高温热管翅性能及其强化传热过程的研究

摘要

本文工作重点是研究高温热管翅性能及其强化传热过程,主要作了如下几项内容:1、对高温热管翅起动性能进行研究:运用分子运动论理论,从理论上分析了高温热管翅起动时管内蒸汽从分子流动转向连续流动的过程,将高温热管翅的起动过程划分为五个阶段;根据高温热管翅内工作介质在固体状态下能否顺利起动,建立了高温热管翅成功起动极限判据(FSL≥1).对目前国内外最小的高温热管翅(直径为25mm,长度为60mm)进行起动性能试验测试.2、对高温热管翅的温度特性进行研究:用热阻网络模型分析了高温热管翅复杂的传热过程,理论计算得到高温热管翅的热阻值,结果表明在蒸汽腔直径一定的情况下,短的高温热管翅热阻偏大.3、对高温热管翅的传热极限进行分析:依据文献分析各种传热极限的理论模型.理论分析表明高温热管翅主要受到声速传热极限、携带传热极限的限制,特别是500℃左右时声速传热极限明显制约着高温热管翅的传热能力.4、对高温热管翅内工作介质流动过程进行了分析:首先建立了高温热管翅内二维蒸汽流动理论模型,数值计算结果表明在最大传热量下蒸汽连续流动时蒸发段有明显的不等温性,存在着一定的压力损失;长度为300mm,蒸汽腔直径为18mm的热管翅蒸发段末端温度与始端温度比为0.91,压力比为0.57.5、对高温热管翅强化管内换热过程进行数值模拟:确立高温热管翅强化管内换热过程的数学模型,利用FLUENT软件数值模拟结果表明采用k-ε模型能较合理的反映高温热管翅强化管内换热能力,直观地表征高温热管翅强化管内换热的温度场、速度场以及对流换热系数的分布状况;管内插入高温热管翅片,对流换热系数加大,管内换热能力明显提高;对流换热系数的分布还表明第一排翅片管的对流换热系数高于第二排翅片管的对流换热系数;随流量的增加,对流换热系数增大.6、对高温热管翅强化管内换热过程进行试验研究:用12根高温热管翅建立一套完整的强化管内换热试验装置,试验结果表明高温热管翅作为翅片在管内工作运转正常;带有热管翅的管道换热系数随流量增加而增大;管内第一排高温热管翅片的对流换热系数高于第二排的对流换热系数;高温热管翅强化传热性能明显高于光管的传热性能,当流体处于过渡流动时,带有热管翅片的管内换热努谢尔准则数Nu与光管内努谢尔准则数Nu的比值范围约为3.6~4.4;当流体处于湍流流动时,带有热管翅片的管内换热努谢尔准则数Nu与光管内努谢尔准则数Nu的比值范围约为6.5~7.0,并由试验数据整理得到管内强化湍流换热的准则数方程为Nu=0.4214Re<'0.6775>;将试验值与相关文献中各种强化管内换热数据相比,明显表明热管翅片强化管内换热能力较强;将试验值与数值模拟值比较发现试验值与理论值基本吻合.

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第1章绪论

1.1本课题的研究背景

1.2高温热管翅的特点

1.3高温热管翅强化传热过程的可行性分析

1.4高温热管翅的应用前景

1.5高温热管翅的研究状况及本课题的研究内容与意义

1.6本章小结

1.7参考文献

第2章高温热管翅起动性能的研究

2.1高温热管翅起动过程的理论分析

2.2高温热管翅冷冻起动极限理论分析

2.3高温热管翅起动过程的试验分析

2.3.1试验装置与测试系统

2.3.2试验结果分析

2.3.3试验结果与理论结果的比较

2.3.4试验结果与文献结果比较

2.3.5试验结果与普通高温热管试验结果比较

2.3.6高温热管翅冷冻起动极限的试验研究

2.4本章小结

2.5参考文献

第3章高温热管翅温度特性分析

3.1高温热管翅热阻分析

3.1.1高温热管翅热阻网络模型

3.1.2高温热管翅热阻计算结果分析

3.1.3高温热管翅热阻试验值分析

3.2高温热管翅瞬态过程分析

3.2.1高温热管翅瞬态温度反应模型

3.2.2高温热管翅瞬态过程试验分析

3.2.3试验结果与理论结果比较

3.3本章小结

3.4参考文献

第4章高温热管翅传热极限的理论分析

4.1高温热管翅的传热极限模型

4.1.1蒸汽连续流动极限

4.1.2粘性传热极限

4.1.3声速传热极限

4.1.4携带传热极限

4.1.5毛细传热极限

4.1.6沸腾传热极限

4.2高温热管翅传热极限理论结果分析

4.2.1连续流动传热极限讨论

4.2.2粘性传热极限讨论

4.2.3声速传热极限讨论

4.2.4携带传热极限讨论

4.2.5毛细传热极限讨论

4.2.6沸腾传热极限讨论

4.2.7各种传热极限比较

4.3本章小结

4.4参考文献

第5章高温热管翅内工作介质的流动过程分析

5.1高温热管翅内蒸汽流动参数分析

5.1.1高温热管翅内蒸汽连续流动基本方程

5.1.2方程的化简与求解

5.1.3数值计算结果分析

5.2高温热管翅吸液芯内液体流动压降分析

5.3本章小结

5.4参考文献

第6章高温热管翅强化管内换热的数值模拟

6.1高温热管翅强化管内换热过程分析

6.1.1高温热管翅扩展传热表面的形成过程

6.1.2高温热管翅强化管内换热能力分析

6.2高温热管翅强化管内换热的数学模型

6.2.1湍流模型概述

6.2.2数学模型

6.3数值计算方法的确定及软件选取

6.3.1数值计算方法确定

6.3.2有限容积法的CFD软件概述

6.4数值计算过程

6.4.1几何模型

6.4.2初始条件和边界条件

6.5数值计算结果分析

6.5.1速度场的分析

5.5.2温度场的分析

5.5.3对流换热系数的分析

6.6本章小结

6.7参考文献

第7章高温热管翅强化管内换热的试验研究

7.1试验装置与测试系统

7.2试验数据处理与结果分析

7.2.1试验数据处理

7.2.2试验结果分析

7.3试验结果与文献结果比较

7.4试验值与数值计算结果比较

7.5本章小结

7.6参考文献

第8章结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文