低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究（可編輯）

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蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

昌堡

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摘要

換熱器廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力及能源等工業(yè)領(lǐng)域。本文以低溫領(lǐng)域應(yīng)

用較廣的翅片管換熱器為研究對(duì)象,對(duì)低溫?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行研究。通過設(shè)

計(jì)星型翅片管氣化器以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了新的設(shè)計(jì)方案。

首先對(duì)翅片的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,歸納了相應(yīng)的計(jì)算式。

再對(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱進(jìn)行了深入分析,把低溫流體在翅片管內(nèi)吸熱氣化的過程分為

單相液體對(duì)流換熱、氣液兩相對(duì)流換熱、缺液區(qū)換熱及單相氣體的對(duì)流換熱四個(gè)

過程,從而將氣化器的設(shè)計(jì)計(jì)算分為四個(gè)部分來考慮,這樣便于選用適用性強(qiáng)、

準(zhǔn)確度高的關(guān)聯(lián)式,使氣化器的設(shè)計(jì)更加合理準(zhǔn)確。

對(duì)一給定基本設(shè)計(jì)參數(shù)的翅片管氣化器進(jìn)行了設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的目標(biāo)是計(jì)算翅片

管的長度。本文采用分段計(jì)算原理,以試算法為基礎(chǔ),選用各段合適的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)

式,完成氣化器的穩(wěn)態(tài)傳熱設(shè)計(jì)。由于氣化器工作時(shí)實(shí)際上大部分時(shí)間都是處于非

穩(wěn)態(tài)換熱,故將換熱過程視為穩(wěn)念時(shí)計(jì)算得出的翅片管長度為最大值。然后采用

非穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算,盡管氣化器工作時(shí)大部分時(shí)間都是處于非穩(wěn)態(tài)換熱,

但由試驗(yàn)分析得出經(jīng)過一段不太長的時(shí)問后翅片管某固定截面處溫度會(huì)趨于穩(wěn)定

值,即整個(gè)氣化器的換熱可以認(rèn)為是穩(wěn)定的,故用非穩(wěn)態(tài)算法得出的是設(shè)計(jì)的下限

值。

由于穩(wěn)念傳熱更符合氣化器的實(shí)際工作情況,則以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為依據(jù),參

考非穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)值作出減小%的修正,完成氣化器的設(shè)計(jì)。最后通過試

驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行。設(shè)計(jì)的氣化器可以滿足工作要求,同時(shí)也不使設(shè)計(jì)

值過于保守,節(jié)約了材料,減少了投資。

通過實(shí)例設(shè)計(jì),確定了各段設(shè)計(jì)都可以將翅片管的導(dǎo)熱熱阻忽略,同時(shí)壓降不

大時(shí),流體物性變化可以忽略,從而使設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化,為同類換熱器的設(shè)計(jì)提供

了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞:低溫?fù)Q熱器;翅片管氣化器;設(shè)計(jì);穩(wěn)態(tài):非穩(wěn)態(tài);氣液兩相低溫翅片管換熱器的毆計(jì)計(jì)算研究塒如】,,【?

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蘭州理工大學(xué)

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明

本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的

研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或

集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均

已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。

作者簽名:昌竊期:‖彩年歹月刀同

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儲(chǔ)

碩十學(xué)位論文

論

第一章緒

.工業(yè)背景

在工業(yè)生產(chǎn)中,凡是用來實(shí)現(xiàn)冷熱液體熱量交換的設(shè)備,統(tǒng)稱為換熱器。它

在化工、煉油、原子能、建筑、機(jī)械、交通等許多技術(shù)領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。

如化工生產(chǎn)中的加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器、再沸器、氣化器等。又如熱

力發(fā)電廠中的空氣預(yù)熱器、蒸汽過熱器、凝汽器和冷水塔等,為了滿足不同生產(chǎn)

條件的需要,各工業(yè)部門采用多種多樣的換熱器。且根據(jù)以往的統(tǒng)計(jì),熱交換器

的噸位占整個(gè)工藝設(shè)備的%,有的甚至高達(dá)%;在煉油、化工裝置中換熱器占

總設(shè)備數(shù)量的%,占總投資的%一%,其重要性可想而知。

從世紀(jì)?年代的照搬國外到年代消化和吸收,進(jìn)入年代以來國

內(nèi)又出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的新趨勢(shì),大量的強(qiáng)化傳熱元件被推向市場(chǎng),形成

