水平管內凝結換熱的數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、在自然界和社會生活的各個領域,諸如制冷、化工、石油、材料和航空航天等,凝結現(xiàn)象大量存在。凝結是一種對流傳熱傳質過程,其中伴有氣液相之間的轉變,與不帶相變的對流換熱的換熱特性有很大的差別。
　　大多數(shù)的冷凝器中,工質蒸汽在水平管內凝結。根據蒸汽質量流速的大小,水平管內流動凝結換熱一般分為層流膜狀凝結和強迫對流凝結。蒸汽在管內上部形成層流凝結液膜出現(xiàn)在蒸汽流速很低的情況下,此時在重力作用下凝結液向底部流動,聚集在管內底部,一些研究人員

2、認為,可以忽略通過底部凝結液的傳熱。水平管內的蒸汽流動在一般實際工程上,具有較高的速度,雷諾數(shù)往往高于35000,屬于強迫流動凝結過程。因此,研究管內強迫流動的凝結換熱特性是工質相變傳熱的一個重要研究內容。
　　采用通用CFD軟件Fluent13.0中的Mixture模型,加入UDF編程,對水蒸汽水平管內凝結換熱進行了數(shù)值模擬和分析,并通過實驗進行了可靠性驗證。得出水平管內凝結液體積分數(shù)分布和換熱系數(shù)隨著蒸汽流速、管壁溫度、壓力和

3、入口過熱度的變化規(guī)律,如下:
　　(1)在較低蒸汽流速下,液膜分布受重力作用明顯,在管內底部分布較多。當蒸汽流速達到12m/s時,形成液橋和氣芯,隨著凝結液的增加,凝結液大部分還是沉積在底部。當蒸汽流速高于14m/s時,剪切力成為主要作用力,液膜在管內呈環(huán)狀分布,隨著凝結液量的增加,液體在重力作用下在底部沉積,呈現(xiàn)出底部液膜較厚,頂部較薄的現(xiàn)象。
　　(2)合理降低管壁溫度,提高蒸汽流速和冷凝壓力,適當增加入口過熱度,都有利

4、于提高水平管內凝結換熱系數(shù)來加強換熱。
　　搭建了水平管內凝結換熱可視化實驗臺,對不同蒸汽流速、冷卻水溫和入口過熱度下的水平圓管內水蒸汽凝結換熱特性進行了實驗研究和可視化觀察,得出蒸汽流速、冷卻水溫和入口過熱度對水平管內凝結換熱系數(shù)和流型的影響規(guī)律。實驗結果表明:
　　1.相同實驗條件下,蒸汽流速越高,凝結換熱系數(shù)越高;
　　2.冷卻水溫度越低,換熱溫差越大,凝結換熱系數(shù)越高;
　　3.入口過熱度越大,相同位置的

5、凝結換熱系數(shù)越高;
　　4.實驗測試所得結果與Cavallini關聯(lián)式計算所得結果最為符合,與Shah關聯(lián)式所得結果偏差最大。Shah關聯(lián)式為水平管內冷凝傳熱系數(shù)理論和實驗研究的結果,但在理論推導中,忽略了軸向壓力梯度引起的冷凝溫度降低;而Cavallini關聯(lián)式則是通過大量的實驗數(shù)據擬合得出的,與實驗測試結果更為符合;
　　5.模擬結果與實驗所得結果值相比,偏高約30~40％。
　　通過本文的模擬云圖和計算結果分析,