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水平三维低肋管外凝结传热数值模拟

水平三维低肋管外凝结传热数值模拟

作者：栾金刚中原工学院

学位级别：硕士

由于臭氧层破坏和全球极端天气的日益增加,使得世界各国开始大力推行节能减排理念。HFC134a和R1234ze（E）相较于CFCs类制冷剂对环境更为友好,有着良好的应用前景。与此同时,强化传热在工业和学术界也一直备受关注,能效标准的提高和环... 详细信息

由于臭氧层破坏和全球极端天气的日益增加,使得世界各国开始大力推行节能减排理念。HFC134a和R1234ze（E）相较于CFCs类制冷剂对环境更为友好,有着良好的应用前景。与此同时,强化传热在工业和学术界也一直备受关注,能效标准的提高和环保意识的增强使得人们对强化传热技术的效率与可靠性提出了更高的要求。基于上述提到的因素,本课题采用Lee相变传质模型和VOF模型,通过ANSYS软件构建了光管、二维及三维低肋管模型,模拟HFC134a和R1234ze（E）在不同水平管外的凝结传热现象,探究不同管型管外凝结传热的影响因素,得到的主要结论如下:（1）HFC134a在35℃工况温度下的光管管外凝结传热系数高于40℃时的凝结传热系数;将数值计算结果分别与Nusselt理论解、之前课题组相关实验结果进行对比后发现误差在±10%以内,证明了模型参数的各项设置是可靠的。（2）凝结传热系数对肋切深度、切口数量和肋密度的改变非常敏感,在所模拟的7种三维低肋管中,当肋切深度为0.6mm（C4260-6024）、切口数量为30个（C4260-4030）、肋密度为46fpi（C4660-4024）时,凝结传热表现较优;将所模拟的数据对比分析后发现C4660-4024是本次模拟的所有管型中凝结传热效率最高的三维低肋管型。（3）HFC134a相较于R1234ze（E）有更高的气化潜热与较低的粘度,凝结传热性能在同等条件下要优于R1234ze（E）6%～15%。（4）在不同工况温度下（35℃、40℃）,二维低肋管（C4284-2D）相比于光管凝结传热性能提升了约5.5～6.4倍;而三维低肋管（C4660-4024）相较于二维低肋管（C4284-2D）凝结传热性能提升了10～15%。

关键词： HFC134a R1234ze(E) 凝结传热低肋管

水平低肋管外R1234ze（E）凝结传热数值模拟

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水平低肋管外R1234ze（E）凝结传热数值模拟

作者：党坤儒中原工学院

学位级别：硕士

HCFCs类制冷剂由于具有较高的GWP和ODP不为0,在早期的使用过程中对臭氧层的破坏及全球变暖带来了一系列的问题。目前选用较多的是环境友好型的HFCs,如:R134a、R410A、R407C,但由于这类制冷剂在大气中的寿命长且大部分GWP不为零,因此这... 详细信息

HCFCs类制冷剂由于具有较高的GWP和ODP不为0,在早期的使用过程中对臭氧层的破坏及全球变暖带来了一系列的问题。目前选用较多的是环境友好型的HFCs,如:R134a、R410A、R407C,但由于这类制冷剂在大气中的寿命长且大部分GWP不为零,因此这类制冷剂也只能在过渡过程中使用,最终也会面临淘汰。R1234ze(E)是环境友好型制冷剂(ODP=0,GWP凝结传热进行数值模拟,研究了不同管型、不同工况温度下的管外凝结传热,并与R134a进行对比分析,进一步进行实验研究,通过热阻分离法得到管外凝结传热系数,主要结论如下:(1)在40℃的工况温度下,随着肋高的增加,管外凝结传热系数逐渐增加,在肋高达到0.96mm时,增加幅度已不再明显;随着肋密度的增加,管外凝结传热系数呈现先增加后减小的趋势,在肋密度达到50fpi时,管外凝结传热系数达到最大值,在所模拟的管型中,C5096有着较佳的凝结传热表现。(2)低肋管能够强化管外凝结传热效果,在热流密度为30k W/m时,C4284低肋管35℃工况温度下管外凝结传热系数是光管的11.9倍,40℃工况温度下是光管的12.7倍。(3)R1234ze(E)在40℃工况温度下具有更高的管外凝结传热效率。在光管中40℃下的管外凝结传热系数是35℃的1.01～1.03倍,在C4284低肋管中是35℃的1.01～1.16倍。(4)由于R1234ze(E)比R134a具有较低的气化潜热以及较大的黏度系数,因此在相同的工况条件下,R134a的管外凝结传热效果要高于R1234ze(E)。在所模拟的热流密度范围内,在35℃的工况温度下R134a的管外凝结传热系数是R1234ze(E)的1.13～1.2倍;在40℃的工况温度下是R1234ze(E)的1.06～1.13倍。(5)光管中数值模拟的管外凝结传热系数要比实验得出的管外凝结传热系数偏低10%左右,与Nusselt分析解偏差均在±10%以内;C4284低肋管数值模拟的管外凝结传热系数要比实验得出的管外凝结传热系数偏低20%左右。

