天然气烟气间壁凝结对流换热特性研究

发布时间：2017-08-23 19:23

  本文关键词：天然气烟气间壁凝结对流换热特性研究

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【摘要】：目前,天然气占我国一次能源消费比重的5.7%,与国际平均水平(23.7%)差距较大。加快发展天然气应用,提高天然气在我国一次能源消费结构中的比重,既是我国实现优化调整能源结构的现实选择,也是强化节能减排的迫切需要。在以天然气为燃料的锅炉中,最具节能潜力的是冷凝式锅炉。由于冷凝式锅炉烟气中水蒸气在冷凝装置内发生冷凝,导致烟气量、排烟温度都无法准确测量,因此无法应用反平衡法进行热工测试;而用正平衡法测试时,受到天然气气质波动和准确流量计量等问题影响难以满足热平衡条件,造成锅炉热工测试的原理性偏差。因此,采用试验方法测试天然气锅炉的凝结换热量比较困难。Fluent新版本中集成蒸发冷凝模型,本文借助该计算平台,通过试验分析证明其模拟结果正确性,对天然气烟气间壁凝结换热现象展开试验与数值模拟研究。设计搭建30k W凝结换热热平衡试验台,运用红外热像仪在线拍摄天然气烟气动态凝结换热现象,同时借助竖直铜板背面布置的热电偶,对冷凝板表面温度进行测量,结合两者结果对天然气烟气竖直壁面凝结对流换热现象进行了研究分析。采用VOF模型和蒸发冷凝模型,以试验结果为依据,完善并确认了数值计算中的关键参数包括:非稳态计算时间步长、网格近壁面划分方法等。对天燃气烟气在竖直壁面凝结与对流换热过程进行了数值模拟研究。从理论上推导天然气烟气竖直壁面凝结对流换热特征数—Nu数与烟温、壁温的关系式通过数值模拟和试验相结合的方法,对天然气烟气竖直壁面凝结换热进行了观察、分析,并总结出凝结换热规律,即天然气烟气在竖直铜板上首先冷凝形成珠状液滴,而后液滴发生融合,融合到一定程度,液滴便在重力作用下向下滑落,形成多条冷凝液带,在此过程中不凝气体对局部换热造成影响。推导了水平圆管管外凝结对流换热系数关系式和凝结速率关系式。采用数值模拟的方法对天然气烟气在水平圆管外表面凝结换热进行模拟计算分析。对于天然气烟气在水平圆管外表面的凝结换热模拟结果表明,水蒸汽主要在管壁下侧中间区域凝结,增加流速会改变凝结换热量在总换热量中的占比。
【关键词】：天然气烟气 凝结换热 冷凝模型 努赛尔数 数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题来源9
• 1.2 研究背景及意义9-11
• 1.3 不凝气体对凝结换热影响理论实验研究11-14
• 1.4 含不凝气体蒸汽凝结数值模拟现状14-16
• 1.5 研究现状综述16-17
• 1.6 本文主要研究内容17-18
• 第2章 天然气烟气冷凝计算模型及其物性分析18-26
• 2.1 VOF模型理论18-20
• 2.2 冷凝模型20-22
• 2.3 烟气物性参数确定22-25
• 2.3.1 天然气烟气定压比热容22-23
• 2.3.2 天然气烟气动力粘度23-24
• 2.3.3 天然气烟气导热系数24-25
• 2.3.4 水蒸气及液态水物性25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 天然气烟气竖直壁面凝结换热研究26-51
• 3.1 竖直壁面凝结对流换热系数的推导26-32
• 3.2 凝结换热热平衡试验32-38
• 3.2.1 30k W凝结换热热平衡试验台32-35
• 3.2.2 热工测试装置选型与设计35-37
• 3.2.3 试验台校准测试37-38
• 3.3 竖直壁面凝结换热现象试验研究38-43
• 3.4 竖直壁面冷凝模拟43-50
• 3.4.1 数值模拟重要参数确定43
• 3.4.2 竖直壁面网格划分43-45
• 3.4.3 竖直壁面冷凝模拟45-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 天然气烟气水平管外换热分析51-65
• 4.1 水平圆管外凝结换热模拟51-53
• 4.2 数值模拟结果53-61
• 4.3 天然气烟气圆管外对流换热理论公式61-64
• 4.3.1 天然气烟气对流换热系数62
• 4.3.2 天然气烟气凝结速率62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-72
• 致谢72

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本文编号：726832