卧式螺旋管内流动换热壁温分布特性

螺旋管是一种高效换热管型,在卧式螺旋管内流动时受到重力和离心力的作用,工质流动方向时刻改变,产生二次回流,从而表现出了不同于其他管型的流动与传热特性。以卧式螺旋管为研究对象,选取底部截面、上升段截面、顶部截面三个具有代表性的位置截面,采用逐渐增大热通量法研究了其在单相对流和过冷沸腾条件下壁温的分布特性。为螺旋管换热器的设计与应用提供了参考依据。     

卧式矩形截面螺旋通道内气液两相流截面含气率测量研究

以空气和水为工质,对卧式矩形截面螺旋通道内气液两相流动特性进行了实验研究。根据以往截面含气率的计算方法,创新性地提出一种适合于卧式矩形截面螺旋通道内两相流动截面含气率的计算方法,并与漂移流模型进行比较,发现两种计算方法所得结果趋势相近,大部分符合较好,表明利用斜十字交叉法计算卧式矩形截面螺旋通道内气液两相流的截面含气率是可行的。并且对比Zuber-Findlay模型与Ishii模型发现,Ishii模型预测卧式矩形截面螺旋管通道内的截面含气率精度较高。     

卧式螺旋管内紊流传热

在宽广的参数范围内对卧式螺旋管内紊流换热特性进行了详细的试验研究, 试验结果表明,螺旋管内强化换热是紊流流动与二次流动共同作用的结果,Reynolds数越大,二次流对强化换热的贡献越小,平均换热系数也越接近于等条件下的直管换热;换热系数在圆截面上的分布很不均匀,最外侧换热系数可达最内侧的3～4倍,最内侧是平均换热系数的0.5倍,并得到了截面上局部换热系数的计算式;换热系数在流动方向的分布具有周期性。     

立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点特性

在系统压力P=412～850 kPa,过冷度△T_sub=4.7～15.0℃,热通量q"=0.11～10.90 kW·m^-2,质量流量G=147.5～443.7 kg·m^-2·s^-1的条件下,对立式和卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾起始点特性进行了实验研究。研究结果表明：当实验系统参数相同时,立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的热通量基本相同,但是立式螺旋管内过冷沸腾起始点壁面过热度小于卧式螺旋管;过冷沸腾起始点的热通量、壁面过热度随着过冷度和质量流量的增大而增大,但随着压力、螺旋直径的增大而减小。通过无量纲分析对实验数据进行非线性拟合,发展了适用于螺旋管过冷沸腾起始点的关联式。     

立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点特性

在系统压力P=412~850 k Pa,过冷度?Tsub=4.7~15.0℃,热通量q"=0.11~10.90 k W·m~(-2),质量流量G=147.5~443.7 kg·m~(-2)·s-1的条件下,对立式和卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾起始点特性进行了实验研究。研究结果表明:当实验系统参数相同时,立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的热通量基本相同,但是立式螺旋管内过冷沸腾起始点壁面过热度小于卧式螺旋管;过冷沸腾起始点的热通量、壁面过热度随着过冷度和质量流量的增大而增大,但随着压力、螺旋直径的增大而减小。通过无量纲分析对实验数据进行非线性拟合,发展了适用于螺旋管过冷沸腾起始点的关联式。     

非均匀受热条件下螺旋管内流动沸腾换热特性

目前对螺旋管在其管外表面均匀受热,管内两相流动换热的研究已十分丰富;但是在其管外表面非均匀受热条件下,管内两相流动沸腾换热特性的研究鲜有报道。为了解决螺旋管在实际运用中遇到的非均匀受热问题、得到其换热特性,本文采用了实验的方法研究了卧式螺旋管周向非均匀受热条件下管内流动沸腾换热特性。其中实验工况范围为系统压力P=0.7~1.0MPa,质量流速G=181~364kg/(m²·s),质量干度χ=0.07~0.69。实验考察了螺旋管管外壁在两种非均匀受热条件下管内的两相流动沸腾换热系数与热流密度、质量流速、质量干度的关系,并与管周向均匀受热工况进行了比较。结果表明,在螺旋管外壁面“外半周绝热、内半周受热”情况下管内流动沸腾换热系数值最大,而管外壁面“内半周绝热、外半周受热”情况下最小。     

