Analysis of flow pattern and heat transfer in direct contact condensation

In direct contact condensation (DCC) phenomenon, whenever steam (vapor) is injected with very high velocity in sub-cooled water, the momentum and the energy of the steam is transferred to the surrounding liquid, leading to generation of flow pattern, turbulent in nature. The turbulent flow pattern enhances the heat transfer coefficient at the interface of steam jet and water (vapor-liquid interface) as well as at the immersed surfaces (solid-liquid interface). The flow and the temperature pattern in DCC system have been measured using hot film anemometer (HFA). The values of heat transfer coefficient at the vapor-liquid and solid-liquid interface were estimated using the CCA module of the HFA. The nozzle diameter (d₀) was varied in the range of 1-2 mm and the nozzle upstream pressure in the range of 0.3-0.35 MPa (corresponding velocities in the nozzle were 286-304 m/s). The time series of velocity and temperature at the interface were analyzed to get the rates of surface renewal. A comparison has been presented between the predicted and the experimental values of heat transfer coefficient.     

动力型热管内R134a流动凝结传热过程的特性

针对动力型热管内流动凝结传热过程中的特性复杂未知,搭建了动力型热管冷凝特性测试实验台。对不同流量及干度下的R134a管内流动凝结过程中的压降特性和传热特性进行了实验研究,实验结果表明：压降随着管内工质质量流量和气体干度的增加而增加,与文献中3种不同压降模型进行了比较,得出Muller-Steinhagen-Heck模型能更好地预测管内流动凝结过程中的压降特性。传热系数随着管内工质质量流量和气体干度的增加而增加,并且低干度区的增长斜率要明显大于高干度区的增长斜率,与文献中4种不同传热模型进行了比较,得出Chen模型能更好地预测管内流动凝结过程中的传热特性。该研究为泵的选择、换热器的设计、系统的优化以及两相流凝结相变过程的研究提供了理论参考。     

滴状冷凝强化含不凝气的蒸气冷凝传热机制

为了深入考察滴状冷凝强化混合蒸气冷凝传热传质过程的作用机制,在竖直表面上设计了完全滴状（DWC）、没有液滴向下脱落运动的条形分割滴膜共存（DFC）和膜状（FWC）3种冷凝形态的实验表面。对纯蒸气及含不凝气蒸气的冷凝传热过程进行了分析和实验研究,结果表明纯蒸气滴状冷凝与滴膜共存冷凝传热特性相近;而对含不凝气的冷凝,滴膜共存表面与膜状冷凝表面的传热特性相近;不凝气摩尔分数分别为0.9%、4.8%时,滴状冷凝较其他两种形态下的冷凝传热系数提高了30%～80%。其主要原因是由于混合蒸气冷凝传热阻力主要由气相边界层控制,滴膜共存冷凝并没有使气相的扩散传质过程得到强化,而完全滴状冷凝与设计的滴膜共存冷凝的区别在于后者仅存在小液滴的合并运动而没有大液滴向下脱落和对表面冲刷过程。根据二者实验结果的分析,认为滴状冷凝的大液滴脱落运动是影响气相传质的主要因素,大液滴脱落过程对气相边界层的扰动和剪切作用强化了气液界面传热传质特性。     

Laminar falling film flow and heat transfer characteristics on horizontal tubes

Knowledge of falling film flow and heat transfer characteristics on horizontal tubes is required in the assessment of certain CANDU reactor accident sequences for those CANDU reactors which use moderator dump as one of the shut-down mechanisms. In these reactors, subsequent cooling of the calandria tubes is provided by falling films produced by sprays. This paper describes an analysis of falling film flow and heat transfer characteristics on horizontal tubes using integral methods. The application of the results to an assessment of the stability of the films on the calandria tubes following a loss-of-coolant accident with impaired emergency coolant injection flow is discussed.     

CFD analysis of flow pattern and heat transfer in direct contact steam condensation

Direct contact steam condensation used in steam jet injectors, and direct contact feed water heaters, has been studied using CFD simulations. Fairly good agreement has been obtained, with the available experimental data of plume length and the profiles of axial and radial temperature. Further, critical analyses have been carried out for all the published semi-empirical models and correlations. In addition, CFD analysis has been extended to examine the role of nozzle diameter and geometry, on heat transfer phenomenon which governs the direct contact steam condensation phenomenon. A new hydrodynamic model has been formulated which estimates the interfacial area available for condensation. A rational correlation has been developed for the estimation of interfacial area, expressed in terms of Nusselt number (Nu), Reynolds number (Re), Prandtl number (Pr) and ratio of viscosity of steam and water.     

