高性能冷凝器技术原理与实践

传统管内冷凝器多采用无汽液分离的单一管内流程进行冷凝,会因壁面凝结逐渐增厚液膜、出现复杂两相流,冷凝换热中系统运行稳定性、流动阻力和系统的调控等严重恶化。本文通过创新的巧妙结构设计,实现沿程汽液自动分离和短管内珠状或非稳定薄液膜冷凝高效传热,开发出高性能凝结换热器。文中简要介绍了这种换热器的技术原理和思路,并给出了一些实验验证。     

内置折边扭带管内高湿气体对流凝结换热与流动特性

对高湿气体在内置折边扭带管内对流凝结换热与流动特性进行了实验研究。分析了壁面温度、水蒸气含量、进口温度、气流速度等对高湿气体对流凝结换热的影响,降低壁面温度、提高水蒸气含量对流和凝结换热均提高,但对强化凝结换热尤其明显。引起扭带管内冷凝液膜状态变化的参数有扭曲比y和扭带与管壁间隙b。y越低气流旋转越强,导致液膜加厚而引起传热量降低和流动阻力增加;b较小时液膜积存在扭带端部,不仅降低传热面积而且无气流穿越扭带端部,b较大时旋转气流能穿越扭带端部,减薄管表面液膜厚度,强化凝结换热。     

微细圆管及扁平管内液-液Taylor流动特性的数值研究

微细通道内Taylor流动广泛应用于能源化工领域，为分析其相界面及阻力特性，利用相对坐标系的方法，研究了竖直圆管及扁平管内的液-液Taylor流动，讨论了通道宽高比、Reynolds数（Re）及分散相体积分数对液膜厚度和两相压降的影响。结果表明：圆管内液滴头部和尾部可以膨胀至近似球形，而扁平管内壁面的限制作用较强，液滴呈现扁平状。随Reynolds数增大，两相界面逐渐收缩，液膜厚度逐渐上升。圆管内液膜厚度比较均匀，扁平管内液膜在通道顶部较薄，而圆弧部分较厚。两相压降随Re和宽高比的增大而增大，随分散相体积分数的增大而降低。相比连续相和分散相压降，界面压降所占的比重最高，并依据模拟结果，提出了圆管及扁平管内液-液Taylor流动的压降预测公式。     

三维内微肋管内凝结流型分区及分层波状流换热关联式

引　言水平管内的受迫对流膜状凝结广泛用于化学工业及制冷与空调的冷凝设备中 .对于冷凝器的设计 ,确定管内膜状凝结换热系数是至关重要的 .众所周知 ,水平管内受迫对流凝结在流动方向汽液两相流动会出现不同的流型 ,对于不同的流型 ,对应的换热机理和换热系数也各不相同 .因此 ,首先需要区分管内受迫对流换热的流型 ,在此基础上再针对不同的流型对其凝结换热过程进行研究 .对于整个凝结换热过程 ,通常是根据汽液两相流在不同流型时的流动及换热特征将凝结过程划分为不同的流型区域 ,并得到相应的流型转变的判据 ,然后通过实验对不同的流型…     

连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析

连通微通道（平行主通道由支流通道连通）流动沸腾传热具有优越的换热性能,但其传热传质强化机理尚不够明确,限制了其实际应用。鉴于此,本文基于流体体积函数（VOF）方法,对连通微通道内过冷流动沸腾进行二维非稳态数值模拟,研究了流场扰动、脱落汽泡与壁面间的薄液膜分布对微通道当地传热系数的影响规律。结果表明,连通微通道存在两种强化换热机理：支流通道脱落汽泡可增强主通道流场扰动,进而促进了通道热边界层再发展;脱落汽泡与热壁面间可形成薄液膜,该薄液膜减小了换热热阻。同时研究了支流通道倾角（θ）对连通微通道强化换热的影响,结果发现,不同θ时,连通微通道整体平均传热系数提高10.51%~17.66%,单个主通道平均传热系数最高可提升27.94%,且θ=45°时连通微通道具有最佳换热特性。该研究有望为芯片高效冷却结构的设计提供指导。     

大管径垂直管道内高压汽液混合流动的数值研究

采用流体体积模型(VOF)对高压环境下190 mm大管径垂直管内水蒸汽-水混合流动进行数值研究。数值计算得到了5.07,10.13与17.23 MPa高压下大管径垂直管内汽液流型分布图及搅混流态的相分布图和速度场分布,并与常压下的计算结果进行对比,以研究压力环境带来的影响。数值结果表明,高压环境下大管径垂直管内的流型图与Hewitt和Roberts流型图的吻合度较差。高压环境下大管径垂直管内没有出现雾状流;泡状流和搅混流的发生区域扩大;弹状流的发生区域被压缩得很小;环状流的变化最小。随着压力的增大,大管径垂直管内汽液搅混流中界面波的高度有所降低;液膜铺展在壁面的面积扩大;系统的稳定性提高。速度场分布是管道中心处速度较大;近壁面处速度场发生振荡;壁面处速度迅速减小至零。随着压力的增大,近壁面处速度场振荡的紊乱程度减轻。根据汽液两相流动特性,分析了发生以上现象的原因。     

