汽-气凝结气、液膜厚度及换热特性的研究

摘要

汽-气凝结现象广泛存在于工业热交换过程中,不凝结气的存在使凝结换热急剧恶化,因此汽-气凝结换热的研究及其换热效率的提高对经济效益和能源的有效利用具有重要意义。
　　汽-气凝结换热的热阻主要包括由不凝结气引起的气相热阻和由凝结液引起的液膜热阻。气相热阻是使凝结换热效率降低的最主要原因,液膜热阻亦对凝结换热效率有一定的影响。气相热阻和液膜热阻大小分别取决于气、液膜分布,与换热管形状、排列方式、流体流速、流动方向、热力参数及物性参数等有关。本文拟利用理论分析和数值计算的方法对汽-气水平管外凝结气液膜厚度及换热特性进行初步研究,为汽-气凝结换热的进一步研究及应用奠定一定的理论基础。
　　本文基于双边界层理论建立汽-气水平管外凝结气液膜厚度及换热特性的模型。研究结论如下:(1)自然对流时,对于圆管,气液膜均不分离。对于非圆形管,气膜不分离,曲率较大时,液膜会分离;(2)强制对流时,随流速增大,气液膜经历气液膜均不分离、气膜分离,液膜不分离及气液膜均分离三个阶段。对于圆管,气膜分离的临界速度为,分离角为θm=arcos(gd/8U2)。液膜分离的临界速度为,分离角为θl=arcos[-(ρl-ρ)gd/(8ρU2)];(3)气膜分离前,气相热阻较大,凝结换热较弱,气膜分离后,凝结换热有所增强,液膜分离后,凝结换热将大大增强;(4)自然对流及强制对流气膜分离时,气膜厚度在管壁底部或分离点附近急剧增大。然而,强制对流气液膜均不分离时,气膜厚度在管壁底部附近急剧减小;(5)强制对流时,若气膜分离,气膜厚度随流速增大而减小,若气膜不分离,气膜厚度随流速增大反而增大;(6)换热效率随压力增大而增大,随不凝结气浓度减小而增大,随管壁温度减小而增大,随流速增大先减小后增大;(7)对于同一管型,气液膜厚度随曲率增大而减小,液膜分离时,分离面积随曲率增大而增大,总换热效率随曲率增大而增大。对于不同管型,总换热效率需要综合考虑气液膜厚度及分离面积;(8)气膜排泄及分离与参数A有关,液膜排泄及分离与参数B有关。
　　在回收燃油燃气锅炉烟气余热时,利用气液膜分布模型,得到了不同工况下气液膜分布及换热特性,并对是否考虑液膜对换热性能的影响进行了计算比较,结果表明:在换热器设计中,若忽略液膜热阻,使传热面积设计值偏小,而考虑液膜热阻,使传热面积设计值接近真值。因此,利用本文所提出的气液膜分布特性,为设计最佳的换热装置提供了一定的参考。

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物理量名称及符号表

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 汽-气凝结换热机理

1.3 汽-气凝结换热研究综述

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 汽-气自然对流凝结气、液膜分布及换热特性分析

2.1 物理模型

2.2 控制方程及定解条件

2.3 相关物理量的确定

2.4 气、液膜厚度的关系

2.5 实例计算及验证

2.6 气、液膜的分布

2.7 本章小结

第3章 汽-气强制对流凝结气、液膜分布及换热特性分析

3.1 物理模型

3.2 控制方程及定解条件

3.3 相关物理量的确定

3.4 气、液膜厚度的关系

3.5 气、液膜的分离

3.6 气、液膜厚度的确定

3.7 实例计算及验证

3.8 气、液膜的分布

3.9 本章小结

第4章 不同管型及曲率对汽-气凝结气、液膜分布及换热特性影响分析

4.1 几何及物理模型

4.2 相关物理量的确定

4.3 气、液膜厚度的关系

4.4 气、液膜的分离

4.5 实例计算

4.6 气、液膜的分布

4.7 管型及曲率对气、液膜分布影响的分析

4.8 本章小结

第5章 汽-气凝结换热理论在燃油燃气锅炉余热回收中的应用

5.1不同工况下气、液膜分布及换热特性

5.2 气、液膜热阻分析

5.3 液膜热阻对传热的影响

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录1 汽-气不同管型自然对流层流凝结气、液膜厚度及换热特性计算框图

附录2 汽-气圆管外强制对流层流凝结气、液膜厚度及换热特性计算框图

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