分液冷凝器的优化设计方法及应用研究
发布时间：2020-10-01 18:21
如何缓解经济发展与能源及环境之间的矛盾,高效的利用能源是必然之路。空冷式冷凝器广泛应用于空调制冷、冶金电力和石油化工等各个领域,其合理设计和高效运行具有非常重要的意义,发展新的强化传热手段及技术的研究十分重要和迫切。分液冷凝技术是强化凝结传热的原理性创新方法,从冷凝两相流传热机制考虑实施分段冷凝中间分液等新思路,辅以排液阻汽装置的联箱结构,实现冷凝器传热能力提高3～4倍以上,因此开展分液冷凝技术在空冷式冷凝器中的研究具有一定的学术意义和工程指导应用价值。根据分液冷凝器的结构特性——“分段冷凝-管程间气液分离-全程质量流率相当”提出了分液冷凝器的设计原理:采用多管程设计,管程间设置气液分离提高工质干度,在冷凝过程中获得高换热效果,平行流结构减小管内质量流速降低冷凝压降,最后通过优化各管程内换热管管数达到全程等速。本论文综合运用理论分析和实验研究的方法,对分液冷凝器的优化设计方法和热力性能进行了深入的研究。开发了适用于管程结构优化和热力性能预测的分液冷凝器设计模型,并对模型预测结果进行了实验验证。探讨了不同传热计算方法对模型预测结果和计算成本的影响,提出了在基本计算单元内确定相变界面的方法和基于遗传算法的制冷剂流量分配计算方法。最后,实验研究了不同分液芯结构和不同制冷剂对分液冷凝器热力性能的影响。首先针对分液冷凝器冷凝换热过程中流量和干度不连续的特点,基于分段计算思想,以管程为计算域,开发了基于分液冷凝器管内冷凝传热的集中参数模型,可对具体管程进行热力计算,辅以管内冷凝流动传热的评价准则PF因子,可对管程方案进行比对与优选。通过模型实验验证,算例的传热精度为8.8%,压降精度为26.1%。然后以传热单元为计算域,开发了基于ε-NTU算法的分液冷凝器分布参数模型,同步考虑了同管程间不同换热管因压降、进口流量和干度不同导致的流量分配不均的计算方法、且充分考虑到分液冷凝器平行流结构可能出现的流速范围分布更宽,提出了基于甄别两相流型的传热和压降关联式选用方法,并且协同了管外侧空气换热性能。算例结果表明,与实验数据相比,该模型评价冷凝换热的精度达到7.5%,压降达到20.6%,同分液冷凝器集中参数模型的预测精度相比较,传热和压降预测分别提高了 1.3%和5.5%。随后采用分布参数模型计算比对了有无分液的冷凝器热力性能,在相同计算工况和结构尺寸条件下,的分液冷凝器总平均换热系数提高了 34.6%,总压降降低了74.4%。论文还基于AMTD算法和LMTD算法,提出了改进型分布器参数模型。算例分析结果表明:AMTD算法换热量计算值偏大,ε-NTU算法居中,LMTD算法最小,AMTD算法和ε-NTU算法计算成本相近,且远小于LMTD算法。还提出了能够解决由于基本计算单元内存在相变界面而引起的关联式误用所导致的计算精度下降问题的“计算单元内的自适应分裂相变界面确定法”。对比了确定管间流量分配不均匀性的常规制冷剂流量分配迭代计算法和基于遗传算法的制冷剂流量分配计算法两种方法,发现遗传算法通用性更强,计算过程更简易。由于前述模型均需输入每管程进口干度,而进口干度与气液分离联箱的结构和冷凝器的工况有关,因此,本论文还实验探索了分液芯结构对分液冷凝器热力性能影响的规律,发现漏液率和分液小孔的孔径与数量对分液冷凝器热力性能影响较大,结果显示:第二芯漏液面积最小的分液冷凝器平均换热系数比漏液面积最大的大7.7%～12.7%;第二芯漏液面积居中的分液冷凝器压降最小和且综合性能最好,其PF值比综合性能最差的漏液面积最大的分液冷凝器小6.9%～24.0%。本文实验考察了不同制冷剂下分液冷凝器的热力性能,工质由R410A替换R22后,由于分液效果的恶化或失效导致了冷凝器压降增大了32%～47%,平均换热系数降低了 11%～17%,说明分液冷凝器必须根据制冷剂的热力特性重新设计其气液分离结构和管程优化方案。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.61
【文章目录】：
摘要
Abstract
物理量名称及符号表
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 冷凝器管内强化传热技术
1.3 分液冷凝机理及研究概况
1.3.1 分液冷凝强化换热技术
1.3.2 分液冷凝器结构
1.3.3 分液冷凝机理的研究现状
1.3.4 分液冷凝器热力性能的研究现状
1.3.5 分液冷凝制冷系统的研究现状
