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结合实验、仿真与机器学习的管内冷凝传热特性研究

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结合实验、仿真与机器学习的管内冷凝传热特性研究

作者：杨德松浙江大学

学位级别：硕士

目前,采用相变传热的各类型换热器凭借其优异的传热性能,被广泛应用于汽车、空调、电子设备散热以及航空航天等各领域之中;同时,利用强化传热技术来提升换热器的运行效率并缩小设备尺寸,是当下的重点研究方向。对于在冷凝换热器中常见... 详细信息

目前,采用相变传热的各类型换热器凭借其优异的传热性能,被广泛应用于汽车、空调、电子设备散热以及航空航天等各领域之中;同时,利用强化传热技术来提升换热器的运行效率并缩小设备尺寸,是当下的重点研究方向。对于在冷凝换热器中常见的管内冷凝流动过程而言,以往的研究工作尚不完善:首先,针对新型三维强化表面管道内冷凝流动特性的探究相对较少,对于其强化传热机理的解释不够明确;其次,以往的管内冷凝换热系数预测关联式在面对复杂多变运行工况时的计算误差较大,预测精度高且泛用性较好预测模型仍然缺失。对于管内冷凝传热领域现存的问题,本文综合采用实验测试、数值模拟与机器学习算法等多种手段开展了针对性研究,研究成果概况如下:在实验测试部分,本文对光滑管、粗糙表面管、两种二维强化表面管(内螺纹管、人字形微翅片管)和四种三维强化表面管(1-EHTa、1-EHTb、1-EHTc和2-EHT管)的管内平均与局部冷凝传热特性分别进行了探究,并利用实验数据拟合了换热系数预测关联式。实验中2-EHT管具有最高的强化换热倍率,约为1.38～1.63,同时新关联式的平均绝对误差均在6%以下。在仿真部分,本文利用CFD数值模拟的方法对制冷剂R134a在2 mm内径微通道光滑圆管内的冷凝流动进行了研究,并通过仿真结果分析了以往管内冷凝换热系数预测关联式的预测性能。在机器学习部分,本文采用机器学习算法建立了管内冷凝换热系数预测模型,并在模型构建过程中针对以往冷凝流动领域机器学习模型物理可解释性较差的问题进行了改进。首先建立了包含约2万组数据的管内冷凝流动数据集,随后结合了K-Means聚类算法、随机森林算法和XGBoost算法建立了集成式机器学习模型。该模型在包含约2万组数据的管内冷凝流动数据集上取得了5.24%的平均绝对误差,其预测精度远高于传统的换热系数预测关联式。

关键词：管内冷凝冷凝换热系数强化传热实验测试数值模拟机器学习

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管内冷凝强化传热方法研究进展

现代化工 2015年第12期35卷 43-47页

作者：王子炫曹泷李玉章徐进良华北电力大学北京市新能源与可再生能源重点实验室华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室

管内冷凝现象经常存在于各种冷凝器中,为了强化管内冷凝换热,以节省能源和缩小设备尺寸,大量的管内冷凝强化传热方法被研究和利用。从实现方式的角度出发,将各种强化传热方法分为换热管处理法、插入物法、外部辅助强化法。回顾了各方法... 详细信息

管内冷凝现象经常存在于各种冷凝器中,为了强化管内冷凝换热,以节省能源和缩小设备尺寸,大量的管内冷凝强化传热方法被研究和利用。从实现方式的角度出发,将各种强化传热方法分为换热管处理法、插入物法、外部辅助强化法。回顾了各方法的研究进展,同时对各方法的优缺点进行了总结。

关键词：管内冷凝强化传热冷凝器应用

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直接空冷岛顺流基管管内冷凝的传热传质分析

中国电机工程学报 2015年第24期35卷 6431-6438页

作者：邓慧白焰李小缤党伟玮李欣欣华北电力大学控制与计算机工程学院北京市昌平区102206 中国国电集团公司霍州发电厂山西省霍州市031413 中国电能成套设备有限公司北京市海淀区100080

顺流基管是火电厂直接空冷岛关键部件,分析基管管内传热传质机理,对优化基管传热和空冷岛安全运行有重要意义。考虑基管几何特征和安装倾角,建立模拟蒸汽在基管内壁上冷凝的三维坐标数学模型。求解模型数值解时,假设基管壁温未知,设计... 详细信息

顺流基管是火电厂直接空冷岛关键部件,分析基管管内传热传质机理,对优化基管传热和空冷岛安全运行有重要意义。考虑基管几何特征和安装倾角,建立模拟蒸汽在基管内壁上冷凝的三维坐标数学模型。求解模型数值解时,假设基管壁温未知,设计迭代算法估算壁温。通过对比蒸汽凝结率数值解与设计值,管内换热系数数值解与Nusselt经验公式值,验证了模型的有效性。对模型数值解进一步分析发现,膜厚偏微分方程能正确描述基管几何特征和倾角影响下的液膜特性,汽液两相分离位置的预测值与直接空冷岛运行实际相符,凝结水过冷度数值解不能完全匹配实际测量值。本文的研究成果,为设计高效换热基管和空冷岛冬季防冻,提供了理论依据。

