水平管內(nèi)凝結(jié)換熱的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在自然界和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域,諸如制冷、化工、石油、材料和航空航天等,凝結(jié)現(xiàn)象大量存在。凝結(jié)是一種對(duì)流傳熱傳質(zhì)過(guò)程,其中伴有氣液相之間的轉(zhuǎn)變,與不帶相變的對(duì)流換熱的換熱特性有很大的差別。
　　大多數(shù)的冷凝器中,工質(zhì)蒸汽在水平管內(nèi)凝結(jié)。根據(jù)蒸汽質(zhì)量流速的大小,水平管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)換熱一般分為層流膜狀凝結(jié)和強(qiáng)迫對(duì)流凝結(jié)。蒸汽在管內(nèi)上部形成層流凝結(jié)液膜出現(xiàn)在蒸汽流速很低的情況下,此時(shí)在重力作用下凝結(jié)液向底部流動(dòng),聚集在管內(nèi)底部,一些研究人員

2、認(rèn)為,可以忽略通過(guò)底部凝結(jié)液的傳熱。水平管內(nèi)的蒸汽流動(dòng)在一般實(shí)際工程上,具有較高的速度,雷諾數(shù)往往高于35000,屬于強(qiáng)迫流動(dòng)凝結(jié)過(guò)程。因此,研究管內(nèi)強(qiáng)迫流動(dòng)的凝結(jié)換熱特性是工質(zhì)相變傳熱的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。
　　采用通用CFD軟件Fluent13.0中的Mixture模型,加入U(xiǎn)DF編程,對(duì)水蒸汽水平管內(nèi)凝結(jié)換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。得出水平管內(nèi)凝結(jié)液體積分?jǐn)?shù)分布和換熱系數(shù)隨著蒸汽流速、管壁溫度、壓力和

3、入口過(guò)熱度的變化規(guī)律,如下:
　　(1)在較低蒸汽流速下,液膜分布受重力作用明顯,在管內(nèi)底部分布較多。當(dāng)蒸汽流速達(dá)到12m/s時(shí),形成液橋和氣芯,隨著凝結(jié)液的增加,凝結(jié)液大部分還是沉積在底部。當(dāng)蒸汽流速高于14m/s時(shí),剪切力成為主要作用力,液膜在管內(nèi)呈環(huán)狀分布,隨著凝結(jié)液量的增加,液體在重力作用下在底部沉積,呈現(xiàn)出底部液膜較厚,頂部較薄的現(xiàn)象。
　　(2)合理降低管壁溫度,提高蒸汽流速和冷凝壓力,適當(dāng)增加入口過(guò)熱度,都有利

4、于提高水平管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)來(lái)加強(qiáng)換熱。
　　搭建了水平管內(nèi)凝結(jié)換熱可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)不同蒸汽流速、冷卻水溫和入口過(guò)熱度下的水平圓管內(nèi)水蒸汽凝結(jié)換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和可視化觀(guān)察,得出蒸汽流速、冷卻水溫和入口過(guò)熱度對(duì)水平管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)和流型的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　1.相同實(shí)驗(yàn)條件下,蒸汽流速越高,凝結(jié)換熱系數(shù)越高;
　　2.冷卻水溫度越低,換熱溫差越大,凝結(jié)換熱系數(shù)越高;
　　3.入口過(guò)熱度越大,相同位置的

5、凝結(jié)換熱系數(shù)越高;
　　4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得結(jié)果與Cavallini關(guān)聯(lián)式計(jì)算所得結(jié)果最為符合,與Shah關(guān)聯(lián)式所得結(jié)果偏差最大。Shah關(guān)聯(lián)式為水平管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)理論和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果,但在理論推導(dǎo)中,忽略了軸向壓力梯度引起的冷凝溫度降低;而Cavallini關(guān)聯(lián)式則是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的,與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果更為符合;
　　5.模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果值相比,偏高約30~40％。
　　通過(guò)本文的模擬云圖和計(jì)算結(jié)果分析,