废弃井巷喷淋降膜流动换热特性研究

发布时间：2018-04-18 12:05

本文选题：废弃井巷 + 粗糙竖壁　；参考：《中国矿业大学》2017年硕士论文

【摘要】：为充分的利用好矿区丰富的地热资源,提出了废弃井巷喷淋降膜余热利用技术理念,喷淋系统在井巷壁面形成水膜与巷道壁面进行换热,收集换热之后的水源作为矿井水源热泵的冷热源,解决矿井水源热泵涌水量不足的问题,具有较好的应用前景。废弃井巷喷淋降膜余热利用的核心是研究竖壁降水膜与壁面间的流动换热过程,属于粗糙条件下竖壁湍流降膜换热过程。本文针对国内外研究粗糙壁面降膜流动换热过程所存在的欠缺,利用竖壁降膜速度分布以及雷诺类似律,推导出表征粗糙度影响竖壁湍流降膜换热特性的St准则公式;并根据相似理论及传热学原理,模拟废弃巷道内的真实情况,设计并搭建了粗糙壁面条件下竖壁降膜流动换热实验台,开展了湍流降膜流动换热特性试验研究,分析了喷水量、进口水温、平均膜厚、平均流速、及粗糙度等参数对竖壁降膜换热特性影响,并与理论所得公式进行对比验证,以期为废弃井巷喷淋降膜余热利用技术的应用提供基础理论指导,取得的主要研究成果如下:(1)理论研究了竖壁降膜流动换热特性。利用雷诺类似律分别推导出光滑及表征粗糙度影响竖壁湍流降膜换热特性的斯坦登准则理论公式,对比发现,粗糙基元之间的坑洼里的分子传导过程形成的传热阻力、Pr数、粗糙度以及流量导致的降膜平均膜厚和平均流速的变化是影响湍流降膜换热的主要因素。(2)设计与搭建了粗糙条件下竖壁降膜换热实验平台。模拟废弃巷道内的真实情况,在解决入口段长度的确定、热流量控制及温度测点布置、不同壁面粗糙度形成和淋水量控制等一系列关键实验问题的基础上建立形成了竖壁降膜换热实验系统,主要包括给水喷淋系统、竖直粗糙壁面和数据测量采集系统,此系统可实现对淋水量、降膜流速、降膜膜厚、壁面温度以及降膜进出口温度及分布规律的控制和监测,该实验平台的建立为开展竖壁降膜流动和换热特性研究提供了条件。(3)分别开展了竖壁降膜流动和换热特性实验,研究了同一粗糙度条件下,湍流降膜平均膜厚、平均流速等主要流动特性在不同流量、进口温度下的变化情况,并在此基础上分析粗糙条件下,湍流降膜与粗糙壁面的换热系数在不同流量、进口温度下的变化特性。研究表明:在本研究控制的流量范围内,壁面与降膜之间的对流换热系数随着流量的增加而增大,但增长速度越来越慢,且St准则数随着流量的增大而减小;在同一喷水量情况下,竖壁与湍流降膜之间的换热系数随着Pr值的减小而增大。即流量增大并不能无限提高壁面湍流降膜的换热系数,当流量增大到某一值时,必须依靠其他手段,比如增加进口温度等措施来提高壁面与降膜的对流换热系数。(4)研究了粗糙度对竖壁降膜流动换热特性的影响,针对三种不同粗糙度的壁面分别进行湍流降膜流动及换热特性实验研究,分析降膜平均膜厚以及平均换热系数等在不同流量、进口温度、壁面粗糙度下的变化情况,研究表明:粗糙度增大并未改变降膜运动所特有的流动特质,粗糙度的增大加强了降膜波动性,使得同一条件下降膜的平均膜厚减小,降膜的平均流速增加,且壁面摩阻系数增大,加强了湍流降膜与固体壁面之间的换热效率,粗糙度的增大还会加强独立波内部的回流扰动,加强了降膜内部的对流换热效率。因此,废弃井巷喷淋降膜系统在保证湍流降膜不出现破断或破坏的前提下,可以通过适当增加壁面的粗糙度来提高降膜的换热系数。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD26

【参考文献】