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水平管束外膜状凝结换热试验与理论研究

作　者: 马志先
导　师: 张吉礼
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 膜状凝结水平管束冷凝换热管束效应试验理论
分类号: TK172
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

卧式管束外冷凝换热设备广泛应用于能源动力、石油化工、制冷空调等高能耗领域。工质在水平管束外膜状凝结换热是该类设备设计开发面临的关键基础问题，它的有效解决是进一步开发相关强化传热技术、自主研发高效卧式管束外冷凝换热设备、提高相关领域能源效率的基础。然而，受水平管束外膜状凝结换热问题复杂程度高、试验成本高与试验误差控制难度大等因素影响，水平管束外膜状凝结换热理论长期发展缓慢，导致当前水平管束外膜状凝结换热新问题仍依赖试验求解。而在国内，针对水平管束外膜状凝结换热的研究刚刚起步，试验与理论研究基础薄弱。因此，本文针对水平管束外膜状凝结换热试验与理论，开展了系统的研究工作。首先，为从试验层面高精度求解水平管束外的膜状凝结换热问题，本文提出了两种冷凝换热试验测试新方法：1）高精度获取水平管束冷凝换热管束效应的同源法；2）利用热电偶高精度获取水平外冷凝传热系数的小周期标定法。基于两种新方法提出了系统的试验误差控制方法，并结合试验方法与误差控制方法的要求提出了水平管外冷凝换热试验系统的建设方案，系统的完成了试验系统的设计、实施、调试与检验，建立了水平管外冷凝换热试验平台。试验研究了工质、工况、换热管、管束构成与不凝性气体等因素对水平管外冷凝换热的影响，综合考察了试验系统的性能，并为后续理论研究工作提供必要的数据支撑。其次，为从理论层面求解（或描述）水平单管外膜状凝结换热问题，本文基于Nusselt层流膜状凝结换热理论与表面张力对二维肋管外凝结换热影响理论分析，提出了几类水平二维肋管单管膜状凝结换热模型的标准形式，并进一步结合试验结果分析，提出了较完善的二维肋管膜状凝结换热半经验模型。为从理论层面描述肋管强化膜状凝结换热问题，本文基于层流膜状凝结换热极值问题的构造与求解，提出了自相似强化因子的概念，建立了自相似强化因子模型，并借助自相似强化因子分析了肋管强化膜状凝结换热的机理。自相似强化因子概念与模型的提出为认清强化换热现象的本质、指导强化换热表面的设计与发展奠定了基础。第三，为从理论层面求解水平管束外膜状凝结换热问题，本文提出了系统的水平管束外膜状凝结换热问题建模方法，建立了水平光管管束膜状凝结换热模型，建立了不考虑表面张力的水平二维肋管管束膜状凝结换热模型。建模工作取得了四项突破：1）提出了管束中凝液的分类与定义方法，明确了广义与狭义管束效应的概念；2）试验研究了三类凝液（本体凝液、迁移凝液与作用凝液）对水平管外膜状凝结换热影响的差异，并结合理论分析提出了各类凝液对膜状凝结换热影响的描述方法；3）提出了管束中迁移凝液流型的标准化处理方法，提出了流型标准化处理后管束换热面上对应换热问题的处理方法；4）引入“排挤”的概念来刻画迁移凝液所致凝液波动对管束换热面上膜状凝结换热影响，结合试验与理论分析确定了排挤对膜状凝结换热影响的描述方法。本文建立的水平光管管束膜状凝结换热模型，在考虑因素的全面性、预测值与试验结果的一致性方面均明显优于常规模型，提出的系统的管束外膜状凝结换热问题建模方法与二维肋管管束模型为进一步完善二维肋管管束模型与发展三维肋管管束模型奠定了基础。第四，为从技术层面突破强化水平管束外膜状凝结换热面临的管束效应问题，提出了在管束中添加导液器来控制管束效应的方法与技术措施，试验验证了方法的有效性、探索了技术措施的失效模型及其影响，探讨了添加导液器对管束结构与热工设计影响、并结合实例分析了该技术措施的收益。试验结果表明，在管束中添加导液槽可有效控制迁移凝液影响，技术措施应用得当可显著提高管束综合换热能力、大幅降低管材消耗；技术措施应用不当会恶化管束冷凝换热。本文工作为从试验与理论两个层面求解水平管束外膜状凝结换热问题、从技术层面解决强化管束膜状凝结换热问题开辟了新思路，对促进水平管束外膜状凝结换热理论的发展具有重要的科学价值和学术意义，对提高能源动力和空调制冷等领域冷凝换热设备的能源利用效率、实现节能减排具有重要的社会发展意义和经济价值。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
物理量名称及符号表  8-20
第1章绪论  20-56
  1.1 课题背景与研究意义  20-24
    1.1.1 水平管束外膜状凝结换热理论发展面临的困难  20-23
    1.1.2 研究意义  23-24
  1.2 水平单管外层流膜状凝结换热研究进展  24-44
