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管内蒸汽冷凝过程关键热力学参数分布特征

中国电机工程学报 2024年

作者：王昱乾王卫良曹夏昕黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室(哈尔滨工程大学) 重大工程灾害与控制教育部重点实验室(暨南大学国际能源学院)

受限于管道尺寸、液膜易受损以及测点大小等多方面因素，当前管内冷凝实验研究可获取数据的密度较低，周向测点数不足以支撑周向分布特征的建立。为此，该文在周向和轴向两个方向上完成凝结液流动及冷凝相变的控制方程组的推导，利用编... 详细信息

受限于管道尺寸、液膜易受损以及测点大小等多方面因素，当前管内冷凝实验研究可获取数据的密度较低，周向测点数不足以支撑周向分布特征的建立。为此，该文在周向和轴向两个方向上完成凝结液流动及冷凝相变的控制方程组的推导，利用编程建立管内蒸汽冷凝现象关键热力学参数多维分布特征的数学求解模型，并通过与实验数据和经验公式的对比验证模型的可靠性。基于计算结果完善冷凝过程中关键热力学参数的多维分布特性，分析了倾斜角度和相间剪切力等因素对管内蒸汽冷凝过程计算的影响。计算结果表明：对于非竖直状态下圆管内蒸汽凝结换热而言，液膜区域的蒸汽凝结量在总凝结量中的占比始终保持在99%以上，因此在计算中可以忽略液池区域的蒸汽凝结；对于倾斜角度小于等于15°的工况，液池区域的凝结液流量在总质量流量中的占比在除入口段外均保持在97%以上，可以在限定条件下将液池区域假设为凝结液流动区域。结果可为简化管内蒸汽凝结换热计算问题提供一定依据和思路。

关键词：凝结换热传热传质数学求解剪切力周向分布

基于多孔介质模型的侧卧仿生武伦柱式凝汽器布管性能分析

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科技与创新 2024年第12期 30-33页

作者：秦启君陈令章清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室四川成都611731 东方电气集团东方锅炉股份有限公司四川自贡643001

蒸汽凝汽器是燃煤机组发电的重要设备之一,蒸汽凝结效率影响整个电站系统的运行效率。在凝汽器中,冷却水管路的布置方式直接影响凝结换热效率。目前凝汽器布管方式多样,但传热系数和凝结效率仍有进一步提升的空间和实际需求。采用仿生... 详细信息

蒸汽凝汽器是燃煤机组发电的重要设备之一,蒸汽凝结效率影响整个电站系统的运行效率。在凝汽器中,冷却水管路的布置方式直接影响凝结换热效率。目前凝汽器布管方式多样,但传热系数和凝结效率仍有进一步提升的空间和实际需求。采用仿生设计理念创新一种仿生武伦柱式布管方式,采用CFD数值仿真的方法,基于多孔介质模型和外接自编程序模块分析了侧卧武伦柱布管方式凝汽器的换热效果和凝结效率。结果表明,在操作压力为4.7 kPa、冷却水温度为23.5℃、流速为2.2 m/s、不凝性气体体积分数为0.03%的工况下,当蒸汽入口维持在40 m/s时,该布管方式综合换热系数达3 520 W/(m^(2)·K),凝结效率达97.66%,显示出较优异的换热性能。

关键词：凝汽器凝结换热多孔介质数值计算

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湿烟气在开孔翅片管外凝结换热数值模拟

锅炉技术 2023年第3期54卷 1-9页

作者：李聪娜鲁军辉胡旭穆连波王随林北京建筑大学环境与能源工程学院北京100044 国家节能中心北京100045

为高效回收湿烟气全热并对烟气冷凝换热设备进行优化设计,以设计的紧凑式开孔翅片管换热器为对象,采用欧拉壁膜(EWF)模型与组分输运模型耦合研究低温烟气在翅片管换热器中的凝结换热规律。数值模拟得到的凝结速率及对流凝结换热系数与... 详细信息