细竖管内流动凝结液膜的稳定性分析

从能量分析的角度入手 ,研究细竖圆管内流动凝结过程中各作用因素对凝结液膜波动稳定性的影响 ;分析了管径、重力加速度、干度、表面张力、扰动波长以及相变等因素对液膜波动的作用机理 所得结果将有助于探讨细竖管内流动凝结液膜的波动规律 ,加深对流型的转换和不连续流动成因的理解     

STABILITY ANALYSIS OF FILM DURING FLOW CONDENSATION IN VERTICAL SMALL DIAMETER TUBE

从能量分析的角度入手 ,研究细竖圆管内流动凝结过程中各作用因素对凝结液膜波动稳定性的影响 ;分析了管径、重力加速度、干度、表面张力、扰动波长以及相变等因素对液膜波动的作用机理 所得结果将有助于探讨细竖管内流动凝结液膜的波动规律 ,加深对流型的转换和不连续流动成因的理解     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理，本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化，重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中，气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜，该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果，换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚，液膜热阻相应增大，液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响，结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积，表现出更高的相变传热效率；而小气泡对壁面温度影响较小。     

池沸腾下朝向曲面加热面临界热通量分析模型

堆内熔融物滞留(IVR)策略得以实施的关键在于压力容器下封头外部冷却(ERVC)能力,即压力容器下封头外部临界热通量(CHF)高于下封头壁面对应的热通量。通过结合Helmholtz不稳定性与液膜蒸发,提出了池沸腾下朝向曲面加热面临界热通量的分析模型。由于表面张力作用,内部嵌有汽柱的薄液膜附着在下封头壁面外,Helmholtz不稳定性作用于薄液膜与汽柱的交界面;随着加热表面热通量的增大,汽柱与液膜之间相对速度达到一定时,在Helmholtz不稳定性的作用下,汽液交界面产生畸变,并形成汽膜,阻碍主流液到达加热表面;当加热热通量接近CHF时,液膜逐渐蒸发直至CHF触发。通过该模型计算得到了不同过冷度下,CHF随加热曲面方位角的变化,计算结果与现有的大量实验数据一致性较好。     

INTENSIFICATION OF HEAT AND MASS TRANSFER IN CHANNELS OF PLATE CONDENSERS

An analysis is presented for the main factors which control the intensity of vapor condensation in plate condenser channels, such as heat transfer both in single-phase stream of the coolant and in the condensate film, heat and mass transfer in gas-vapor phase, thermal resistance of fouling at heat transfer surface and pressure drop in condensing stream. On the basis of a relationship between the heat transfer and the wall shear stress, an approximate equation is obtained for calculating heat transfer from the pressure drop data. For calculation of heat transfer in condensate film during the condensation of high speed vapor, an analogy between heat and momentum transport has been used. An analysis of fouling deposition on heat transfer surface has been performed and an equation is presented for calculating the reduction of the fouling thermal resistance as compared with shell and lube heat exchangers. Experimental data are in good agreement with theoretical results. These data have shown the improvement of all the mentioned factors, which determine the intensity of the whole condensation process compared to the same factors in shell and tube condensers. Under the equal conditions, the required area of the heat transfer surface is reduced by 1.6 to 3 limes for the plate condenser, as compared with conventional shell and tube units.     

INTENSIFICATION OF HEAT AND MASS TRANSFER IN CHANNELS OF PLATE CONDENSERS

An analysis is presented for the main factors which control the intensity of vapor condensation in plate condenser channels, such as heat transfer both in single-phase stream of the coolant and in the condensate film, heat and mass transfer in gas-vapor phase, thermal resistance of fouling at heat transfer surface and pressure drop in condensing stream. On the basis of a relationship between the heat transfer and the wall shear stress, an approximate equation is obtained for calculating heat transfer from the pressure drop data. For calculation of heat transfer in condensate film during the condensation of high speed vapor, an analogy between heat and momentum transport has been used. An analysis of fouling deposition on heat transfer surface has been performed and an equation is presented for calculating the reduction of the fouling thermal resistance as compared with shell and lube heat exchangers. Experimental data are in good agreement with theoretical results. These data have shown the improvement of all the mentioned factors, which determine the intensity of the whole condensation process compared to the same factors in shell and tube condensers. Under the equal conditions, the required area of the heat transfer surface is reduced by 1.6 to 3 limes for the plate condenser, as compared with conventional shell and tube units.     