关键词：直接空冷岛顺流基管管内冷凝传热传质

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不同重力条件下管内冷凝现象研究进展

力学进展 2011年第6期41卷 702-710页

作者：赵建福彭浩中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190

本文对不同重力环境中水平管内冷凝气液两相流动与传热现象的研究现状进行了全面评介,重点关注于航天应用中的小管径、低流量和以氨为工质的情形,以及部分重力条件下冷凝现象中的重力效应.冷凝现象中管壁四周液膜的存在,导致水平管内冷... 详细信息

本文对不同重力环境中水平管内冷凝气液两相流动与传热现象的研究现状进行了全面评介,重点关注于航天应用中的小管径、低流量和以氨为工质的情形,以及部分重力条件下冷凝现象中的重力效应.冷凝现象中管壁四周液膜的存在,导致水平管内冷凝气液两相流与沸腾或绝热气液两相流在构型上存在着明显的不同,表面张力的作用增大,向波状和分层流转换所对应的临界Bond数也随之增大,进而使小管径、低流量水平管内冷凝气液两相流动与传热现象中的重力效应减弱,甚至可以忽略不计.实验发现该情形中摩擦压降要小于基于常规气液两相流实验数据的经验关联式的预测结果,而更接近光滑环状流情形;对冷凝两相传热系数的预测,只有采用基于空隙率与界面剪切率相互耦合的模型,才能够给出较好的结果.

关键词：微重力管内冷凝气液两相流压降传热系数

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R410A在竖直短管内冷凝换热特性的实验研究

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R410A在竖直短管内冷凝换热特性的实验研究

作者：许文云北京交通大学

学位级别：硕士

基于实验研究,探讨了制冷剂R410A饱和温度为38℃,质量流速范围为58～246kg m-2s-1,在内径为8.02mm和10.7mm,长度为300mm-600mm的竖直铜管内的冷凝换热特性。分析了质量流速、换热温差以及管几何参数对竖直短管内冷凝换热性能的影响。基... 详细信息

基于实验研究,探讨了制冷剂R410A饱和温度为38℃,质量流速范围为58～246kg m-2s-1,在内径为8.02mm和10.7mm,长度为300mm-600mm的竖直铜管内的冷凝换热特性。分析了质量流速、换热温差以及管几何参数对竖直短管内冷凝换热性能的影响。基于Nusselt理论,考虑了蒸气剪切力作用和竖直短管中的压降特性,建立了适用于竖直短管中的冷凝液膜模型。确定了不同边界条件下液膜厚度、蒸气冷凝速率和换热系数的沿程变化。通过可视化方法,观察了R410A蒸气在竖直槽道内的冷凝流型随着质量流速的变化,为竖直管中的冷凝换热特性的分析提供了依据。膜状冷凝中,剪切力的作用扮演着重要的角色。质量流速较大时,液膜的波动频率较快而波动幅度较小,蒸气对界面的作用主要以减薄液膜为主,流型也逐渐接近于竖直管中的环状流。竖直短管内冷凝换热实验发现,质量流速的增大,增大了蒸气冷凝速率,引起了整个壁面温度的升高。但界面蒸气剪切力作用的增强,减薄了冷凝液膜厚度,增强了换热性能。管长的改变对沿程液膜厚度以及冷凝速率的影响不大。管长越短入口段所占整个管长的比例越大,入口效应对冷凝换热的影响越大。另一方面,管长越短冷凝液在重力和蒸气剪切力作用下更容易排出管外。说明短管效应对冷凝换热的影响很显著。并根据实验数据给出了短管的广义定义。管径的增大不仅增大了换热面积,质量流速不变条件下也增大了蒸气冷凝速率。但由于面积的增大使得单位面积液膜的分布更薄,因此管径的增大增强了换热。温差是蒸气冷凝的驱动力。温差的增大引起了蒸气冷凝速率的增大,使液膜变厚增大了换热热阻,所以温差越大,换热性能越差。在不同质量流速下,不同几何结构的光滑竖直短管内,蒸气冷凝压降较小。质量流速和管几何结构对冷凝压降的影响不大。将实验数据与四个应用较为广泛的关联式的计算值进行了比较,发现这四种关联式预测值与实验值相比偏差较大。通过修正Chen[3]的关联式,建立了适用于竖直短管内的冷凝换热关联式,计算结果与实验值吻合较好。

关键词： R410A 管内冷凝换热特性竖直短管入口效应关联式

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钛内波外螺纹管管内冷凝传热性能研究

钛内波外螺纹管管内冷凝传热性能研究

作者：王怀振华东理工大学

学位级别：硕士

本文以钛制内波外螺纹管为研究对象,开展了蒸汽以及含高分率不凝气的混合蒸气水平管内冷凝试验,研究了内波外螺纹管的结构参数、蒸汽压力以及不凝气含量对管内冷凝传热的影响规律。试验结果表明,内波外螺纹管可有效强化管内冷凝传热,在... 详细信息