关键词： R1234ze(E) 凝结传热数值模拟强化换热

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AMTEC多孔芯冷凝器的凝结传热特性

AMTEC多孔芯冷凝器的凝结传热特性

作者：张灯重庆大学

学位级别：硕士

碱金属热电转换器(alkali metal thermal to electric converter,AMTEC)是一种高效率、高能量密度、无运动部件的新型热电直接转换装置,具有广阔的应用前景。多孔芯冷凝器作为AMTEC内控制工质循环流动和传热传质的重要部件,关于其内部... 详细信息

碱金属热电转换器(alkali metal thermal to electric converter,AMTEC)是一种高效率、高能量密度、无运动部件的新型热电直接转换装置,具有广阔的应用前景。多孔芯冷凝器作为AMTEC内控制工质循环流动和传热传质的重要部件,关于其内部流动传热的研究却鲜有相关报道。事实上,碱金属蒸气在多孔芯冷凝器内的完全凝结是AMTEC系统正常循环的重要保证,同时也是实现进一步利用AMTEC冷凝器余热的重要前提。因此,本文对多孔芯冷凝器凝结特性的研究具有重要的科学意义和实用价值。本文建立AMTEC多孔芯冷凝器的二维轴对称模型,采用流体体积法(VOF)对碱金属工质在冷凝器中的凝结传热过程进行数值模拟研究,凝结相变过程的模拟通过用户自定义函数(UDF)实现,获得了多孔芯冷凝器稳定运行时的相场、温度场、速度场及压力场。同时,深入探究了相关操作参数(如入口质量流量、冷端温度、运行工质)、材料与结构参数(如多孔芯材料、孔隙率、有效孔径、出口与冷端距离及出口半径)对多孔芯冷凝器流动传热的影响规律。研究结果表明:冷凝器稳定工作时,液膜厚度沿径向逐渐增大。对于接近理想工作状态的冷凝器,其气液界面能够稳定维持在多孔芯表面附近,液膜厚度沿径向的增幅很小。导热方式占据多孔芯区域传热的主导作用,使得多孔芯液相区域的温度分布近似线性。在气液界面上,蒸气凝结速率沿径向逐渐减小。冷端热流密度沿径向的分布呈现先增后减的趋势,峰值出现的位置在r=7mm附近的环状区域内。多孔芯冷凝器拥有一定的的自适应能力,当入口质量流量变化时,冷凝器可以通过调整界面形状来保证工质蒸气的完全凝结。对于确定的入口质量流量M存在特定的冷端温度T使得冷凝器的气液界面稳定在多孔芯表面,且M越大对应的T越小。相同工况下,分别以钠、钾为工质的冷凝器内部流动传热过程十分相似,对应的冷凝器液膜厚度相差很小。冷凝器的液膜厚度随着多孔芯材料的导热系数的增大而增大。多孔芯的孔隙率和有效孔径对冷凝器的流动过程影响较大,适当增大孔隙率和有效孔径对于提高冷凝器性能是有利的。减小出口与冷端距离可以显著降低出口温度,同时也能够提高冷凝器在大流量情形下的自适应能力。出口半径的大小对液膜厚度影响很小,但增大管径能够降低出口平均温度和多孔芯压降。