    1.2.1 光管单管外膜状凝结换热理论与试验  24-26
    1.2.2 二维肋管单管外膜状凝结换热理论与试验  26-40
    1.2.3 三维肋管单管外膜状凝结理论与试验  40-43
    1.2.4 水平管外膜状凝结换热强化方法及其评价指标  43-44
  1.3 水平管束外膜状凝结换热研究进展  44-53
    1.3.1 水平管束中凝液流型判定准则  44-46
    1.3.2 光管管束外膜状凝结换热理论与试验  46-49
    1.3.3 二维肋管管束外膜状凝结换热理论与试验  49-51
    1.3.4 三维肋管管束外膜状凝结换热理论与试验  51-53
  1.4 本文研究内容  53-56
    1.4.1 工作基础  53-54
    1.4.2 研究内容  54-56
第2章水平管束外膜状凝结换热问题分析  56-62
  2.1 水平管束中凝液的分类与定义  56-57
  2.2 水平管束外膜状凝结换热现象的描述  57-58
  2.3 水平管束外膜状凝结换热问题的特点  58-59
  2.4 水平管束外膜状凝结换热问题的求解思路  59-60
  2.5 水平管束外膜状凝结换热问题的探索路线  60-61
  2.6 本章结论  61-62
第3章试验方法与误差控制方法  62-88
  3.1 水平管外膜状凝结换热试验方法  62-69
    3.1.1 试验原理  62-64
    3.1.2 冷凝传热系数试验方法  64-68
    3.1.3 管束效应试验方法  68-69
  3.2 试验误差计算方程  69-74
    3.2.1 误差分析原理  69-71
    3.2.2 T&Q Wilson 图解法误差分析方程  71-73
    3.2.3 冷凝传热系数试验误差分析方程  73-74
    3.2.4 常规法管束效应试验误差分析方程  74
  3.3 试验误差分析  74-78
    3.3.1 误差分析实例的构造  74-75
    3.3.2 冷凝传热系数试验误差分析  75-77
    3.3.3 管束效应试验误差分析  77-78
    3.3.4 冷凝传热系数试验误差与管束效应试验误差关系  78
  3.4 试验误差控制方法  78-86
    3.4.1 试验误差控制策略  79
    3.4.2 冷凝传热系数试验误差控制方法  79-82
    3.4.3 同源法管束效应试验误差控制方法  82-85
    3.4.4 试验误差控制方法的有效性  85-86
  3.5 本章结论  86-88
第4章水平管外冷凝换热试验系统建设  88-109
  4.1 试验系统设计  88-103
    4.1.1 试验系统原理图  88-90
    4.1.2 制冷工质循环子系统  90-95
    4.1.3 循环水子系统  95-98
    4.1.4 监测与数据采集子系统  98-100
    4.1.5 辅助系统  100-103
  4.2 试验系统实施  103
  4.3 试验系统调试与检验  103-108
    4.3.1 试验系统调试  104-105
    4.3.2 试验系统检验  105-108
  4.4 本章结论  108-109
第5章水平单管外膜状凝结换热试验  109-133
  5.1 试验概述  109-113
    5.1.1 试验工质  109-110
    5.1.2 试验换热管  110-112
    5.1.3 试验工况  112-113
    5.1.4 试验数据处理与误差分析  113
  5.2 试验结果  113-127
    5.2.1 传热系数  113-114
    5.2.2 T&Q Wilson 图解法试验结果  114-116
    5.2.3 冷凝传热系数  116-121
    5.2.4 部分因素对膜状凝结换热影响  121-127
  5.3 二维与三维肋管膜状凝结换热试验模型  127-131
    5.3.1 试验数据的预处理  127-129
    5.3.2 2D 肋管试验模型  129-130
    5.3.3 3D 肋管试验模型  130-131
  5.4 本章结论  131-133
第6章水平单管外膜状凝结换热理论分析  133-160
  6.1 水平单管膜状凝结换热理论建模基础  133-140
    6.1.1 Nusselt 层流膜状凝结换热模型的变换  133-134
    6.1.2 几种二维肋管膜状凝结换热模型的标准形式  134-138
    6.1.3 常规膜状凝结换热强化因子模型的标准形式  138-140
  6.2 水平二维肋管外层流膜状凝结换热模型的建立  140-146