卧式螺旋管内烧干特性

在中低压条件下,对卧式放置螺旋管中汽-水两相流烧干特性进行了实验研究,探讨了螺旋管内烧干机理。结果表明,卧式螺旋管内烧干主要受二次回流及沿烧干点的热扩散作用控制。烧干首先在管圈出口处发生,然后再扩展到上游。在同一截面上,烧干首先在管圈前侧和后侧发生。在实验基础上,给出了卧式螺旋管临界干度计算式。     

方形截面螺旋管内气液两相流动特性数值研究

采用CLSVOF多相流模型,结合标准k-ε湍流模型方程,对方形截面螺旋管内气液两相流动特性进行数值模拟,绘制了几种典型流型的流型图,并与相关文献中的实验结果进行对比;分析了截面含气率沿管圈周向的分布规律和平均截面含气率与容积含气率的关系;探究了不同流型压降的变化规律和湍流耗散率沿程变化规律;讨论了螺旋管不同壁面的表面摩擦系数与剪切应力的差异。     

螺旋槽管内空气流动的研究

螺旋槽管(简称螺旋管)是强化传热管型之一,由于加工方便,故得到广泛的应用。但理论分析至今尚无定论。我们使用热线风速仪对空气在螺旋管内流动的螺旋流、湍流度进行测量并分析影响螺旋管强化传热的因素。一、试验方案与装置所用热线风速仪的传感器是一根直径为5μ、长约1.9mm的钨丝对焊在二电极针尖而构成的。测定螺旋管内的螺旋流是按下述原理进行的:当钨丝轴线与来流夹角不同     

立式螺旋管气液两相流摩擦阻力特性研究

分别以油 气、气 水为工质,对立式螺旋管内气液两相流的摩擦阻力特性进行实验研究。实验用螺旋管完全由内径为３９ｍｍ的有机玻璃管弯制而成,其螺旋直径２６５ｍｍ,全长４４９０ｍｍ。在对实验结果和前人有关研究进行分析的基础上,给出了两种流动条件下摩擦阻力的计算公式,并与实验结果进行了比较,两种流动条件下,预测值与实验数据的最大偏差分别在３０％和２０％之内。     

超临界二氧化碳在微细管内的换热特性

建立了内径为1.31 mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明：增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。     

小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应数值研究

采用DEM-CFD方法对小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应进行了数值研究。针对D/d_p=5.0圆球无序堆积通道构建了光滑壁面和波节壁面两种通道壁面结构,分析了不同壁面结构堆积通道内孔隙率分布、流动和温度场分布及其流动换热性能。结果表明：小管径-粒径比光滑壁面颗粒无序堆积通道内壁面效应显著,壁面附近平均流速明显高于堆积中心区域,而平均温度要低于堆积中心区域,壁面附近0.5d_p区域内通过的流体质量流量比例为46%;波节壁面结构抑制了通道壁面附近漏流,可小幅提高堆积通道的换热能力,但堆积通道内的流动阻力也随之增大,其综合换热性能较光滑壁面堆积通道有所下降。     

超临界压力正癸烷在螺旋管中传热与裂解吸热现象的数值模拟

探讨了正癸烷的裂解吸热反应对流动、传热和化学组分分布的影响。结果表明,由于裂解吸热反应把加热热量转换成了燃料分子的化学能,与未考虑热裂解的计算结果相比,考虑裂解反应时出口处流体平均温度降低了约50 K,壁面温度降低了约70 K,对流传热系数提高了10%左右。这一方面是因为裂解引起的密度降低、轴向速度增加,另一方面是由于裂解反应提高了螺旋管截面的径向速度,加强了二次流动,增加了壁面湍动能。正癸烷在内侧温度较高的区域裂解度较高,因此螺旋管内侧温度降低,环向温度分布变均匀;裂解度越大,环向温度分布越均匀。与热结焦有关的烯烃类裂解产物C₂H₄,C₃H₆在温度较高的内侧质量分数较大,表明结焦更可能发生在螺旋管的内侧。     