关键词：碱金属热电转换器(AMTEC) 多孔芯冷凝器凝结传热数值模拟

蒸汽及含不凝气体蒸汽在竖直及倾斜管内凝结传热的数值模拟

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蒸汽及含不凝气体蒸汽在竖直及倾斜管内凝结传热的数值模拟

作者：葛剑英内蒙古科技大学

学位级别：硕士

凝结现象广泛存在于能源、冶金、制冷、化工、航空航天等领域,近年来,随着航空航天、海水淡化、核反应堆安全系统以及一些大型工业设备的发展,对于凝结传热研究的需求日益增加。而在实际的工业应用中,常伴随有不同组分浓度的不凝气体,... 详细信息

凝结现象广泛存在于能源、冶金、制冷、化工、航空航天等领域,近年来,随着航空航天、海水淡化、核反应堆安全系统以及一些大型工业设备的发展,对于凝结传热研究的需求日益增加。而在实际的工业应用中,常伴随有不同组分浓度的不凝气体,使得凝结传热过程极其复杂。所以,研究纯蒸汽及含不凝气蒸汽的凝结传热规律,对提高凝结传热效率及冷凝器的工业设计具有重要意义。鉴于理论分析和实验研究受制于计算和成本的限制,本文通过数值模拟的方法模拟纯蒸汽及含不凝气体蒸汽在竖直、倾斜管和波节管内的凝结情况,分析了不同工况不同参数范围下的蒸汽凝结流动特性和传热规律。基于气液两相流的控制方程,建立了纯蒸汽及含不凝气蒸汽凝结质量输运模型,该模型考虑了界面处的质量平衡,总通量包含了扩散分量以及对流分量,并可用于计算多组分相的质量输运,利用UDF对商业软件Fluent进行程序上的二次开发,将该模型嵌入VOF模型的质量源项与能量源项中进行耦合计算。为了研究含不凝气蒸汽的凝结,通过加载多组分模型实现了不凝气的组分构建,并利用UDF程序调用多相流模型的不同层次相,实现了各气相组分的同步计算,获得不同组分含量的不凝气的凝结传热规律。基于建立的凝结模型,对纯蒸汽在竖直管、倾斜管和波节管内的凝结情况进行了数值模拟。发现竖直管内的凝结流型均呈现环状流,且不随管径等因素的变化而变化。增大蒸汽流速、减小管径、降低壁温以及使用导热系数较高的材料都会增强凝结传热效果。在倾斜管内,随着倾斜角度的增加,管内压降减小;相同管径下,蒸汽流速增加会削弱倾斜角度对传热效果的强化作用;蒸汽入口速度为1m/s,管径为0.1 m下的最佳倾斜角度为45°。蒸汽入口速度为2 m/s,管径为0.1m下的最佳倾斜角度为15°。蒸汽入口速度为0.5 m/s,管径为0.1m下的最佳倾斜角度为60°。在波节管中,管内流动和传热过程均呈现震荡波动,波节下游传热系数要高与上游4.5倍,保持波节较小间距,适当的增大波节的高度和宽度,可以显著提高波节管的强化传热能力。本研究范围内最优波节管的波节结构为7#管,其参数为波节高度0.007 m,波节间距0.001 m,波节宽度0.015 m。对竖直管内含不凝气蒸汽的凝结进行数值模拟,发现当蒸汽中混有不凝气体时,不凝气的含量对传热影响较大,随着不凝气含量的增加,液膜扰动增强,出现局部凝结聚集,直至离散断裂。随着不凝气含量的增加,传热系数降低,传热效率变差。在不凝气含量小于10%的传热系数骤降,高与10%时逐渐稳定。此外不凝气含量对凝结的温度场、速度场都有一定影响。本次研究编写的UDF程序同样也适用于三维模型的蒸汽凝结模拟计算,上述研究成果对今后其它凝结现象的模拟研究和传热管的强化设计与布置都提供了一定的参考价值。

关键词：水蒸气凝结传热不凝气体强化传热数值模拟

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电流体力学强化水平管内凝结传热试验研究

暖通空调 2003年第1期33卷 5-7页

作者：安恩科陈之航同济大学上海理工大学

在电流体力学 (EHD)强化传热试验台上进行了水平管内凝结传热的强化试验研究 ,结果表明 ,EHD技术对水平管内的凝结传热有明显的强化效果 ;低热流密度时 ,强化效果较好 ,增大热流密度时 ,强化效果减弱 ;热流密度维持不变时 ,强化系数随... 详细信息