1.4 空冷式冷凝器热力性能预测模型
1.4.1 基本计算单元划分方法
1.4.2 传热计算方法
1.4.3 传热计算中关联式的使用
1.4.4 相变传热界面的确定
1.4.5 管流程表示和设计方法
1.4.6 制冷剂侧流量的不均匀分布
1.4.7 空气侧流量的不均匀分布
1.4.8 翅片的热传导
1.4.9 变冷凝器几何结构模型
1.5 课题来源与主要研究内容
1.5.1 课题来源
1.5.2 主要研究内容
第二章 分液冷凝器集中参数模型
2.1 引言
2.2 模型介绍及计算流程
2.2.1 模型假设条件
2.2.2 计算步骤及流程框图
2.3 传热和压降计算关联式
2.4 程序界面及操作事项
2.5 管程优化算例分析
2.5.1 确定待评估管程分配方案集
2.5.2 分液冷凝器管程优化结果讨论与分析
2.6 几何结构变化对分液冷凝器热力性能的影响
2.6.1 分液冷凝器热力性能随管程数变化的讨论与分析
2.6.2 分液冷凝器热力性能随第一管程管数变化的讨论与分析
2.6.3 变管径对分液冷凝器热力性能影响的讨论与分析
2.7 本章小结
第三章 分液冷凝器分布参数模型
3.1 引言
3.2 模型介绍
3.2.1 建模离散方法
3.2.2 模型假设
3.3 基本计算元的传热计算
3.4 基于甄别流型的传热和压降关联式选取
3.4.1 制冷剂侧冷凝换热的关联式
3.4.2 制冷剂侧单相换热的关联式
3.4.3 百叶窗开缝翅片空气侧换热的关联式
3.4.5 △T-相关和非△T-相关区域计算元计算步骤和流程框图
3.5 基于压力平衡的制冷剂流量分配迭代计算
3.5.1 管程内制冷剂流量和压降的分配规律
3.5.2 压降关联式的选取
3.5.3 制冷剂流量迭代计算步骤和流程框图
3.6 分液冷凝器分布参数模型计算流程框图
3.7 本章小结
第四章 分液冷凝器分布参数模型的应用
4.1 引言
4.2 进口管位置、制冷剂流量和干度对第一管程热力性能的影响
4.3 有、无分液结构的冷凝器热力性能的比较研究
4.4 基于管内外综合性能的分液冷凝器管程优化
4.4.1 传统“L”型冷凝器的改造
4.4.2 改造后的分液冷凝器管程优化计算
4.5 本章小结
第五章 分液冷凝器分布参数模型的算法改进
5.1 引言
5.2 分液冷凝器传热算法分析
5.2.1 LMTD和AMTD传热算法介绍
5.2.2 LMTD和AMTD和ε-NTU算法热力计算结果分析
5.2.3 LMTD和AMTD和ε-NTU算法计算成本分析
5.3 相变界面追踪方法
5.3.1 存在相变界面的计算元对整个计算域热力性能影响的研究
5.3.2 计算元自适应分裂相变界面追踪法计算步骤和流程框图
5.4 遗传算法在制冷剂流量分配计算中的应用
5.4.1 基于遗传算法的制冷剂流量分配方法描述和模型建立
5.4.2 算法步骤和流程框图
5.4.3 算法的稳定性和收敛性评估
5.5 本章小结
第六章 分液冷凝器热力性能预测模型实验验证
6.1 引言
6.2 风冷式换热器测试平台
6.2.1 实验装置及测量仪器
6.2.2 数据处理
6.2.3 测量结果的不确定度分析
6.3 集中参数模型实验验证
6.3.1 分液冷凝器试制件、实验条件及数据处理
6.3.2 分液冷凝器沿程管壁温波动实验验证
6.3.3 平均换热系数和压降预测值的实验验证
6.4 分布参数模型实验验证
6.4.1 冷凝器测试样件、实验条件及数据处理
6.4.2 换热管计算元密度无关性验证
6.4.3 模型换热量和压降预测值的实验验证
6.5 本章小节
第七章 分液冷凝器的实验研究
7.1 引言
7.2 变第一分液芯结构对分液冷凝器性能的影响实验
7.2.1 实验件及分液芯结构介绍
7.2.2 温度测点布置及测试工况
7.2.3 数据处理
7.2.4 分液冷凝器热力性能分析
7.2.5 分液冷凝器第二管程换热管入口分度均匀性分析
7.3 不同制冷剂对分液冷凝器性能的影响实验
7.3.1 实验件介绍
7.3.2 制冷剂热物性比较及实验条件
7.3.3 结果讨论与分析
7.4 本章小结
结论和展望
参考文献
攻读学位期间发表的文章
致谢
本文编号：2831832
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.61
【文章目录】：
摘要
Abstract
物理量名称及符号表
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 冷凝器管内强化传热技术