降膜流动板结构变化对传热性能的影响

通过实验考察了不同降膜流动板结构对液膜传热性能的影响。实验过程针对光滑平板及新型翅片板进行降液膜传热实验,分析了不同流量不同黏度下不同板结构的降液膜传热性能。水在不同板结构下平均传热系数随着流量的增加而增加,翅片板由于增加液膜湍流程度并改善液相分布状况使平均传热系数相对于平板提高5%—15%。对于蔗糖溶液液膜流速随着黏度的增大而有所降低,换热板表面液膜的湍流程度下降,另一方面黏度增大导致液相与换热板表面的接触角增大换热板润湿面积减小,导致各类板结构传热系数均有所降低,而带有翅片结构的降膜板更适用于高黏度液相传热,尤其在液相流量大于150 L/h时提高10%以上。流动形态及液相物理性质都会影响降膜传热性能,文中通过实验对降膜传热过程提出了强化措施,尤其是通过改进降膜流动板结构优化液膜流动形态强化传热。     

喷雾冲击条件下液膜流动与传热模型

针对现有喷雾冷却计算模型的不足,以质量、动量、能量守恒方程为基础,建立喷雾冷却非沸腾区的液膜流动与传热方程,并采用数量级分析的方法对方程简化,最后运用数值方法对模型进行求解。给定液滴速度及液体温度,由模型计算液膜厚度、平均热通量与液体流出温度,与实验测试结果对照。结果显示,液膜厚度的计算结果与实验结果相差6%以内;平均热通量和液体离开待冷却表面的最终温度计算结果与实验结果相差10%以内,且超过60%的计算结果偏差小于5%。计算结果与实验结果的高度匹配证明该模型可较好地反映喷雾冷却过程的流动与换热。由模型可以获取不同位置处液膜厚度与温度,从而加深对喷雾冷却传热机理的理解。     

矩形槽强化膜状冷凝换热数值分析与实验研究

研究了饱和蒸汽在垂直矩形槽表面的层流膜状冷凝换热,对物理模型进行了适当的简化,建立了冷凝液的流体流动方程,并与二维导热方程耦合,用数值方法解方程,通过迭代,得到了传热量与坐标z的关系。为了验证数值分析,建立了饱和蒸汽在矩形槽表面冷凝的实验模型和实验装置,测量了在不同的温差下的热通量,并与计算热通量做了对比。结果表明,热通量数值分析值与实验值吻合较好,最大偏差不超过10%,说明关于矩形槽强化冷凝换热的数值分析具有可行性,可用于矩形槽的参数设计和换热计算。     

电极直径对EHD强化垂直管内凝结换热的影响

基于EHD强化管内凝结换热的理论分析,对5根直径不同的电极进行了垂直管内EHD强化凝结换热实验研究.结果表明,相同工况条件下,电极直径越大液膜相对减薄率越大,液膜减薄的起始电压越小.液膜相对减薄率随着电压的增加而增加.同时发现,液膜相对减薄率大并不意味着强化系数大.     

铜表面物理化学有序度对蒸汽冷凝特性的影响

研究了经不同粒度砂纸研磨后不同粗糙度纯铜表面的润湿性和蒸汽冷凝性能,分析了表面物理粗糙度和氧化引起的表面化学成分异质性对润湿性和冷凝传热性能的影响规律。结果表明,当铜表面粗糙度小于0.15 μm,增大粗糙度有利于增大接触角,而当粗糙度增大到0.15 μm后,继续增大粗糙度反而会减小其表面接触角。铜表面氧化后造成的化学成分异质性有利于增大接触角。表面微观结构和化学成分异质性的共同作用决定了铜表面的润湿性与蒸汽在其表面的冷凝模式。当粗糙度为0.15 μm左右时,氧化后铜表面表现出最佳的滴状冷凝状态,其冷凝传热系数达到Nusselt理论模型的3.5倍左右。但是表面粗糙结构同时也会增大液滴在金属表面的运动阻力,对冷凝传热性能产生不利影响。     

绕管式换热器壳侧降膜流动和相变传热的数值模拟

为了定量描述绕管式换热器壳侧降膜蒸发特性并进而优化换热器结构,建立了绕管式换热器壳侧降膜蒸发过程流动与传热的数值模型。首先对降膜流动过程中流型变化和传热传质机理进行分析;通过对降膜流动过程液膜所受表面张力、重力和剪切力的计算,实现层状流、柱状流和滴状流等不同流型的模拟;通过管壁面和气液交界面的组分守恒建立降膜蒸发过程的传质子模型,并基于传质速率计算得出潜热传热速率。将数值模拟结果与已有文献中实验数据进行了对比,结果显示89%的模拟数据与实验数据偏差不超过25%;模拟结果与实验数据吻合较好。基于提出的模型,对不同工况下的绕管式换热器壳侧降膜蒸发传热传质规律进行了分析。     