V型导液槽对HFC245fa水平管束外冷凝换热影响

试验研究了HFC245fa在水平光管与强化管管束外的冷凝换热特性,提出在管束中加装V型导液槽来消除管束效应的方法,并通过试验研究了V型导液槽对管束冷凝换热特性的影响。试验管束由4列排深为5排的列管构成,带导液槽管束的前4排管下方加装了两段长度为450 mm的导液槽;试验换热管公称外径为19.05 mm、换热长度为1000 mm。试验中,以Wilson描点法获得强化换热管水侧对流传热系数,以对比试验方法研究了V型导液槽对水平管束外冷凝换热性能的影响。结果表明：传统的管束效应模型仅在较小的热通量范围适用;凝液在管间的迁移形态与流态随管上作用凝液量的系列变化是导致管束效应变化的主要因素;加装导液槽可有效控制凝液在管间的迁移,控制管束效应;加装导液槽使光管单管冷凝传热能力下降10%左右,使光管管束总体换热能力提升4.5%相似文献   

相分离概念调控水平管分层流流型

冷凝传热广泛存在于各种冷凝器中,传统冷凝管内厚液膜将蒸汽与冷壁面隔开,是恶化冷凝传热的根本原因。提出采用非能动相分离概念,在冷凝管内设置柱状金属丝网,管壁与丝网之间形成环形间隙。液体在表面张力作用下被捕获到丝网内,气相在环隙内流动,使气液相分布与传热协同。为验证这一新颖学术思想,开展空气-水两相流实验,获得相分离概念调控水平管内分层流实验结果。发现当水平管内具有一定液位高度时,全部液体被捕获到网内流动,管壁完全被气相覆盖,实现“气托液”模式。水平管内液位较低时,部分液体被捕获至丝网内,气相与管壁接触面积增大。按以上相分离方法对分层流的调控,在发生冷凝传热时,预期可实现高强度冷凝传热。     

重力对垂直相分离冷凝管内流型调控的影响

随着重力的降低,冷凝换热性能急剧恶化,特别在微重力条件下,流型与传热极不协同,所需的冷凝长度要比地面常规重力情况大一个数量级。基于非能动相分离概念的适用于不同重力条件的新型相分离冷凝管,促进了流型与传热的协同,极大强化了冷凝换热。在地面常规重力、小重力和微重力情况下,数值研究了新型冷凝管内垂直上升的空气-水两相流型的调控过程。通过研究得出:在三种不同重力条件下,均呈现“气在壁面,液在中心”的全新分布模式,特别是在微重力情况下,环隙区域内完全被气体占据,液体完全在核心区域内流动;重力越小,调控后液膜厚度减小幅度越大,特别在微重力条件下,减薄到1/32;重力越小,调控后薄液膜主导的冷凝换热量提高幅度越大,特别在微重力条件下,调控后提高到57.4倍,极大地强化了冷凝换热。总体来说,重力越小,流型调控过程越有利于强化冷凝换热。     

水平管束冷凝换热设计计算问题讨论

针对大型水平管束冷凝换热设计计算,对水平管束膜状冷凝换热系数典型公式进行了对比分析;结合管束结构及冷凝液膜流动行为,阐明了相关公式的适用条件、计算结果差异及原因。然后通过工程实例计算对比和壳程蒸汽流动模拟进一步表明,现有相关公式因未能充分考虑冷凝加热器中蒸汽流动的多方向性及其对冷凝液膜的扰动,其换热系数计算值明显低于实际;并针对大型水平管束冷凝换热工程计算模型的完善,对进一步的研究工作提出了建议。     

水平管内含空气蒸汽流动冷凝局部换热特性

通过进行含空气蒸汽在水平管内强制对流冷凝换热实验,结合流型判断结果,详细分析了空气质量分数、混合气流速和压力以及换热管内壁面过冷度对局部冷凝传热系数的影响。结果表明:局部冷凝传热系数始终随空气质量分数的增加而减小,随混合气总压的增加而增大;在环状流下,局部传热系数主要受混合气流速影响;在波状流下,局部传热系数大小由局部空气含量和波状流的发展程度决定;在分层流下,局部传热系数受壁面过冷度影响。     

宽矩形硅微通道中流动冷凝的流型

对水力直径90.6 μm、宽深比9.668的矩形硅微通道中的流动冷凝过程进行了可视化研究。研究发现,宽矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠状-环状复合流、喷射流和弹状-泡状流等流型。在珠状-环状复合流区,冷凝液膜可覆盖通道竖直侧壁,而在通道长边上,仍然为珠状凝结。喷射流位置随着入口蒸气Reynolds数的增大而延后,通道截面形状对流动冷凝不稳定性也存在很大影响。喷射流之后为弹状-泡状流,弹状气泡沿程逐渐缩短,并在表面张力的作用下收缩成圆球形气泡。冷凝通道的平均传热系数将随着入口蒸气Reynolds数的增大而增大。