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波纹板蒸发式冷凝器流体流动特性及传热实验研究

作　者: 孙荷静
导　师: 朱冬生
学　校: 华南理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 蒸发式冷凝器波纹板 CFD模拟传热降膜
分类号: TQ051.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着我国国民经济的快速发展,能源相对不足的矛盾日突出,第十一届双代会上,“低碳经济”成为议题的焦点,它代表了社会发展的一个方向。节能节水已经成为我国能源发展中长期规划的目标和重大需求。节能是国家发展经济的一项长远战略方针,也是解决当今能源问题的首要途径;提高水的重复利用率是节水的首要途径。蒸发式冷凝器作为一种节能节水的新型高效换热设备,在我国能源与水资源日趋紧张的今天得到了快速的发展和应用。本文主要对波纹板蒸发式冷凝器进行了以下几个方面研究:1.波纹板板内结构的优化,及板外气液两相降膜流动特性的研究。建立了板外气液两相降膜流动的三维计算模型,利用计算流体力学(CFD)软件Fluent进行了模拟,研究了喷淋水量、风量、风向及不同的波纹结构对水膜流动特性的影响,并分析了它们对波纹板蒸发式冷凝器的传热影响机理。结果表明:水膜厚度随水量的增大而增大,空气与水并流比逆流更有利于利用液体薄膜强化传热这一特性;较小的h/λ有助于连续液膜的形成。2.波纹板板间传热的数值模拟。建立了板外气液两相传热的二维计算模型,研究了壁面热流密度、冷却水喷淋密度、不同气相进口速度、板间距等因素对降膜传热的影响,并结合传热学理论进行分析,结果表明:热流密度对壁面温度、气液界面温度的影响是线性的;在相同的热流密度下,随着喷淋密度的增加,界面温度相应降低;增大气相流速或者缩小板间距可以起到强化传热的作用。3.波纹板蒸发式冷凝器传热实验研究,及可视化对比分析。建立了波纹板蒸发式冷凝器传热性能实验平台。研究了不同风向操作(气-液两相并流、逆流与错流)、喷淋密度、风量对波纹板蒸发式冷凝器传热性能的影响,结果表明:当风速一定,在并流操作下,Γ为0.072kg/m·s,热流密度最大值为13.82 kW/m2;错流时,热流密度随喷淋密度的变化不太,最佳喷淋密度在0.053kg/m·s左右;逆流时,在Γ大于0.062kg/m·s时,热流密度随喷淋水的变化很小,约在0.072kg/m·s处达到最大值11.89 kW/m2。喷淋密度一定,并流操作下,风速达到2.5 m/s后,热流密度的增加很不明显;错流时,风速为2.0m/s,热流密度最大值为12.6 kW/m2;逆流时,风速为2.0m/s,热流密度最大值为11.71kW/m2;实验范围内,并流操作最优,错流次之,逆流最差。最后,对波纹板片、板管板片、口琴板片三种板型的传热性能进行了比较。采用红外摄像仪对波纹板蒸发式冷凝器的温度场进行了可视化分析,对波纹板蒸发式冷凝器CFD模拟与实验研究进行对比,结果表明,本文建立的数学模型与实验研究的结果吻合甚好。本课题通过对波纹板蒸发式冷凝器流体流动特性及传热实验研究,丰富了蒸发式冷凝器的理论研究体系,为进一步研究波纹板蒸发式冷凝器的性能及结构优化设计提供了参考。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
物理量名称及符号表  10-15
第一章绪论  15-33
  1.1 研究背景  15-23
    1.1.1 我国能源资源利用现状及政策  15-16
    1.1.2 冷凝器的传热过程及类型  16
    1.1.3 蒸发式冷凝器的原理及分类  16-23
  1.2 蒸发式冷凝器的研究进展  23-28
    1.2.1 国外研究进展  23-25
    1.2.2 国内研究进展  25-28
  1.3 气液两相流传热及流动特性研究进展  28-30
  1.4 课题来源、主要研究内容  30-32
    1.4.1 课题来源  30-31
    1.4.2 主要研究内容  31
    1.4.3 创新之处与主要特色  31-32
  1.5 本章小结  32-33
第二章波纹板蒸发式冷凝器传热过程与理论分析  33-44
  2.1 前言  33
  2.2 传热过程分析  33-37
  2.3 传热传质系数分析与计算  37-39
    2.3.1 冷凝传热系数  37
    2.3.2 冷凝过程的强化  37-38
    2.3.3 水膜对流传热系数  38-39
    2.3.4 空气对流传热系数  39
    2.3.5 水膜空气当量传热系数  39
  2.4 板式蒸发式冷凝器设计  39-43
    2.4.1 设计计算方法介绍  39-40
    2.4.2 蒸发式冷凝器设计的软件开发  40-43
  2.5 本章小结  43-44
第三章流体流动CFD 模拟  44-58
  3.1 前言  44
  3.2 物理模型  44-46
    3.2.1 板内流体流动物理模型  45-46
    3.2.2 板外气液两相降膜流动的物理模型  46
  3.3 数学模型  46-52
    3.3.1 控制方程  46-47
    3.3.2 动量源的确定  47-48
    3.3.3 初始条件  48-49
    3.3.4 边界条件  49-50
    3.3.5 网格划分与计算方法  50-52
  3.4 结果与分析  52-57
    3.4.1 板内流场模拟结果分析  52-54
    3.4.2 板外流体流动特性模拟结果与分析  54-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章流体传热的CFD 模拟  58-67
  4.1 前言  58
  4.2 物理模型  58
  4.3 数学模型  58-60
    4.3.1 控制方程  58-59
    4.3.2 初始条件  59
    4.3.3 边界条件  59-60
    4.3.4 网格划分与计算方法  60
  4.4 结果与分析  60-66
    4.4.1 壁面热流密度的影响  61-62
    4.4.2 不同液相进口条件的影响  62-64
    4.4.3 不同气相进口速度的影响  64-65
    4.4.4 板间距的影响  65-66
  4.5 本章小结  66-67
第五章传热性能实验研究  67-79
  5.1 实验目的  67
  5.2 实验装置、操作及测试方法  67-70
    5.2.1 实验装置  67-69
    5.2.2 实验操作  69
    5.2.3 测试方法  69-70
  5.3 实验数据处理  70-71
    5.3.1 冷却循环水喷淋密度的计算  70
    5.3.2 迎面风速的计算  70
    5.3.3 热负荷的计算  70
    5.3.4 总传热系数和热流密度的计算  70-71
  5.4 实验误差分析  71
  5.5 实验结果分析  71-78
    5.5.1 喷淋水量影响分析  71-73
    5.5.2 风速影响分析  73-75
    5.5.3 风向影响分析  75-76
    5.5.4 不同板型的比较分析  76-77
    5.5.5 红外热像结果分析  77-78
  5.6 本章小结  78-79
结论  79-81
参考文献  81-87
攻读硕士学位期间取得的研究成果  87-88
致谢  88

波纹板蒸发式冷凝器流体流动特性及传热实验研究

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