基础上模拟研究了R113降膜蒸发换热特性,并分析了热流密度、R113入口温度以及喷淋密度对管内液膜的温度分布及换热系数的影响。研究结果表明:在加热壁面过程中,液膜温度逐渐上升,且上升速度逐步加快,液膜表面温度和壁面温度同步变化,均沿管长方向慢慢增大,而气相温度与之变化相反。低喷淋密度下容易出现干烧现象,导致壁面温度飞升,随着喷淋密度增大,壁温和液膜表面温度逐渐降低并趋于均匀,换热系数逐渐减小,但趋势变缓,综合考虑存在最佳降膜蒸发喷淋密度。热流密度q对R113的管内降膜蒸发换热影响显著,壁温和液膜表面温度随q增大而升高,同时换热系数逐渐增大。壁温和液膜表面温度随R113入口温度T_(in)的增大而升高,但换热系数呈现出逐渐减小的趋势,且在T_(in)高于313K之后,温升逐渐变缓,T_(in)对换热系数的影响减弱。该研究结果对有机工质降膜蒸发器的设计有重要参考价值。
【关键词】：竖直管内降膜蒸发 R113 数值模拟 液膜流动 换热特性
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK115
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 符号说明10-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 我国能源利用现状11-12
• 1.1.2 工业余热回收利用现状12-13
• 1.2 降膜蒸发技术的研究及应用13-19
• 1.2.1 降膜蒸发技术13-14
• 1.2.2 降膜蒸发的特点及应用14-15
• 1.2.3 降膜蒸发的研究现状15-19
• 1.3 本文主要研究内容19-21
• 2 竖直圆管管内降膜流动的数值模拟方法21-37
• 2.1 数值模拟在研究中的应用21-22
• 2.1.1 数值模拟的基本情况21
• 2.1.2 数值模拟的基本步骤21-22
• 2.2 多相流模拟基础22-25
• 2.2.1 多相流模型23
• 2.2.2 VOF界面重构技术23-25
• 2.3 基本控制方程25-28
• 2.3.1 质量守恒方程25
• 2.3.2 动量守恒方程25-26
• 2.3.3 能量守恒方程26
• 2.3.4 湍流控制方程26-27
• 2.3.5 附加源项方程27-28
• 2.4 求解计算方法的选择28-31
• 2.4.1 数值求解方法28
• 2.4.2 压力-速度耦合算法28-31
• 2.5 竖直圆管降膜模型建立31-35
• 2.5.1 几何模型31-32
• 2.5.2 网格处理和独立性验证32-34
• 2.5.3 边界条件和初始条件34-35
• 2.6 本章小结35-37
• 3 竖直圆管管内冷态降膜数值模拟结果及分析37-55
• 3.1 竖管管内R113冷态降膜流动数值模拟37-41
• 3.1.1 管内降膜流动的液膜分布37-39
• 3.1.2 管内降膜流动的速度分布39-41
• 3.2 喷淋密度对管内液膜分布及液膜厚度的影响41-46
• 3.3 管径对管内液膜分布及液膜厚度的影响46-48
• 3.4 管长对管内液膜分布及降膜厚度的影响48-52
• 3.5 布膜器环形间隙对管内液膜分布及降膜厚度的影响52-54
• 3.6 本章小结54-55
• 4 竖管管内R113降膜换热数值模拟结果及分析55-65
• 4.1 竖管管内R113液体降膜蒸发换热数值模拟55-58
• 4.2 喷淋密度对液膜换热的影响58-60
• 4.3 热流密度对液膜换热的影响60-62
• 4.4 R113入口温度对液膜换热的影响62-63
• 4.5 本章小结63-65
• 5 结论和展望65-67
• 5.1 主要结论65-66
• 5.2 展望66-67
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目67-69
• 致谢69-71
• 参考文献71-73

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本文编号：656679