水平管束外膜状凝结换热试验与理论研究

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。

目录

水平管束外膜状凝结换热试验与理论研究

EXPERIMENT AND THEORY OF FILMCONDENSATION HEAT TRANSFER ONHORIZONTAL TUBE BUNDLE

摘 要

Abstract

物理量名称及符号表

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 水平单管外层流膜状凝结换热研究进展

1.3 水平管束外膜状凝结换热研究进展

1.4 本文研究内容

第2章 水平管束外膜状凝结换热问题分析

2.1 水平管束中凝液的分类与定义

2.2 水平管束外膜状凝结换热现象的描述

2.3 水平管束外膜状凝结换热问题的特点

2.4 水平管束外膜状凝结换热问题的求解思路

2.5 水平管束外膜状凝结换热问题的探索路线

2.6 本章结论

第3章 试验方法与误差控制方法

3.1 水平管外膜状凝结换热试验方法

3.2 试验误差计算方程

3.3 试验误差分析

3.4 试验误差控制方法

3.5 本章结论

第4章 水平管外冷凝换热试验系统建设

4.1 试验系统设计

4.2 试验系统实施

4.3 试验系统调试与检验

4.4 本章结论

第5章 水平单管外膜状凝结换热试验

5.1 试验概述

5.2 试验结果

5.3 二维与三维肋管膜状凝结换热试验模型

5.4 本章结论

第6章 水平单管外膜状凝结换热理论分析

6.1 水平单管膜状凝结换热理论建模基础

6.2 水平二维肋管外层流膜状凝结换热模型的建立

6.3 自相似强化因子模型的建立

6.4 基于自相似强化因子的膜状凝结换热强化机理分析

6.5 本章结论

第7章 水平管束外膜状凝结换热试验

7.1 试验概述

7.2 试验结果

7.3 本章结论

第8章 水平管束外膜状凝结换热理论分析

8.1 经典水平管束外膜状凝结凝结换热问题理论解

8.2 水平光管管束外膜状凝结换热理论模型的建立

8.3 基于Beatty-Katz 模型的水平二维肋管管束模型

8.4 本章结论

第9章 水平管束外膜状凝结管束效应控制方法

9.1 引言

9.2 导液器对管束外膜状凝结换热影响试验概况

9.3 V 型导液槽对管束膜状凝结换热影响试验结果

9.4 锚型导液器对管束膜状凝结换热影响试验结果

9.5 导液器对卧式冷凝管束结构与热工设计影响

9.6 带导液器卧式壳管式冷凝器实例分析

9.7 本章结论

结 论

参考文献

附录1 小周期标定冷却水温升测试方法

附录2 试验系统测试子系统的实施

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历