波纹管管外冷凝特性的研究

以煤油蒸汽和水蒸气为工质研究了波纹管管外冷凝时的传热特性。试验中采用内管为波纹单管的套管换热器,分为水平和垂直2种布置方式。在不同流速下,根据试验测量的温度和流量等参数计算波纹管管外传热系数;并与相同参数(流速、温度)条件下光管管外传热系数的理论计算值进行比较。结果表明:随液相雷诺数的提高,传热系数随之提高,相对光管,波纹管管外传热系数有明显提高;波纹管有效地增强了管外冷凝传热;水作为单一工质相对于多组分的煤油,波纹管对其管外冷凝强化效果更好。     

H型翅片管湿烟气对流冷凝传热的数值模拟研究

通过数值计算对湿工况下的H型和圆型翅片管换热器通道内充分发展段的对流冷凝传热特性进行模拟研究。计算采用压力与速度耦合的SIMPLER算法,湿烟气流速范围为1~5 m/s,水蒸气质量分数范围为5%~13%。讨论了不同入口速度、水蒸气质量分数对H型翅片管和圆型翅片管传热传质系数、传热量、冷凝水流量和翅片效率的影响,并进行定量比较分析。计算结果表明,H型翅片管的传热能力强于圆型翅片管,但冷凝生成量较圆型翅片管小,同时H型翅片管的总翅片效率和潜热翅片效率小于圆型翅片管。     

异型管曲率对气液膜分布及凝结换热特性的影响

基于双膜理论及边界层理论,建立了圆管、椭圆管、滴形管的管外气、液膜厚度及传热系数的数学模型。以圆管传热系数为依据进行了模型验证,计算结果与实验值的平均偏差约为6%,基本符合工程实际要求。在给定条件下,通过对不同曲率下各管型管外传热系数的计算,得到了气、液膜厚度的分布规律及换热特性。结果表明：在有效换热面积相同时,三种管型的气、液膜厚度,传热系数在一定角度下,随曲率的增大而增大;当曲率相同时,椭圆管传热系数最大,圆管最小。同时,分析了不同管型及其曲率对气、液膜排泄的影响机理和分离机理。为强化换热提供一定理论指导。     

水平光滑细管内R32冷凝换热的流型特性

采用可视化的方法,对流体R32在内径2 mm 的水平光滑圆管内冷凝换热的流型进行了观测实验,实验设定的流体饱和温度为40℃,质量流量分别为100、200、400 kg·m^-2·s^-1。观测到的主要流型为塞状流、弹状流、环波状流和环状流。通过实验观察,发现随着流量的增加环状流的流型区域增加,流型由环波状流转换成间歇流的干度推迟,其分界线为一条斜线,主要是由于随着流量的增大,气液表面剪切力增大促进了环波状流的形成。借鉴量纲1准则数提出间歇流与环波状流分界线公式。将实验值与其他5种流型模型进行了对比分析,发现只有与Yang-Shieh模型比较吻合。     

考虑界面蒸发时的降液膜流动传热

The interfacial evaporative heat transfer was included in the semi-empirical study of the heat transfer for the falling liquid film flow. The investigations showed that, the inclusion of the interfacial evaporative heat transfer in the turbulent model would lower the predicted convective heat transfer coefficient. Predictions of the new model resulted in a prominent deviation from that predictions of the normal model in the case of large mass flow rate and low wall heat flux. This deviation will be decreased with increasing wall heat flux, such that it will be asymptotic zero at very high wall heat flux. Predictions of the new model agreed well with the current experimental measurements. This study has verified that the Reynolds number is not the sole crucial parameter for heat transferof falling liquid film flow, and wall heat flux will be another important independent parameter. This result is consistent with our previous studies.     

螺旋槽管外含高浓度不凝组分蒸汽冷凝传热研究

分析了含高浓度不凝组分蒸汽在立式螺旋槽管表面强制对流冷凝的传热机理。在不凝性组分体积百分浓度超过９０％时，螺旋槽管的强化传热效果不明显，而含量为４４％～９０％时，螺旋槽管总换热系数比光滑管提高２０％～３５％。