r134a在臥式螺旋管內(nèi)兩相流動和傳熱特性的研究

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1、山東大學(xué)博士學(xué)位論文摘要螺旋管因其具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和加工制作方便等優(yōu)點,在高效蒸汽發(fā)生器和冷卻器、核反應(yīng)堆、電站鍋爐、船舶動力、石油化工、航天航空、微電子器件冷卻、先進燃料電池系統(tǒng)冷卻、食品制藥、以及制冷與低溫技術(shù)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。螺旋管內(nèi)的兩相流與傳熱由于離心力和二次流的作用而比直管內(nèi)的要復(fù)雜的多,其水動力學(xué)和傳熱特性與機理研究是當前兩相流與傳熱領(lǐng)域的重要課題之一。流體在臥式螺旋管內(nèi)流動方向的連續(xù)變化使得作用在流體上的重力和離心力的大小、方向和作用機制都不斷發(fā)生變化,致使其兩相流與傳熱現(xiàn)象更為復(fù)雜。已有臥式螺旋管內(nèi)兩相流與傳熱的研究大多是以空氣

2、一水或水一水蒸汽為工質(zhì)的,而對環(huán)境友好的新制冷劑R134a在臥式螺旋管內(nèi)的兩相流與傳熱特性與機理的研究卻鮮有報道。因此,本文的主要目的是在設(shè)計建設(shè)兩相流與傳熱實驗臺基礎(chǔ)上,對R134a在臥式螺旋管內(nèi)流動沸騰的流型、阻力與傳熱特性進行系統(tǒng)的研究,建立流動與傳熱過程的流型圖,得到沸騰過程中管壁溫度的變化特性,發(fā)展流動阻力與傳熱系數(shù)計算的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,并對臥式螺旋管內(nèi)的凝結(jié)傳熱特性進行研究。利用透明螺旋管實驗段對流動沸騰過程的流型進行了可視化研究,并對各種流型的形成及其轉(zhuǎn)變特性進行了機理分析。在得到了文獻中常見的泡狀流、彈狀流或塞狀流、分層流、波狀分層流、塊狀流以及環(huán)狀流

3、外,還觀察到了兩種新流型,本文分別稱之為“波環(huán)狀流型”和“超大氣彈流型’’。波環(huán)狀流型出現(xiàn)在較高質(zhì)量流速、低干度條件下上升段中波狀分層流向環(huán)狀流之間的過渡過程;超大氣彈流則出現(xiàn)在相同條件下下降段中分層流和環(huán)狀流之間的過渡過程。由于臥式螺旋管的上升段和下降段之間流型存在較大的差別,因此,基于實驗數(shù)據(jù)和Kattan流型圖,分別發(fā)展了R134a臣F式螺旋管內(nèi)流動沸騰上升段和下降段的流型圖。對臥式螺旋管內(nèi)的流動沸騰阻力特性進行了研究,得到了工質(zhì)的干度、質(zhì)量流速和壓力等參數(shù)對兩相摩擦阻力壓降系數(shù)靠的影響關(guān)系。系統(tǒng)壓力和工質(zhì)干度對碥的影響比較明顯,壇隨著干度的增加而增加,隨著

4、壓力的增加而減小。摘要質(zhì)量流速對碥也有一定的影響,鐫隨質(zhì)量流速的增加稍有增加。通過實驗數(shù)據(jù)的回歸分析得到了流動沸騰摩擦阻力壓降的計算關(guān)聯(lián)式,最大偏差為19.7%,有95.3%的實驗數(shù)據(jù)分布在擬合公式的±15%誤差范圍內(nèi)。對臥式螺旋管內(nèi)流動沸騰的壁溫分布特性進行了研究與機理分析,得出了臥式螺旋管沿管長和橫截面圓周方向的壁溫分布規(guī)律。螺旋管壁面溫度沿管長呈逐漸降低的趨勢,沿橫截面圓周方向,最外側(cè)壁溫最低,最內(nèi)側(cè)壁溫最高。而且在環(huán)狀流區(qū)域,螺旋管頂部截面的內(nèi)外側(cè)壁面之間的溫差比底部截面的內(nèi)外側(cè)溫差要大。對臥式螺旋管內(nèi)流動沸騰的傳熱特性進行了系統(tǒng)的研究和機理分析,得出了局

5、部傳熱系數(shù)沿管長的變化規(guī)律,獲得了工質(zhì)的干度、質(zhì)量流速、壓力以及熱流密度和螺旋管結(jié)構(gòu)等參數(shù)對局部傳熱系數(shù)的影響關(guān)系。沸騰傳熱系數(shù)沿管長總體呈逐漸升高的趨勢,傳熱系數(shù)隨著干度、熱流密度和質(zhì)量流速的增加而增加,低干度區(qū)質(zhì)量流速對傳熱系數(shù)的影響較小,隨著干度的增加質(zhì)量流速對傳熱系數(shù)的影響愈加顯著;在高熱流密度、小質(zhì)量流速的條件下,高干度區(qū)傳熱出現(xiàn)惡化,傳熱系數(shù)有所減??;系統(tǒng)壓力和螺旋管曲率對傳熱系數(shù)的影響不大,傳熱系數(shù)隨系統(tǒng)壓力和曲率的增大稍有增加。通過對實驗數(shù)據(jù)的回歸分析,發(fā)展了本實驗參數(shù)范圍內(nèi)R134aN-式螺旋管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)的計算關(guān)聯(lián)式,最大偏差為22.1%

6、,有90.3%的實驗數(shù)據(jù)分布在擬合公式的±15%誤差范圍內(nèi)。對臥式螺旋管內(nèi)的凝結(jié)傳熱特性進行了研究,獲得了工質(zhì)的干度、質(zhì)量流速和冷凝溫度對平均凝結(jié)傳熱系數(shù)的影響關(guān)系。工質(zhì)的干度和質(zhì)量流速對平均凝結(jié)傳熱系數(shù)的影響較大,傳熱系數(shù)隨著干度和質(zhì)量流速的增加而增加;低干度區(qū)質(zhì)量流速對傳熱系數(shù)的影響較小,隨著干度的增加,質(zhì)量流速對傳熱系數(shù)的影響愈加顯著;螺旋管與直管內(nèi)凝結(jié)傳熱特性的比較表明,螺旋管的平均凝結(jié)傳熱系數(shù)比直管的要大,低干度、小質(zhì)量流速時螺旋管的凝結(jié)傳熱效果更好??傊?,本文在R134aN"式螺旋管內(nèi)的兩相流與傳熱的流型、流動阻力和沸騰傳熱特性等方面都取得了具有一定創(chuàng)

7、新性的研究成果,為制冷空調(diào)領(lǐng)域已有設(shè)備的更新改造和新設(shè)備的開發(fā)設(shè)計提供了急需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計依據(jù),為新型螺旋管傳熱器的設(shè)計開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:兩相流與傳熱;流動沸騰流型;臥式螺旋管;R134aII山東大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractHelicalpipesarewidelyusedinavarietyofpracticalapplications,suchasinsteamgeneratorsandcoolers,nuclearreactors,powerplantboilers,shippowerequipment,petrochemicalindustry

8、,avia

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