第一次傳熱開發(fā)浪潮。到年代中期,大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置中,

帶來了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益?。近幾年來,國內(nèi)在節(jié)能、增效等方面改進(jìn)換

熱器性能,在提高傳熱效率,減少傳熱面積,降低壓降,提高裝置熱強(qiáng)度等方面

的研究取得了顯著成績。流程優(yōu)化軟件技術(shù)的發(fā)展帶來了換熱器應(yīng)用的增多,高

效換熱器的使用有效地提高了能源的利用率,使企業(yè)成本降低,效益提高。

.換熱器國內(nèi)外現(xiàn)況綜述

..換熱器的分類和特點(diǎn)

換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見,在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍,特別是耗能用量十

分大的領(lǐng)域,隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展,換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不

同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器,結(jié)構(gòu)和型式亦不同,下面就

各換熱器分類進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

換熱器的結(jié)構(gòu)類型繁多,但按其傳熱特牲可分為三類:混合式換熱器、蓄熱

式換熱器和問壁式換熱器”。其中間壁式熱交換器應(yīng)用最為廣泛,且類型也是多種

多樣。如果以傳熱面的結(jié)構(gòu)來分,可分為管式和板式兩大類,現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹。

混合式換熱器。它是利用兩種換熱流體的直接接觸與混合作用來進(jìn)行熱量

交換。換熱流體介質(zhì)通常是一種為液體,另一種為氣體?；旌鲜綋Q熱器操作的一

個(gè)主要因素就是使兩種流體接觸的面積盡可能大,以促進(jìn)它們之間的熱量交換。

為了獲得大的接觸面積,可在設(shè)備中設(shè)置擱柵或填料,有時(shí)也可把液體噴成細(xì)滴。

此類設(shè)備通常做成塔狀。低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

蓄熱式換熱器。這類換熱器用量極少,原理是通過一種固體物質(zhì),熱介質(zhì)先

通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后,冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱,使之達(dá)到傳遞

熱量的目的。

間壁式換熱器。這類換熱器用量非常大,占總量的%以上,原理是熱介

質(zhì)通過金屬或非金屬將熱量傳遞給冷介質(zhì)的傳熱設(shè)備,這類換熱器人們通常稱為

管殼式、管翅式、板式、板翅式或板殼式換熱器。

..國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r

國內(nèi)外對(duì)于換熱器的研究工作一直都很重視,隨著能源的日趨緊張,環(huán)境保

護(hù)要求的提高,換熱器的研究也越來越受到各方面的歡迎和支持。

美幽傳熱研究公司足一個(gè)國際性、非贏利性的合作研究機(jī)構(gòu),會(huì)員

數(shù)百家,遍及全球,在傳熱機(jī)理、兩相流、振動(dòng)、污垢、模擬及測(cè)試技術(shù)主面作

出了很大貢獻(xiàn)。近年來,該公司在計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)上發(fā)展很快,所丌發(fā)的網(wǎng)

絡(luò)優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設(shè)計(jì)軟件計(jì)算準(zhǔn)確,不僅節(jié)省了人力,提高了效率,

而且提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。目前國內(nèi)有近家成為會(huì)員“。。

英國傳熱及流體服務(wù)中心,隸屬于英國原子能管理局。該中心有會(huì)員

數(shù)百家,長期從事傳熱與流體課題的研究,所積累的經(jīng)驗(yàn)和研究成果不僅用于原

子能工業(yè),而且用于一般工業(yè)。它在傳熱與流體計(jì)算上更精確,開發(fā)的、

各類換熱器計(jì)算軟件備受歡迎,國內(nèi)有多家企業(yè)成為會(huì)員?。

國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)、高等院校對(duì)傳熱理論及高效換熱器的研究一直非常重視,走