在电流体力学 (EHD)强化传热试验台上进行了水平管内凝结传热的强化试验研究 ,结果表明 ,EHD技术对水平管内的凝结传热有明显的强化效果 ;低热流密度时 ,强化效果较好 ,增大热流密度时 ,强化效果减弱 ;热流密度维持不变时 ,强化系数随强化电压的升高而增大 ;在本试验条件下 ,对凝结传热的最大强化系数为 1 5 6%。

关键词：电流体力学凝结传热试验强化传热冷凝器

R1234ze(E)与R134a在光管与低肋管外凝结传热数值模拟

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科技风 2021年第35期 143-146页

作者：党坤儒中原工学院能源与环境学院郑州新郑451191

使用R1234ze(E)和R134a进行水平光管及低肋管外凝结传热的数值模拟。采用VOF多相流模型和Lee相变传质模型来获得R1234ze(E)和R134a的管外凝结传热特性。模拟结果表明,光管外凝结传热系数与Nusselt理论解的偏差在±10%以内;随着冷凝温度... 详细信息

使用R1234ze(E)和R134a进行水平光管及低肋管外凝结传热的数值模拟。采用VOF多相流模型和Lee相变传质模型来获得R1234ze(E)和R134a的管外凝结传热特性。模拟结果表明,光管外凝结传热系数与Nusselt理论解的偏差在±10%以内;随着冷凝温度的增加,R1234ze(E)的管外凝结传热系数增大;R134a的管外凝结传热系数要高于R1234ze(E);C4284低肋管相比光管,对管外凝结传热有明显的增强作用,在热流密度为30kW/m 2时,R1234ze(E)在冷凝温度为35℃时,管外凝结传热系数比光管高10.9倍,40℃时比光管高11.7倍。

关键词：数值模拟低肋管 VOF 凝结传热

带吸液芯的真空水平管内蒸汽凝结与传热实验研究

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带吸液芯的真空水平管内蒸汽凝结与传热实验研究

作者：钟子豪大连理工大学

学位级别：硕士

真空水平管内蒸汽凝结的研究对设计低温多效海水淡化传热设备具有重要意义,而管内蒸汽凝结传热主要受汽液两相分布的影响。本文建立了真空水平管内蒸汽凝结压降与传热实验台,通过实验测量了光滑管条件下质量流率为3.0-7.0kg/(m·s)、传... 详细信息

真空水平管内蒸汽凝结的研究对设计低温多效海水淡化传热设备具有重要意义,而管内蒸汽凝结传热主要受汽液两相分布的影响。本文建立了真空水平管内蒸汽凝结压降与传热实验台,通过实验测量了光滑管条件下质量流率为3.0-7.0kg/(m·s)、传热温差为3°C-7°C、温度为50°C-70°C饱和蒸汽在内径为27mm的铝黄铜管内凝结时的流动阻力与传热性能。结果表明:管内凝结流型为分层流;总压降随质量流率和质量含气率的增大而增大,随饱和温度的升高而增大;传热温差对总压降的影响很小;受压降影响的饱和温度下降值随质量含气率的增大而增大;将实验数据与本课题组提出的计算蒸汽管内凝结总压降的关联式进行对比,发现该关联式在预测实验数据时的误差在±20%;当质量含气率为0.7-0.6时,蒸汽的平均传热系数处于峰值,随后随质量含气率的降低而降低;饱和温度越高时,蒸汽管内凝结的平均传热系数越高;分层流的传热区包括了管顶膜状凝结区与管底对流凝结区,分界角度与润湿角大致相同,膜状凝结区局部传热系数明显高于对流凝结区的局部传热系数;将实验数据与本课题组提出的局部传热系数关联式进行对比发现管顶膜状凝结区的计算误差范围为+40%—-15%,管底积液传热区的计算误差在±40%以内。已有的强化传热技术表明,金属丝网的毛细作用可以改变管内凝结液液位,提高冷凝传热特性。针对这一现象,本实验选取了100目不锈钢丝网制成外径为12mm,长为2000mm的吸液芯,并插入了实验管中。通过测量发现,由于金属丝网的表面张力作用,当蒸汽质量含气率低于0.5时,插入吸液芯后的润湿角将高于光滑管润湿角;插入吸液芯后,总压降升高,平均传热系数降低;实验工况下的强化传热影响因子PEC的范围始终低于1。对于本实验所选的不锈钢丝网毛细作用较弱,并未强化传热。

关键词：凝结传热分层流动吸液芯强化传热