本文以钛制内波外螺纹管为研究对象,开展了蒸汽以及含高分率不凝气的混合蒸气水平管内冷凝试验,研究了内波外螺纹管的结构参数、蒸汽压力以及不凝气含量对管内冷凝传热的影响规律。试验结果表明,内波外螺纹管可有效强化管内冷凝传热,在试验范围内,管内冷凝传热系数最高可达光管的1.9倍。内波外螺纹管管外螺纹高度越高,强化效果越明显。与相同组合参数的波纹管相比,内波外螺纹管强化管内冷凝的效果更显著。不凝性气体对管内蒸汽冷凝传热有显著影响,随着混合气中不凝性气体比例的不断提高,内波外螺纹管与光管的管内冷凝传热系数均有大幅降低。与光管相比,内波外螺纹管管内冷凝传热系数降低的幅度更大,当蒸汽雷诺数为100000,不凝性气体比例为40%时,管内冷凝传热系数下降达80%。随着蒸汽流速的增大,管内冷凝传热系数对不凝性气体的敏感性减小。根据内波外螺纹管管内冷凝传热试验结果对釜式传热器进行了高效化改造设计。与钛光管冷凝器相比,传热面积减少31.58%即可满足工艺要求。钛冷凝器采用内波外螺纹管高效化改造可减少钛材用量,强化传热,实现节能的目的。

关键词：内波外螺纹管管内冷凝不凝性气体强化冷凝

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饱和氮气在V型纵槽管内冷凝传热的研究

浙江大学学报(工学版) 1985年第4期 58-66页

作者：林理和胡连方姚堤孙芝芳蔡楚芸陈和

本文就V型纵槽内强化饱和氮蒸汽的冷凝换热做了理论分析与实验研究。研究表明,管内光滑表面的平均冷凝换热系数在低热流下与努塞尔的理论计算值相一致,在高热流下由于凝液波动引起层流假设的偏离,实验值比理论值高20％左右;在给定内径下... 详细信息

本文就V型纵槽内强化饱和氮蒸汽的冷凝换热做了理论分析与实验研究。研究表明,管内光滑表面的平均冷凝换热系数在低热流下与努塞尔的理论计算值相一致,在高热流下由于凝液波动引起层流假设的偏离,实验值比理论值高20％左右;在给定内径下,管内纵槽数目对冷凝换热效果有较大影响,当内径为20毫米,槽宽与槽深比(P/H)为2时,纵槽数为32的平均冷冷凝换热系数比管内光滑表面高三倍以上;槽数为32,36,40的平均冷凝换热系数的实验值与理论值都吻合得很好。

关键词：管内冷凝槽数光滑管实验值热流密度冷凝换热冷凝液膜氮气工业气体

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汽相热阻法应用于水平管内冷凝过程的研究

化工学报 1987年第2期 176-184页

作者：黄鸿鼎卢伟天津大学化工系

建立了一个简明的物理模型及数学模型;对Bell和Ghaly的汽相热阻法作了一些补充和阐述.提出界面波纹对汽相热阻影响的修正因子V_r;推导出水平管内液池覆盖面积对液相传热系数影响的修正因子(θ/π)β,并拟合出β—θ的关联式.提出一个完... 详细信息

建立了一个简明的物理模型及数学模型;对Bell和Ghaly的汽相热阻法作了一些补充和阐述.提出界面波纹对汽相热阻影响的修正因子V_r;推导出水平管内液池覆盖面积对液相传热系数影响的修正因子(θ/π)β,并拟合出β—θ的关联式.提出一个完整的对流冷凝传热系数h_c的计算方法.实验数据表明Bell法偏低约10—15%,其原因是未考虑波纹对汽相热阻的影响.修正后的汽相热阻法计算的h_c值与实验结果相差±10%.

关键词：管内冷凝波纹修正因子汽相传热系数热阻法冷凝过程冷凝传热关联式

多组分蒸汽在水平管内冷凝传热的计算方法及验证

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化学工程 1988年第6期 16-21+28-3页

作者：思勤黄风廉黄鸿鼎天津大学

本文以Bell and Ghaly法(亦称气相热阻法)为基础,结合两相流流型的研究结果,提出多组分混合蒸汽在水平管内冷凝传热的计算方法。且用庚烷-己烷-氮气在空冷器内进行冷凝实验,计算值与实验值吻合较好,说明该法具有一定的可靠性和工程使用... 详细信息

本文以Bell and Ghaly法(亦称气相热阻法)为基础,结合两相流流型的研究结果,提出多组分混合蒸汽在水平管内冷凝传热的计算方法。且用庚烷-己烷-氮气在空冷器内进行冷凝实验,计算值与实验值吻合较好,说明该法具有一定的可靠性和工程使用价值。

关键词：管内冷凝液膜汽相传热系数冷凝传热热通量计算方法多组分