竖直低温星形翅片管流动沸腾及凝华结霜的研究

摘要

随着我国气体工业的快速发展,工业气体输配系统正朝着“液态化、管道化、专业化和社会化”的方向快速发展。在气体输配系统中,汽化器是一个十分关键的设备。与其它形式的汽化器相比,空浴式汽化由于其结构简单,使用维护方便,以及运行成本低等诸多优点而得到越来越多的使用。目前,我国空浴式汽化器的生产量和装备量都很大,但由于缺乏基础研究,国内厂家和用户对其基本原理和换热规律缺乏必要的了解,国产空浴式汽化器与国外产品相比存在很多不足,已导致了不必要的资源浪费和严重的安全事故。因此,针对空浴式汽化器涉及的基础传热问题开展基础理论和实验研究,全面了解空浴式汽化器的基本传热特征就成为一个十分紧迫的任务。
　　 空浴式汽化器由竖直并列的星形翅片管束组成,翅片管的传热特征就直接决定了汽化器的换热性能。本研究得到国家自然科学基金和上海市科委科技创新行动的资助,针对竖直星形翅片管内外存在的流动沸腾和凝华结霜开展理论和实验研究,主要从以下几个方面开展工作,并取得了一定的成绩:
　　 首先,建立了描述管内泡状流向弹状流转变过程的MUSIG模型,并借助CFD商业软件完成了数值求解工作,然后开展了可视化实验研究,获取了验证理论模型所需的重要参数。计算结果与实验数据的对比表明,本文建立的MUSIG模型能够准确预测泡状流向弹状流的转变过程,以及该过程中各两相流参数(如气泡直径、两相速度、弹状气泡形成高度等)的分布和变化情况。进一步分析表明,影响气泡聚合的因素很多,各因素在不同区域具有不同的作用。当空泡份额较低且气泡直径较小时,层流剪切为气泡聚合的主导因素;随着空泡份额的增大,湍流的作用愈发明显:当气泡直径增大到一定程度时,尾涡夹带开始起作用,并逐渐发展为气泡聚合的主导因素。
　　 其次,本文建立了描述翅片管外霜层生长和传热的理论模型。该模型综合考虑了由于自然对流、水蒸气凝华和辐射传热等几种机理,能够预测翅片管表面的霜层生产过程和管内各区长度的分布和变化过程,并能描述各种传热机理随霜层厚度的变化情况。
　　 最后,本文开展了竖直星形翅片管流动沸腾及凝华结霜的实验研究。实验结果表明,操作参数和环境参数等都对翅片管的结霜和传热存在影响,其中,环境湿度的影响最为明显。同时,随着霜层厚度的不断增大,翅片管的水力特征也由于管内两相流流动状态的改变而发生变化。
　　 本文研究所形成的结论对于两相流理论和空浴式汽化器基础理论的完善都具有积极意义,为今后制定相关标准奠定了必要的理论基础。