水平管束外膜狀凝結換熱試驗與理論研究.pdf

1、臥式管束外冷凝換熱設備廣泛應用于能源動力、石油化工、制冷空調等高能耗領域。工質在水平管束外膜狀凝結換熱是該類設備設計開發(fā)面臨的關鍵基礎問題,它的有效解決是進一步開發(fā)相關強化傳熱技術、自主研發(fā)高效臥式管束外冷凝換熱設備、提高相關領域能源效率的基礎。然而,受水平管束外膜狀凝結換熱問題復雜程度高、試驗成本高與試驗誤差控制難度大等因素影響,水平管束外膜狀凝結換熱理論長期發(fā)展緩慢,導致當前水平管束外膜狀凝結換熱新問題仍依賴試驗求解。而在國內,針對

2、水平管束外膜狀凝結換熱的研究剛剛起步,試驗與理論研究基礎薄弱。因此,本文針對水平管束外膜狀凝結換熱試驗與理論,開展了系統(tǒng)的研究工作。
　　首先,為從試驗層面高精度求解水平管束外的膜狀凝結換熱問題,本文提出了兩種冷凝換熱試驗測試新方法:
　　1)高精度獲取水平管束冷凝換熱管束效應的同源法;
　　2)利用熱電偶高精度獲取水平外冷凝傳熱系數的小周期標定法。
　　基于兩種新方法提出了系統(tǒng)的試驗誤差控制方法,并結合試驗方法

3、與誤差控制方法的要求提出了水平管外冷凝換熱試驗系統(tǒng)的建設方案,系統(tǒng)的完成了試驗系統(tǒng)的設計、實施、調試與檢驗,建立了水平管外冷凝換熱試驗平臺。試驗研究了工質、工況、換熱管、管束構成與不凝性氣體等因素對水平管外冷凝換熱的影響,綜合考察了試驗系統(tǒng)的性能,并為后續(xù)理論研究工作提供必要的數據支撐。
　　其次,為從理論層面求解(或描述)水平單管外膜狀凝結換熱問題,本文基于Nusselt層流膜狀凝結換熱理論與表面張力對二維肋管外凝結換熱影響理論

4、分析,提出了幾類水平二維肋管單管膜狀凝結換熱模型的標準形式,并進一步結合試驗結果分析,提出了較完善的二維肋管膜狀凝結換熱半經驗模型。為從理論層面描述肋管強化膜狀凝結換熱問題,本文基于層流膜狀凝結換熱極值問題的構造與求解,提出了自相似強化因子的概念,建立了自相似強化因子模型,并借助自相似強化因子分析了肋管強化膜狀凝結換熱的機理。自相似強化因子概念與模型的提出為認清強化換熱現象的本質、指導強化換熱表面的設計與發(fā)展奠定了基礎。
　　第三

5、,為從理論層面求解水平管束外膜狀凝結換熱問題,本文提出了系統(tǒng)的水平管束外膜狀凝結換熱問題建模方法,建立了水平光管管束膜狀凝結換熱模型,建立了不考慮表面張力的水平二維肋管管束膜狀凝結換熱模型。建模工作取得了四項突破:
　　1)提出了管束中凝液的分類與定義方法,明確了廣義與狹義管束效應的概念;
　　2)試驗研究了三類凝液(本體凝液、遷移凝液與作用凝液)對水平管外膜狀凝結換熱影響的差異,并結合理論分析提出了各類凝液對膜狀凝結換熱影

6、響的描述方法;
　　3)提出了管束中遷移凝液流型的標準化處理方法,提出了流型標準化處理后管束換熱面上對應換熱問題的處理方法;
　　4)引入“排擠”的概念來刻畫遷移凝液所致凝液波動對管束換熱面上膜狀凝結換熱影響,結合試驗與理論分析確定了排擠對膜狀凝結換熱影響的描述方法。
　　本文建立的水平光管管束膜狀凝結換熱模型,在考慮因素的全面性、預測值與試驗結果的一致性方面均明顯優(yōu)于常規(guī)模型,提出的系統(tǒng)的管束外膜狀凝結換熱問題建模方

7、法與二維肋管管束模型為進一步完善二維肋管管束模型與發(fā)展三維肋管管束模型奠定了基礎。
　　第四,為從技術層面突破強化水平管束外膜狀凝結換熱面臨的管束效應問題,提出了在管束中添加導液器來控制管束效應的方法與技術措施,試驗驗證了方法的有效性、探索了技術措施的失效模型及其影響,探討了添加導液器對管束結構與熱工設計影響、并結合實例分析了該技術措施的收益。試驗結果表明,在管束中添加導液槽可有效控制遷移凝液影響,技術措施應用得當可顯著提高管束綜