带有分液结构的管壳式冷凝器的设计与实验研究

摘要

节能减排、提高能源利用率是公认的解决能源问题及环境问题的有效途径，而提高用能设备的效率是实现节能减排的一条重要途径。本文依据强化管内冷凝换热的新理论，提出及时排除管内冷凝过程中产生的积液，从而减薄液膜厚度，提高工质的平均干度，以维持较高换热系数的凝结换热。 本文根据这一强化换热理论，以R245fa工质在管内冷凝的换热为例，在普通管壳式冷凝器设计的基础上，通过相关的假设条件及构建的物理模型，以及已知的工艺数据及经验公式，确定出分程隔板上分液小孔的开孔面积，设计出一种带有气液分离结构的管壳式水冷冷凝器，在中低温地热ORC实验台上，进行了该冷凝器与传统冷凝器两者换热性能的实验对比，主要是换热量Q、整体换热系数K、管侧压力损失ΔP以及K/ΔP的比值四方面的对比。主要工作如下： 借鉴传统的换热器设计方法，通过给定工艺参数，确定出该冷凝器的换热量和平均换热温差、根据预估换热系数，得到冷凝器的初步结构尺寸。选取符合条件的经验公式分别对管程和壳程的换热系数及压力损失进行校核，使其符合设计规范要求。结合努塞尔膜状凝结换热理论，确定“短管效应”理论下换热管束的长度。建立分液小孔处气液分离的物理模型，利用经典理论对气液分离过程中所涉及的力进行描述。同时分别对第一管程及第二管程冷凝过程中产生的冷凝液进行估算。结合气液分离的物理模型和左、右两端分程隔板的面积得出左、右两端分液小孔的直径，并将分液孔对称布置，从而完成高性能冷凝器的设计。 实验结果表明： （1）这种带有分液结构的冷凝器其换热量要高于传统冷凝器，其中在管程折弯端开孔的情况下表现最为明显。入口蒸汽流量恒定时，随着温度的提高，折弯端开孔情况下的不同温度状态下，其换热量分别比普通换热器提高2.2%、5.2%、8.6%、11.9%；在入口蒸汽温度不变时，随着流量的提高，管程折弯端开孔情况下的不同流量状态下，其换热量分别比普通换热器提高5.2%、5.3%、3.1%、4.6%。 （2）入口蒸汽流量不变时，随着温度的提高，在管程折弯端设有分液结构时，其平均换热系数减缓趋势最小；在入口蒸汽温度不变时，随着流量的增加，其平均换热系数在每个状态下均高于其他三种方式。 （3）在蒸汽温度或流量变化的情况下，分液结构对该冷凝器管侧的压力损失影响并不明显。 （4）带有分液结构冷凝器的K/ΔP的比值要高于两端都不开孔的普通冷凝器；但是仅在管程入口端开孔时，其K/ΔP的比值比普通冷凝器相比差异并不明显。这种带有气液分离结构的管壳式水冷冷凝器，由于管内冷凝换热得到强化，所以在相同的换热量下，其换热面积可减小20.5%～41.6%。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本章小结

第二章 新型冷凝器的结构设计

2.1 换热器设计原则

2.2 冷凝器的结构设计

2.3 新型冷凝器的整体结构

2.4 本章小结

第三章 以R245fa为工质的有机朗肯循环实验系统简介

3.1实验系统的简介及主要部件

3.2 实验测量仪表及数据采集装置

3.3 冷凝器性能评价指标的选取

3.4 实验步骤和方法

3.5 本章小结

第四章 高效冷凝器凝结换热实验研究

4.1 系统工质的流量、压力不变，入口温度变化时，分液小孔不同组合方式下的换热情况分析

4.2 系统工质的入口温度、压力不变，流量变化时，分液小孔不同组合方式下的换热情况分析

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况及参与科研说明

致谢