为高效回收湿烟气全热并对烟气冷凝换热设备进行优化设计,以设计的紧凑式开孔翅片管换热器为对象,采用欧拉壁膜(EWF)模型与组分输运模型耦合研究低温烟气在翅片管换热器中的凝结换热规律。数值模拟得到的凝结速率及对流凝结换热系数与实验结果最大偏差分别为13.4%和10.9%。结果表明:对流凝结换热系数随入口水蒸气质量分数和烟气流速增大以及管壁温降低而增大,翅片开孔可以起到均压、破坏温度边界层、截断液膜、加快凝结液排出进而强化传热的作用,基于模拟拟合的关于改进雅各布数J的烟气对流凝结关联式与实验数据平均相对误差为13.1%,模拟关联式对于90%的实验结果预测误差在-20%~+20%以内。

关键词：湿烟气凝结换热翅片管数值模拟

机械振动条件下微通道内凝结换热特性实验研究

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机械振动条件下微通道内凝结换热特性实验研究

作者：岳小凯东北电力大学

学位级别：硕士

微通道换热器因结构紧凑、热流密度高等优点,广泛应用于汽车冷凝器。在车辆运行过程中受发动机振动和路面不平的影响,车载冷凝器不可避免会产生振动,从而对冷凝器的流动与换热特性产生影响。目前,国内外针对振动条件下微通道冷凝换热的... 详细信息

微通道换热器因结构紧凑、热流密度高等优点,广泛应用于汽车冷凝器。在车辆运行过程中受发动机振动和路面不平的影响,车载冷凝器不可避免会产生振动,从而对冷凝器的流动与换热特性产生影响。目前,国内外针对振动条件下微通道冷凝换热的研究十分缺乏,导致机械振动对小尺度冷凝换热的影响规律和机理尚不明晰。为此,本文开展机械振动对微通道内凝结换热和摩擦压降的影响实验研究,具体工作如下。设计并搭建了微通道凝结换热垂直振动实验台。循环工质为R134a,实验段为内径1mm圆形铜管,在实验段出口设置了流型可视化窗口,采用微视野高速相机实时记录流型图像,解决了高频振动条件下流型图像的拍摄问题。传感器在安装前均进行校正,壁温测量采用测点内置以及周向和轴向多测点相结合的方法来保证壁温的测量精度。理论分析了环境散热对实验测量的影响,基于单相实验数据拟合得到了环境散热的计算公式,修正了散热对实验换热系数的影响。理论分析了实验段轴向温度非线性变化对换热系数计算的影响,推导了新的热流密度计算公式。选取管内经典单相换热和摩擦压降关联式验证了实验台的精度和可靠性,整体误差在10%以内。对R134a在饱和温度40℃,质量流率200-400kg/(ms),干度范围0-1,振动频率15-50Hz、振幅0-2.4mm工况范围内的凝结换热系数、摩擦压降、流型图像、实验段压差信号等进行了实验测量,对不同流型的压差波动信号依据复合指标进行去噪,然后采用小波包对信号进行能量分析。结果表明静止条件下,观测到了环状流、间歇流和泡状流,三种流型的压差信号主要能量集中在第一子频带;施加振动并未发现新流型,但流型的图像特征和压差信号均发生了变化,界面的波动幅度变大,压差能量信号第一子频带能量占比降低,第二、四子频带能量占比增加。换热系数和摩擦压降的结果分析表明静止条件下,换热系数和摩擦压降随着质量流率、干度的增加而增加。施加振动在大部分情况下强化换热,但部分工况也会削弱换热;然而,振动条件下的摩擦压降均大于静止工况,这表明振动对凝结换热和压降的影响机理有显著不同,本文对其复杂的机理进行了初步分析。最后对比分析了测试结果和文献中换热与压降关联式的计算结果,评估了关联式在不同条件下的适用性。本文研究可为振动条件下微通道内凝结换热和压降的规律及机理认识,以及振动条件下冷凝器的优化设计提供理论支持。

关键词：微通道振动凝结换热流型摩擦压降

R1234ze（E）/R152a在光滑铜管内流动凝结换热的数值模拟

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R1234ze（E）/R152a在光滑铜管内流动凝结换热的数值模拟

作者：徐超萍南昌大学

学位级别：硕士

制冷剂在冷凝器传热管管内流动发生冷凝的相变过程中,其传热特性直接影响冷凝器的传热面积及制冷剂在出口处的热力学参数,进而影响制冷系统的经济效益和热力性能,在制冷剂替代研究领域,对新工质的冷凝传热特性进行研究很有必要。在寻找... 详细信息

