倾斜管内蒸汽凝结特性的试验研究与数值分析

摘要

目前，电厂直接空冷技术广泛应用于我国富煤少水地区，其核心元件——空冷凝汽器内蒸汽的凝结情况决定了空冷机组的换热效率，然而目前对凝结器管内凝结换热的研究文献却很少。本文针对倾斜光滑圆管内蒸汽凝结换热特性分别进行了试验研究和数值分析，为更加复杂的较大截面倾斜管凝结换热研究提供参考。
　　管内蒸汽凝结涉及复杂的汽液两相运动，本文在设计建设汽液两相流试验台的基础上，对蒸汽在倾斜光滑圆管内凝结过程中换热特性进行了系统的试验研究，得出了蒸汽温度、凝结换热系数沿蒸汽流动方向降低的分布规律；在换热特性方面，冷却水温度对凝结换热系数影响较小，蒸汽流速、换热温差以及倾斜角度对凝结换热系数影响显著。在一定范围内，凝结换热系数随蒸汽质量流速增加而增加，随换热温差增大而减小，随着倾斜角度先增大后减小，同时存在一个最佳的倾斜角度对应凝结换热系数最大。在本试验参数范围内，最佳倾角为60°，倾斜光滑圆管换热系数明显高于水平圆管换热系数，将试验结果与几种经典计算关联式进行比较，确定了本试验条件下管内蒸汽凝结换热计算关联式，试验数据与关联式计算值相比，大部分试验数据分布在拟合公式的15％误差范围内。
　　通过分析管内蒸汽凝结流动和传热特性，对倾斜管分段，以试验数据为基础，结合试验确定的计算关联式，建立了微元段的凝结换热和压降耦合微分方程组，对倾斜圆管内蒸汽凝结特性进行了数值计算研究。蒸汽凝结过程中干度沿蒸汽流动方向没有按线性规律分布，倾斜光滑圆管内蒸汽凝结过程中微元段的干度不能依照算术平均法计算；蒸汽压降梯度沿蒸汽流动方向逐渐降低，蒸汽压力沿蒸汽流动方向降低的趋势逐渐平缓，蒸汽在管内流动过程中剪切力对凝结液的影响亦逐渐减弱，摩擦阻力随之减小。
　　基于两相流动理论，对管内流动换热进行了研究；通过应用两相流混合物模型和用户自定义函数(UDF)，针对倾斜管内蒸汽凝结流动换热过程，并考虑了不同入口蒸汽流量、管束倾斜角度等参数的影响，进行了数值模拟，结果表明：沿管程换热强度不断下降，压降增大；相同倾斜角下，换热系数随入口蒸汽流量的影响规律与管倾角大小有关，流动压降随入口蒸汽流量增加而变大；随着管倾角的增加，管内换热系数先增加，后趋于平缓，流动压降先减小，后趋于平缓，最合适管束倾角在60°左右，管内蒸汽凝结换热特性的变化规律与试验结论相符。
　　因此，通过倾斜管内凝结换热特性的研究，所得出的结论可为高效空冷凝汽器的运行和参数优化设计提供一定的理论参考。

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目录

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2管内凝结过程的研究现状及发展趋势

1.3本文主要研究内容

第2章 倾斜管内蒸汽凝结换热的理论分析

2.1引言

2.2管内两相流的基本理论

2.3管内蒸汽凝结换热混合物模型

2.4 UDF文件的编写

2.5本章小结

第3章 倾斜管内水蒸气凝结换热的试验研究

3.1 试验台简介

3.2 试验内容

3.3试验数据处理

3.4试验结果及分析

3.5凝结换热系数的试验计算关联式

3.6本章小结

第4章 倾斜管内水蒸汽凝结换热的数值计算

4.1压降和传热的微分方程组

4.2数值计算过程

4.3计算结果及分析

4.4本章小结

第5章 倾斜管内蒸汽凝结换热的数值模拟

5.1物理模型选择及计算方法

5.2 计算结果及分析

5.3 本章小结

第6章 结论和展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