1.3 分液冷凝机理及研究概况
1.3.1 分液冷凝强化换热技术
1.3.2 分液冷凝器结构
1.3.3 分液冷凝机理的研究现状
1.3.4 分液冷凝器热力性能的研究现状
1.3.5 分液冷凝制冷系统的研究现状
1.4 空冷式冷凝器热力性能预测模型
1.4.1 基本计算单元划分方法
1.4.2 传热计算方法
1.4.3 传热计算中关联式的使用
1.4.4 相变传热界面的确定
1.4.5 管流程表示和设计方法
1.4.6 制冷剂侧流量的不均匀分布
1.4.7 空气侧流量的不均匀分布
1.4.8 翅片的热传导
1.4.9 变冷凝器几何结构模型
1.5 课题来源与主要研究内容
1.5.1 课题来源
1.5.2 主要研究内容
第二章 分液冷凝器集中参数模型
2.1 引言
2.2 模型介绍及计算流程
2.2.1 模型假设条件
2.2.2 计算步骤及流程框图
2.3 传热和压降计算关联式
2.4 程序界面及操作事项
2.5 管程优化算例分析
2.5.1 确定待评估管程分配方案集
2.5.2 分液冷凝器管程优化结果讨论与分析
2.6 几何结构变化对分液冷凝器热力性能的影响
2.6.1 分液冷凝器热力性能随管程数变化的讨论与分析
2.6.2 分液冷凝器热力性能随第一管程管数变化的讨论与分析
2.6.3 变管径对分液冷凝器热力性能影响的讨论与分析
2.7 本章小结
第三章 分液冷凝器分布参数模型
3.1 引言
3.2 模型介绍
3.2.1 建模离散方法
3.2.2 模型假设
3.3 基本计算元的传热计算
3.4 基于甄别流型的传热和压降关联式选取
3.4.1 制冷剂侧冷凝换热的关联式
3.4.2 制冷剂侧单相换热的关联式
3.4.3 百叶窗开缝翅片空气侧换热的关联式
3.4.5 △T-相关和非△T-相关区域计算元计算步骤和流程框图
3.5 基于压力平衡的制冷剂流量分配迭代计算
3.5.1 管程内制冷剂流量和压降的分配规律
3.5.2 压降关联式的选取
3.5.3 制冷剂流量迭代计算步骤和流程框图
3.6 分液冷凝器分布参数模型计算流程框图
3.7 本章小结
第四章 分液冷凝器分布参数模型的应用
4.1 引言
4.2 进口管位置、制冷剂流量和干度对第一管程热力性能的影响
4.3 有、无分液结构的冷凝器热力性能的比较研究
4.4 基于管内外综合性能的分液冷凝器管程优化
4.4.1 传统“L”型冷凝器的改造
4.4.2 改造后的分液冷凝器管程优化计算
4.5 本章小结
第五章 分液冷凝器分布参数模型的算法改进
5.1 引言
5.2 分液冷凝器传热算法分析
5.2.1 LMTD和AMTD传热算法介绍
5.2.2 LMTD和AMTD和ε-NTU算法热力计算结果分析
5.2.3 LMTD和AMTD和ε-NTU算法计算成本分析
5.3 相变界面追踪方法
5.3.1 存在相变界面的计算元对整个计算域热力性能影响的研究
5.3.2 计算元自适应分裂相变界面追踪法计算步骤和流程框图
5.4 遗传算法在制冷剂流量分配计算中的应用
5.4.1 基于遗传算法的制冷剂流量分配方法描述和模型建立
5.4.2 算法步骤和流程框图
5.4.3 算法的稳定性和收敛性评估
5.5 本章小结
第六章 分液冷凝器热力性能预测模型实验验证
6.1 引言
6.2 风冷式换热器测试平台
6.2.1 实验装置及测量仪器
6.2.2 数据处理
6.2.3 测量结果的不确定度分析
6.3 集中参数模型实验验证
6.3.1 分液冷凝器试制件、实验条件及数据处理
6.3.2 分液冷凝器沿程管壁温波动实验验证
6.3.3 平均换热系数和压降预测值的实验验证
6.4 分布参数模型实验验证
6.4.1 冷凝器测试样件、实验条件及数据处理
6.4.2 换热管计算元密度无关性验证
6.4.3 模型换热量和压降预测值的实验验证
6.5 本章小节
第七章 分液冷凝器的实验研究
7.1 引言
7.2 变第一分液芯结构对分液冷凝器性能的影响实验
7.2.1 实验件及分液芯结构介绍
7.2.2 温度测点布置及测试工况
7.2.3 数据处理
7.2.4 分液冷凝器热力性能分析
7.2.5 分液冷凝器第二管程换热管入口分度均匀性分析
7.3 不同制冷剂对分液冷凝器性能的影响实验
7.3.1 实验件介绍
7.3.2 制冷剂热物性比较及实验条件
7.3.3 结果讨论与分析
7.4 本章小结
结论和展望
参考文献
攻读学位期间发表的文章
致谢
本文编号：2831832
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