    6.2.1 试验结果与模型预测值的对比分析  140-143
    6.2.2 试验结果与常用模型预测值偏差分析  143-145
    6.2.3 二维肋管膜状凝结换热模型的建立  145-146
  6.3 自相似强化因子模型的建立  146-156
    6.3.1 常规膜状凝结换热强化因子试验结果分析  146-149
    6.3.2 常规膜状凝结换热强化因子模型的缺陷  149-150
    6.3.3 自相似强化因子模型  150-156
  6.4 基于自相似强化因子的膜状凝结换热强化机理分析  156-158
    6.4.1 自相似强化因子模型的物理内涵  156-157
    6.4.2 二维与三维肋管强化膜状凝结换热机理  157-158
  6.5 本章结论  158-160
第7章水平管束外膜状凝结换热试验  160-183
  7.1 试验概述  160-162
    7.1.1 试验管束  160-161
    7.1.2 试验工况  161
    7.1.3 试验数据处理与误差分析  161-162
  7.2 试验结果  162-181
    7.2.1 传热系数  162-163
    7.2.2 T&QWilson 图解法试验结果  163-166
    7.2.3 基于排深的管束外膜状凝结换热试验结果  166-172
    7.2.4 基于热通量的管束外膜状凝结换热试验结果  172-176
    7.2.5 部分因素对管束外膜状凝结换热影响  176-181
  7.3 本章结论  181-183
第8章水平管束外膜状凝结换热理论分析  183-205
  8.1 经典水平管束外膜状凝结凝结换热问题理论解  183-185
    8.1.1 竖壁与水平管束换热面的对应关系  183-184
    8.1.2 Nusselt 竖壁层流膜状凝结理论解  184
    8.1.3 Nusselt 水平管束外层流膜状凝结理论解  184-185
  8.2 水平光管管束外膜状凝结换热理论模型的建立  185-198
    8.2.1 三类凝液对膜状凝结换热影响试验分析  185-189
    8.2.2 不同凝液对管外膜状凝结换热影响数学描述  189-194
    8.2.3 水平光管管束外膜状凝结换热模型建立  194-196
    8.2.4 模型与试验结果对比分析  196-197
    8.2.5 小结  197-198
  8.3 基于 Beatty-Katz 模型的水平二维肋管管束模型  198-203
    8.3.1 凝液性质对二维肋管外膜状凝结换热影响  199-202
    8.3.2 水平二维肋管管束膜状凝结换热模型  202-203
  8.4 本章结论  203-205
第9章水平管束外膜状凝结管束效应控制方法  205-224
  9.1 引言  205-206
  9.2 导液器对管束外膜状凝结换热影响试验概况  206-208
    9.2.1 V 型导液槽对膜状凝结换热影响试验  206-207
    9.2.2 带导流板锚型导液器对膜状凝结换热影响试验  207-208
  9.3 V 型导液槽对管束膜状凝结换热影响试验结果  208-213
    9.3.1 光管管束  208-210
    9.3.2 三维肋管  210-211
    9.3.3 V 型导液槽对膜状凝结换热不利影响分析  211-213
  9.4 锚型导液器对管束膜状凝结换热影响试验结果  213-218
    9.4.1 光管管束  213-215
    9.4.2 二维肋管  215-216
    9.4.3 三维肋管  216-218
  9.5 导液器对卧式冷凝管束结构与热工设计影响  218-219
    9.5.1 导液器对卧式冷凝管束结构影响  218-219
    9.5.2 导液器对卧式冷凝管束热工设计影响  219
  9.6 带导液器卧式壳管式冷凝器实例分析  219-222
    9.6.1 水平光管管束热工设计基础  219-220
    9.6.2 卧式壳管式冷凝器管束拓扑结构  220-221
    9.6.3 实例分析结果  221-222
  9.7 本章结论  222-224
结论  224-227
参考文献  227-237
附录 1 小周期标定冷却水温升测试方法  237-239
附录 2 试验系统测试子系统的实施  239-244
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  244-247
致谢  247-249
个人简历  249

水平管束外膜状凝结换热试验与理论研究

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