超临界压力水在垂直上升内螺纹管中的传热特性

在压力22.5～30 MPa,质量流速430～1200 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷284～719 kW·m^-2范围内,对超临界压力水在均匀加热垂直上升内螺纹管内的传热特性进行了实验研究,得到了内螺纹管内超临界压力水的传热特性,分析了压力、热负荷和质量流速变化对内螺纹管壁温及传热系数的影响,探讨了拟临界区的传热机理,并给出了能用于工程实际的传热实验关联式。实验结果表明：垂直上升内螺纹管中超临界水具有良好的传热特性。在低焓值区内螺纹管壁温随焓增平缓增加,而在高焓值区壁温随焓增的升高明显。由于热物性的剧烈变化,超临界水在拟临界焓值区发生了明显的传热强化。压力与热负荷的增大以及质量流速的减小均会导致内螺纹管壁温的升高和传热系数的减小,使得传热强化现象削弱,甚至出现传热恶化。     

高温高压水在垂直下降管内的传热特性

在压力11.5~28 MPa,质量流速450~1550 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷50~585 kW·m^-2的范围内,对水在垂直下降管内的传热特性进行了实验研究,得到了垂直下降管内水的传热特性,分析了热负荷对内壁温度和传热系数的影响,给出了能用于工程实际的传热实验关联式,并且对垂直下降流动和垂直上升流动的传热特性进行了比较。实验结果表明:在亚临界和近临界压力区,垂直下降管会发生第一类传热恶化--膜态沸腾和第二类传热恶化--干涸。热负荷的增大,会导致传热恶化的提前发生和传热恶化发生后的壁温飞升值增大。在超临界压力区,壁温在低焓值区随焓值平缓增加,而在高焓值区随焓值明显升高,表明在拟临界点附近发生了传热强化现象。     

网纹内管双套管双管板安全型换热器的传热性能

以网纹内管型双套管双管板安全型换热器为研究对象,采用内外管接触面积当量法,将网纹内管与外管内壁的接触面积当量成对应接触面积的直槽管;借助计算流体力学（CFD）软件采用数值模拟的方法对内管为当量的直槽管换热器传热性能进行了研究,换热器管壳两侧的介质均为水,分别将空气和水两种介质填充至隔绝腔内,模拟不同入口流量条件下传热特性;引入接触修正系数,在传统传热系数经验公式的基础上,结合网纹管模型特点,获得网纹内管安全型换热器传热系数计算公式,并对不同工况下换热器的传热系数进行理论计算;建立网纹内管安全型换热器传热特性评价实验台。结果表明：内外管接触面积当量法在处理网纹内管安全型换热器传热特性时具有可行性,基于接触修正系数的传热系数工程经验公式计算结果可靠;数值模拟结果、理论计算结果及实验结果具有较好的吻合趋势;隔绝腔介质分别为水及空气时,网纹内管的传热效率比内管为光管分别提高约24%和40%。     

纳米石墨冷冻机油对R600a流动沸腾换热的影响

搭建了纳米冷冻机油/制冷剂水平光管内流动沸腾换热测试实验台,研究了石墨/R600a纳米制冷剂在水平直光管内流动沸腾换热特性,分析了纳米石墨对含油制冷剂流动沸腾换热的影响。实验测试段为总长2.5 m、外径9.52 mm、内径8 mm、壁厚0.76 mm的紫铜管。在质量流速为150、200、250、300 kg·m^-2·s^-1下,分别测量纯R600a、含油R600a、不同质量分数(0.05%、0.1%、0.2%)纳米石墨冷冻机油和R600a混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数随干度的变化趋势。实验结果表明:纳米石墨的添加增强了含油制冷剂的流动沸腾换热。实验获得了基于石墨的含油纳米制冷剂流动沸腾换热关联式,关联式的预测值与94.5%的实验数据偏差在±15%以内。     

非均匀热流边界条件下螺旋管内流动传热的场协同分析

建立了螺旋管内流动换热的物理数学模型,对均匀和非均匀热流边界条件下螺旋管内湍流传热进行了数值模拟。结果表明：当对螺旋管表面施加相同的加热功率时,均匀热流边界条件下湍流传热系数高于非均匀热流边界条件下的湍流传热系数,且均匀热流边界条件下螺旋管内的场协同角低于非均匀热流边界条件;非均匀热流边界条件时,在相同的De下,曲率较小的螺旋管传热系数大,且曲率较小的螺旋管内场协同角较小;同时,随着管径的增大,螺旋管内的传热系数也随之下降,但螺旋管内的场协同角随之增大。