戊烷-水直接接触相变换热的实验研究与理论分析

摘要

直接接触换热作为新型高效节能换热器的核心技术是能源研究的重点，直接接触式换热没有金属换热面，具有传热热阻低、换热系数高、结构简单、不易腐蚀和结垢等传统间壁换热无法比拟的优势。应用直接接触换热技术可以减小换热器的换热温差，提高换热器的换热效率。本文拟从戊烷-水直接接触换热的真实传热温差，泡滴群传热的机理，换热器传热性能三个方面开展理论与实验研究。目的在于为提高直接接触换热效率提供依据，并对强化换热技术提供理论指导，为能源的高效利用和解决世界的能源问题开发新思路。
　　首先，提出了一种新型的实验方法来研究戊烷-水直接接触汽化传热，通过搭建戊烷与水的直接接触闭路循环实验装置，使得戊烷-水液液直接接触界面的接触面积保持不变，并且水在界面上各点的速度均相同。采用红外热像法研究戊烷-水直接接触界面的真实传热温差，结果表明其真实的传热温差远远小于传统算法得到的传热温差，因此得到的传热系数也远远大于基于传统传热温差得到的传热系数。在此基础上研究流量和真实传热温差对传热系数的影响。实验揭示了传热热阻主要集中在水主体与界面水的混合程度上的机理。
　　其次，采用频闪摄像法研究二维体中戊烷泡滴群在连续相水中的汽化传热过程，采用统计学方法研究泡滴在不同戊烷进口流量，水温及不同高度条件下戊烷泡滴分布情况，同时研究了不同实验条件对戊烷泡滴的Sauter平均直径，汽化率、泡滴上升速度、戊烷泡滴的戊烷-水液液界面的传热面积及戊烷泡滴传热系数的影响规律。根据实验结果对传热区域进行划分，表明流体湍动越剧烈传热能力越强。
　　最后，搭建戊烷-水直接接触换热系统，考察了分散相戊烷进口流量、水的温度和分布器孔径对体积换热系数的影响，并依据传热机理详细分析了直接接触换热器换热性能的影响因素，与加入填料的换热器进行对比，研究了填料对换热的强化作用。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 直接接触换热的研究进展

1．2 直接接触相变换热的研究与发展状况

1．2．1 直接接触式相变换热的理论研究

1．2．2 单泡滴在连续相中发生相变时的直接接触传热

1．2．3 多个分散相液滴在连续相中发生相变时的直接接触传热

1．3 直接接触式换热器的类型

1．4 论文工作的提出

第二章 戊烷液滴内蒸发气泡的实验研究

2．1 实验研究

2．1．1 实验装置及流程

2．1．2 物系的选择

2．2 实验测试与分析方法

2．2．1 频闪摄影技术

2．2．2 图像处理

2．2．3 气泡特征参数提取

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 气泡直径的变化

2．3．2 气泡速度的变化

2．4 本章小结

第三章 戊烷-水直接接触换热实验装置的设计与测试技术

3．1 戊烷-水直接接触传热实验装置

3．1．1 实验装置及流程

3．1．2 戊烷-水流动界面的设计

3．1．3 戊烷-水液液界面波动的测量

3．1．3 装置减震处理

3．2 红外热像测温技术

3．2．1 红外热像测温理论

3．2．2 红外热像仪的校正

3．3 戊烷蒸发气泡尺寸测量

3．4 本章小结

第四章 戊烷与水直接接触汽化传热的实验研究

4．1 实验分析方法

4．1．1 实验误差分析

4．1．2 实际传热温差

4．1．3 传热系数

4．1．4 汽化速率

4．2 结果与讨论

4．2．1 实际传热温差

4．2．2 流速及温度对传热系数的影响

4．2．3 汽化速率

4．2．4 气泡行为

4．3 本章小结

第五章 戊烷液滴群汽化传热的实验研究

5．1 实验装置及流程

5．1．1 实验装置

5．1．2 实验流程

5．2 实验方案与分析方法

5．2．1 泡滴尺寸

5．2．2 传热性能

5．3 结果与讨论

5．3．1 水温的影响

5．3．2 戊烷流量的影响

5．3．3 高度的影响研究

5．3．4 戊烷泡滴的Sauter平均直径及泡滴上升速度

5．3．5 传热系数

5．3．6 直接接触相变换热的机理

5．4 本章小结

第六章 戊烷-水直接接触相变换热系统研究

6．1 实验设计

6．1．1 实验装置及流程

6．1．2 实验方案

6．2 实验分析方法

6．2．1 换热速率

6．2．2 体积换热系数

6．3 结果与讨论

6．3．1 戊烷进口流量对体积换热系数的影响

6．3．2 进口水温对体积换热系数的影响

6．3．3 分布器孔径对体积换热系数的影响

6．3．4 填料对直接的接触式蒸发的影响

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 本文的创新点

7．3 展望

参考文献

发表论文与参加科研情况说明

主要符号说明

致谢