真空锅炉管束冷凝换热特性研究

发布时间：2017-08-22 17:17

  本文关键词：真空锅炉管束冷凝换热特性研究

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【摘要】：真空锅炉自从在日本首次推出以来,由于其运行安全可靠、无氧腐蚀寿命长、结构紧凑占地少、冷凝换热效率高、热媒温度灵活可变等优势受到国内外热能设备领域越来越多的关注与研究。真空锅炉的全称叫做真空相变锅炉,具有两个特征,一个是“真空”,一个是“相变”。本课题主要研究的是燃气真空锅炉内换热管束(换热器)的蒸汽-水换热过程的特性。真空锅炉换热管束的蒸汽-水换热过程相当复杂,影响因素众多,有真空度、管内冷却水流速、进出口温度、蒸汽流向、热通量、管排布置等,这些因素对管束冷凝换热效率的影响表现统称为“管束效应”。为得到这些因素对管束冷凝换热效率的影响机理,本文进行了实验研究和数值模拟,并根据课题研究结果提出了换热强化措施。在试验研究中,与宁波富尔顿热能设备有限公司合作搭建了真空锅炉实验台,锅炉的型号为：WNS0.47-1.0-60/50-YQ,额定热功率为0.47MW。在实验台上安装测点,研究了不同工况下的管束冷凝换热特性,得到管排位置、管内流速、热通量、真空度等对管束效应的影响情况。实验结果表明,在真空锅炉中由于管束效应的存在出现了冷凝换热不均匀的现象,热通量越大换热不均匀现象越明显。在此基础上,通过ANSYS软件对管束间含不凝性气体的蒸汽流场进行了数值模拟。模型选择了实验中的一个典型工况,模型包括凝结液体的质量、动量、能量守恒方程以及蒸汽-不凝性气体混合物的质量、动量、能量、组分守恒方程。模型结果很好地解释了实验中的管束冷凝换热不均匀现象。根据实验结论与数值模拟结果,对真空锅炉提出换热强化的措施,针对蒸发-冷凝共存问题提出了改变蒸汽流向的措施,如将蒸汽从锅炉上方引入的分体式锅炉、在换热管束间加装斜向折流板等措施；针对管束效应问题提出在管束下方加装导液器的措施等。本课题对于真空锅炉的研究具有一定的参考价值,对热能设备的研制开发提供了一个方向。
【关键词】：真空锅炉 管束效应 蒸汽冷凝 换热强化
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK221
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 1 绪论13-24
• 1.1 真空锅炉发展背景13-15
• 1.1.1 我国能源结构的调整13
• 1.1.2 我国锅炉行业的发展13-14
• 1.1.3 真空锅炉的发展14-15
• 1.2 真空锅炉工作原理与特性15-17
• 1.2.1 真空锅炉工作原理15-16
• 1.2.2 真空锅炉特性16-17
• 1.3 真空锅炉国内外发展现状17-20
• 1.3.1 对真空度的研究17-18
• 1.3.2 对管束效应的研究18-19
• 1.3.3 对冷凝液凝结形式的研究19-20
• 1.3.4 对蒸发-冷凝过程的研究20
• 1.4 真空锅炉的典型问题20-22
• 1.4.1 真空度不易维持20-21
• 1.4.2 冷凝换热管束效应21
• 1.4.3 蒸发-冷凝共存问题21-22
• 1.5 课题研究内容与创新点22-24
• 1.5.1 课题主要研究内容22-23
• 1.5.2 课题主要创新点23-24
• 2 真空锅炉相变换热理论分析24-35
• 2.1 管束冷凝换热机理24-25
• 2.2 管束冷凝换热影响因素25-26
• 2.2.1 不凝性气体的影响25
• 2.2.2 管束效应的影响25-26
• 2.2.3 蒸汽流速的影响26
• 2.3 管束冷凝换热计算26-31
• 2.3.1 管外冷凝换热计算26-30
• 2.3.1.1 单管管外冷凝换热计算26-28
• 2.3.1.2 管束管外冷凝换热计算28-30
• 2.3.2 管壁导热换热计算30
• 2.3.3 管内水对流换热计算30-31
• 2.4 管束冷凝换热数值模拟计算31-34
• 2.4.1 模型假设31-32
• 2.4.2 控制方程32-34
• 2.5 本章小结34-35
• 3 真空锅炉管束换热试验研究35-47
• 3.1 试验系统布置35-40
• 3.1.1 试验系统组成35-37
• 3.1.2 试验段设计37-39
• 3.1.3 试验工况39-40
• 3.2 实验结果与分析40-46
• 3.2.1 实验分析方法40-41
• 3.2.2 实验结果分析41-46
• 3.2.2.1 各管排传热系数41-44
• 3.2.2.2 流速与传热系数44-45
• 3.2.2.3 热通量与传热系数45-46
• 3.3 本章小结46-47
• 4 真空锅炉管束换热数值模拟47-61
• 4.1 模型建立48-53
• 4.1.1 问题描述48-50
• 4.1.2 模型简化50-51
• 4.1.3 模型假设51-52
• 4.1.4 网格划分52-53
• 4.2 模型计算53-58
• 4.2.1 模型选择53
• 4.2.2 控制方程53-56
• 4.2.3 边界条件与初始条件设定56-58
• 4.3 模型结果分析58-60
• 4.3.1 残差曲线58
• 4.3.2 速度流场分布58-59
• 4.3.3 温度流场分布59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 5 真空锅炉换热强化61-72
• 5.1 引言61
• 5.2 换热强化分析61-63
• 5.3 换热强化措施63-71
• 5.3.1 加装翅片63-65
• 5.3.2 加装导液槽65-67
• 5.3.3 改变蒸汽流向67-69
• 5.3.4 改变管壁表面特性69-71
• 5.4 本章小结71-72
• 6 结论与展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 参考文献74-78
• 作者简历78
• 攻读硕士期间的科研经历78
• 攻读硕士期间所取得的成果78

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