制冷剂在冷凝器传热管管内流动发生冷凝的相变过程中,其传热特性直接影响冷凝器的传热面积及制冷剂在出口处的热力学参数,进而影响制冷系统的经济效益和热力性能,在制冷剂替代研究领域,对新工质的冷凝传热特性进行研究很有必要。在寻找R22的长期替代工质研究中,课题组前期提出了一种新型环保近共沸混合工质NCUR01(40%R1234ze(E)和60%R152a混合而成),并实验研究了其在水平管管内的冷凝传热特性,但实验的研究范围较窄,研究成果具有局限性。为此,有必要在实验研究的基础上对该混合工质的冷凝传热特性开展数值模拟研究,以期得到更加全面、系统的研究结论。首先,建立了NCUR01在6 mm光滑圆管管内凝结换热的三维模型,确定了多相流模型为VOF模型、湍流模型为SST k-w模型、相变模型为Lee模型。将质流密度为150～200 kg·m·s、热流密度为8～10 k W·m以及饱和温度为308.15～313.15 K的工况下得到的凝结换热系数模拟值和出口干度模拟值与相同工况下的实验值进行对比,发现两者吻合良好,所有数据点偏差均在±20%以内,且平均绝对误差分别为10.087%和10.044%;并将模拟得到的管内气液两相流流型与标准流型图进行比较,发现二者具有高度一致性。其次,分析了不同质流密度、热流密度、饱和温度和入口干度对NCUR01在水平光滑圆管管内流动凝结换热特性的影响,模拟工况为:质流密度200～400 kg·m·s、热流密度6～14 k W·m、饱和温度303.15～318.15K、干度0.2～0.9。结果表明NCUR01的流速和温度沿管长方向逐渐减小,液相体积分数沿管长方向逐渐增大;管内凝结换热系数随质流密度、热流密度和入口干度的增大而增大,随饱和温度的增大而减小。当质流密度从200 kg·m·s增大到400 kg·m·s时,管内凝结换热系数可增大55.97%;当热流密度从6k W·m增加到14 k W·m时,凝结换热系数增加了64.87%;当饱和温度从303.15 K增加到318.15 K时,凝结换热系数减小了28.87%。然后,分析了不同管内径(分别为5 mm、6 mm、8.52 mm和10.7 mm)对NCUR01在圆管内流动凝结换热特性的影响,发现随着管径的减小,管内凝结换热系数呈增大趋势,当管径从10.7 mm减小到5 mm时,管内平均凝结换热系数增大了1.086倍。这是由于管径的减小会加强管内气液界面间的剪切力,抑制壁面处液膜厚度的增加,从而减小了传热热阻,凝结换热能力得到强化;并且在高干度区,凝结换热的强化效果更为明显。最后,椭圆管水平摆放时(即长轴为X轴方向,短轴为Y轴方向),建立了周长为6π,长短轴之比分别为1、1.5、2的椭圆管几何模型,比较了椭圆管的长短轴之比和摆放方式的不同(即同规格的椭圆管将长短轴摆放位置对调)对NCUR01管内流动凝结换热特性的影响。结果表明,在质流密度为400kg·m·s、热流密度为12 k W·m、饱和温度为308.15 K时,NCUR01在椭圆管内的凝结换热系数随长短轴之比的增大而增大,相比长短轴之比为1时,长短轴之比为1.5和2时的管内平均凝结换热系数分别增大了9.62%和18.21%。以长短轴之比为2的椭圆管为例,改变椭圆管的摆放方式,模拟结果发现NCUR01的管内凝结换热系数在椭圆管水平摆放时比竖直摆放时大5.81%,但出口干度几乎不受影响。

关键词： R1234ze(E)/R152a 凝结换热数值模拟混合工质两相流动

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竖直槽道内蒸气向上流动凝结换热的实验研究

应用基础与工程科学学报 2016年第1期24卷 176-184页

作者：杨云潇贾力北京交通大学机电学院热能工程研究所北京100044 微细尺度流动与相变传热北京市重点实验室北京100044

通过高速摄影仪拍摄手段,观察了制冷剂R410A蒸气在水力直径为14.34mm、长度为160mm的竖直矩形槽道内垂直向上流动凝结过程中壁面液膜的流动特征.实验结果表明:在饱和温度为28℃和质量流速范围为1.8~23kg·m^(-2)·s^(-1)实验条件下,随... 详细信息

