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R134a卧式螺旋管内流动沸腾阻力及传热特性研究

作　者: 吴贤栋
导　师: 邵莉
学　校: 山东大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 卧式螺旋管沸腾流动与换热 R134a 数值模拟
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

螺旋管是一种较为特殊的管道。其结构紧凑,有利于一体化布置;卧式放置时重心较低,适用于对空间要求苛刻的场合,如军舰、潜艇、空间站等;换热效率高,由于流体在螺旋通道内流动时受离心力作用在横截面上形成二次流,二次流与主流的叠加运动形式起到了强化换热的作用,其换热性能优于直管。目前对于螺旋管内流动沸腾的研究大多是针对蒸汽-水的临界热流密度,干涸后传热等问题,关于制冷剂R134a在卧式螺旋管内流动沸腾阻力与传热特性的研究不多。当螺旋管卧式放置时,由于离心力和重力的夹角不断变化,卧式螺旋管内气液两相流动较直管中更为复杂。而现有经验关系式和模型的误差较大,适应的参数范围也比较窄。因此,对卧式螺旋管内流动沸腾阻力及传热特性进行深入研究具有非常重要的意义。本文搭建了两相流实验台,以绿色环保制冷剂R134a为工质,在质量流量G=150～550kg/m~2·s,热流密度q=2.0～20kw/m~2,干度x=0.1～0.85的参数范围内,对卧式螺旋管内流动沸腾阻力与传热特性进行了研究,并对卧式螺旋管的强化换热机理进行了分析。主要工作如下:(1)实验台的搭建是本文工作的基础。首先对实验系统的流程进行了设计。在设备选型和购置过程中,对各种所需设备进行了广泛的调研。委托加工了实验段、预热段、铠装热电偶、稳压罐、透明螺旋管实验段以及各种非标准管接头等。自行加工了测量管壁温度的铜—康铜热电偶,并通过高精度恒温水浴对每一只自制热电偶进行了校验。利用自粘式绝缘胶带将热电偶紧紧地缠裹在管壁上,并对安装后热电偶的测温准确性重新进行了检验,测温精度满足要求。系统组建完成后,对其进行反复的气密性、耐压及抽真空试验,直至达到实验要求。(2)利用特制的耐压透明尼龙螺旋管管圈实现了对管内流动沸腾流型的观察与拍摄。观察到的流型主要有泡状流、弹状流(塞状流)、分层流、波状流以及环状流,并对各种流型的形成及变化作了相应的分析。(3)对卧式螺旋管沿管长方向和圆周截面方向管外壁面温度的分布和换热系数进行研究,给出了卧式螺旋管沿管长方向和圆周截面方向管外壁面温度规律以及局部换热系数的变化趋势。分析了质量流量和热流密度的变化对卧式螺旋管内局部沸腾换热系数的影响,将结果与水平直管内局部沸腾换热系数的实验值及经验关系式进行了比较。(4)对卧式螺旋管内流动沸腾的阻力特性进行了研究,获得流动压降随质量流量和压力的变化规律,将实验结果与水平直管内压降实验值及经验关系式进行了比较,利用Martinelli参数关联法,发展了流动沸腾摩擦阻力计算关联式。(5)对五种不同结构参数的卧式螺旋管进行了管内R134a单相流动的数值模拟,得到了流动过程中管内的温度场和速度场分布规律,分析了结构参数和流动参数的变化对卧式螺旋管传热及阻力性能的影响,为今后卧式螺旋管换热器的设计和优化提供了参考依据。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
符号说明  11-13
第一章绪论  13-28
  1.1 课题提出的背景及意义  13
  1.2 国内外研究现状  13-27
    1.2.1 水平直管内流动沸腾传热特性  13-18
    1.2.2 水平直管内流动沸腾阻力特性  18-21
    1.2.3 螺旋管内流动沸腾传热特性  21-25
    1.2.4 螺旋管内流动沸腾阻力特性  25-27
  1.3 本文研究内容  27-28
第二章实验系统搭建与数据处理  28-37
  2.1 实验系统简介  28-29
    2.1.1 实验系统结构及主循环回路  28-29
    2.1.2 加热系统  29
    2.1.3 冷却回路  29
  2.2 实验段  29
  2.3 实验参数测量及数据采集  29-31
    2.3.1 实验参数测量  29-30
    2.3.2 数据采集  30-31
  2.4 实验数据的处理  31-32
    2.4.1 干度  31
    2.4.2 壁温  31-32
    2.4.3 换热系数  32
  2.5 实验系统的调试及实验方法  32-36
    2.5.1 实验系统的调试  32-33
    2.5.2 实验方法  33-36
  2.6 小结  36-37
第三章卧式螺旋管内流动沸腾过程的流型  37-42
  3.1 直管内流动沸腾流型  37-38
    3.1.1 垂直流动流型  37-38
    3.1.2 水平流动流型  38
  3.2 卧式螺旋管内流动沸腾流型的实验结果与分析  38-41
    3.2.1 泡状流流型  39-40
    3.2.2 弹状流(塞状流)流型  40
    3.2.3 分层流与波状流流型  40-41
    3.2.4 环状流流型  41
  3.3 小结  41-42
第四章卧式螺旋管内流动沸腾传热特性  42-50
  4.1 卧式螺旋管外壁温度分布特性  42-44
    4.1.1 外壁温度轴向分布特性  42-43
    4.1.2 外壁温度周向分布特性  43-44
  4.2 卧式螺旋管内流动沸腾换热系数  44-47
    4.2.1 换热系数轴向分布特性  44-45
    4.2.2 换热系数周向分布特性  45
    4.2.3 质量流量对换热系数的影响  45-46
    4.2.4 热流密度对局部换热系数的影响  46-47
  4.3 与水平直管内局部换热系数的比较  47-48
  4.4 小结  48-50
第五章卧式螺旋管内流动沸腾阻力特性  50-58
  5.1 卧式螺旋管内流动沸腾压降的计算及处理方法  50-52
    5.1.1 流动沸腾压降的计算  50-51
    5.1.2 流动沸腾压降实验数据的处理  51-52
  5.2 水平直管内流动沸腾压降的计算  52-53
  5.3 实验结果与分析  53-55
    5.3.1 质量流量和系统压力对压降的影响  53-54
    5.3.2 与水平直管内压降的比较  54-55
  5.4 卧式螺旋管内流动沸腾摩擦阻力压降关联式的建立  55-57
  5.5 小结  57-58
第六章卧式螺旋管内单相流动的数值模拟  58-71
  6.1 模型结构参数及计算工况的选取  58-59
  6.2 几何模型的建立及网格的划分  59-60
  6.3 模型计算的设定  60-63
    6.3.1 工质物性的选取  60
    6.3.2 边界条件的确定  60-61
    6.3.3 紊流流动模型的确定  61-63
    6.3.4 模型的计算方法  63
  6.4 模拟结果与分析  63-70
    6.4.1 卧式螺旋管内速度和温度分布  64-66
    6.4.2 流速对换热系数和压力损失的影响  66-67
    6.4.3 热流密度对平均换热系数和压力损失的影响  67-68
    6.4.4 节距对平均换热系数和压力损失的影响  68-69
    6.4.5 d/D对平均换热系数和压力损失的影响  69-70
  6.5 小结  70-71
第七章全文总结  71-74
  7.1 本文工作总结  71-73
  7.2 展望  73-74
参考文献  74-79
致谢  79-80
学位论文评阅及答辩情况表  80

R134a卧式螺旋管内流动沸腾阻力及传热特性研究

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