通过高速摄影仪拍摄手段,观察了制冷剂R410A蒸气在水力直径为14.34mm、长度为160mm的竖直矩形槽道内垂直向上流动凝结过程中壁面液膜的流动特征.实验结果表明:在饱和温度为28℃和质量流速范围为1.8~23kg·m^(-2)·s^(-1)实验条件下,随着质量流速的增大,壁面出现假滴状流动和层流波状流动,并且随着质量流速的增大凝结液膜逐渐增厚,液膜表面波动亦更加明显;槽道内的平均凝结换热系数随质量流速的增大出现先增大后减小的趋势.实验得到了槽道壁面测温点分割出的四段壁面的各段的平均凝结换热系数的沿槽道轴向的变化情况.

关键词：可视化凝结换热竖直槽道蒸气向上流动 R410A

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基于流型的小直径圆管内流动凝结换热机理

化工学报 2002年第2期53卷 128-133页

作者：杜小泽王补宣清华大学热能工程系北京100084

通过流型的可视化观察和传热实验 ,探讨不同管径下小直径圆管内流动凝结过程中流型的演化规律以及不同流型的凝结换热特性 .分析表明 ,随着管径的减小 ,以凝结液沿管壁周向均匀分布为主的环状流型在流型图上的面积增加 ,相应地换热温差... 详细信息

通过流型的可视化观察和传热实验 ,探讨不同管径下小直径圆管内流动凝结过程中流型的演化规律以及不同流型的凝结换热特性 .分析表明 ,随着管径的减小 ,以凝结液沿管壁周向均匀分布为主的环状流型在流型图上的面积增加 ,相应地换热温差对凝结换热数Nu的影响降低 .本研究深化了对小尺度下凝结换热机理的认识。

关键词：小直径圆管流动凝结流型换热机理凝结换热气液两相流

CO_(2)/H_(2)O混合气体在水平管外凝结换热与分离特性研究

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工程热物理学报 2021年第3期42卷 706-711页

作者：鲁军辉李俊明北京建筑大学环境与能源学院北京100044 清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

本文通过实验研究了CO_(2)质量分数为11.39%~70.95%,壁面过冷度为5~25 K,总压力为5~15 kPa的CO_(2)/H_(2)O混合气体自然对流条件下在水平管外的凝结换热规律,结果表明CO_(2)/H_(2)O的凝结换热系数随CO_(2)含量和壁面过冷度的增大而降低... 详细信息

本文通过实验研究了CO_(2)质量分数为11.39%~70.95%,壁面过冷度为5~25 K,总压力为5~15 kPa的CO_(2)/H_(2)O混合气体自然对流条件下在水平管外的凝结换热规律,结果表明CO_(2)/H_(2)O的凝结换热系数随CO_(2)含量和壁面过冷度的增大而降低,但随总压力的增大而增大。根据实验结果建立了新关联式,将关联式应用到凝汽器的设计计算与分析,且对凝汽器进行了分离特性和经济性分析。

关键词： CO_(2)/H_(2)O 不凝性气体水平管外凝结换热

不同蒸气压力下的Marangoni凝结换热特性

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化工学报 2006年第12期57卷 2816-2822页

作者：杨豫森甄克建严俊杰刘继平胡申华西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

在蒸气流速4m·s-1的条件下,通过实验研究了不同蒸气压力下纯水、纯酒精和不同酒精浓度水-酒精混合蒸气沿重力方向流过竖直铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时从理论上初步分析了混合蒸气压力对Marangoni凝结换热特... 详细信息

在蒸气流速4m·s-1的条件下,通过实验研究了不同蒸气压力下纯水、纯酒精和不同酒精浓度水-酒精混合蒸气沿重力方向流过竖直铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时从理论上初步分析了混合蒸气压力对Marangoni凝结换热特性的影响.实验及理论分析结果表明,在相同蒸气浓度、蒸气流速和表面过冷度条件下,高压下的凝结换热强度比低压的大.且蒸气压力对凝结换热的影响因混合蒸气酒精浓度的不同而不同,在低浓度1%、2·28%和高浓度22%、51%时压力的增加对凝结换热特性的影响较小,而在中间浓度5·1%和9·8%时凝结换热系数随压力的增加明显.

关键词：水-酒精混合蒸气 Marangoni 凝结换热蒸气压力