過了從引進(jìn)、消化、吸收、發(fā)展到自主丌發(fā)的歷程。在強(qiáng)化傳熱元件方面華南理

工大學(xué)相繼丌發(fā)出表面多孔管、螺旋槽管、波紋管、縱橫管等;西安交大在板翅

式換熱器研究方面已取得一定成果;蘭州石油機(jī)械研究所開發(fā)了折流桿換熱器、

高效重沸器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器等一批實(shí)用價(jià)值高的系列高效換熱器。這些技術(shù)

成果為國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,為中國的煉油、化工業(yè)的發(fā)展起了巨大作用,也使

中國的傳熱技術(shù)水平步入了國際先進(jìn)水平。?。

,.換熱器研究及發(fā)展動(dòng)向

物性模擬研究。換熱器傳熱與流體流動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性,取決于物性模擬的

準(zhǔn)確性。因此,物性模擬一直為業(yè)界重點(diǎn)研究課題之一,特別是兩相流物性的模

擬。兩相流的物性基礎(chǔ)來源于實(shí)驗(yàn)室的模擬,但實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際工、況很復(fù)雜,準(zhǔn)

確性還有待提高。為此,要求物性模擬在實(shí)驗(yàn)手段上更加先進(jìn),測(cè)試儀的準(zhǔn)確率

更高。從而使換熱器的計(jì)算更精確,材料更節(jié)省。物性模擬將代表換熱器的經(jīng)濟(jì)

技術(shù)水平。

強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究。各種新型、高效換熱器將逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。添

加物強(qiáng)化沸騰傳熱技術(shù)、通入惰性氣體強(qiáng)化傳熱技術(shù)、滴狀冷凝技術(shù)、磁場(chǎng)動(dòng)力碩士學(xué)位論文

傳熱技術(shù)等將會(huì)在新的世紀(jì)得到研究和發(fā)展。

大型化及能耗研究。換熱器將隨裝置的大型化而火型化。在國外管殼式換

熱器最大直徑已達(dá)到瓏珊,面積達(dá)到聊,重量達(dá)到,。節(jié)能的需求

也將促進(jìn)換熱器朝高效、可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的方向發(fā)展。

控制結(jié)垢及腐蝕的研究。通過對(duì)污垢形成的機(jī)理,生成速度,影響因素的

研究,預(yù)測(cè)污垢線,從而控制結(jié)垢,這對(duì)傳熱效率的提高將帶來重大的突破。腐

蝕技術(shù)的研究將會(huì)更加深入,低成本、高效的金屬防腐鍍層技術(shù)將會(huì)得到發(fā)展。

.換熱器研究的意義

隨著工農(nóng)業(yè)的日益發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,能源緊張已成為世界性

重大問題之一。世界各國都紛紛尋找新的能源及節(jié)約能源的途徑,而換熱器是丌

發(fā)利用和節(jié)約能源的有效設(shè)備,在傳熱和余熱回收,利用地?zé)?太陽能等方面都

離不開換熱器,因此換熱器的研究倍受重視,從換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)

到傳熱機(jī)理的研究都是很有廣闊前景的。

熱交換是一種復(fù)雜的過程,它是由系統(tǒng)內(nèi)兩部分的溫度差異而引起的,熱量

總是自動(dòng)地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、

對(duì)流和輻射三種。因此在換熱器中,熱量總是從熱流體傳給冷流體,起加熱作用

的熱流體又稱加熱介質(zhì),如水蒸汽、煙道汽、導(dǎo)熱油或其它高溫流體等:起冷卻

作用的冷流體又稱為冷卻介質(zhì),如空氣、冷凍水、冷凍鹽水等。在熱交換過程中,

熱冷流體的溫度是因整個(gè)流程而不斷變化的,即熱流體的溫度由于放熱而下降,

冷流體的溫度由于吸熱而上升‘?。

由于換熱條件不盡相同,換熱器有多種形式。每種結(jié)構(gòu)形式都有其特點(diǎn)和適

用范圍,只有熟悉和掌握這些特點(diǎn),并根據(jù)生產(chǎn)工藝具體情況,才能進(jìn)行合理的

傳熱研究、換熱器的選型和正確的設(shè)計(jì)。我國正處在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期,工業(yè)上

對(duì)于換熱器的應(yīng)用越來越廣泛,同時(shí)對(duì)換熱器的換熱性能要求也越來越高。雖然

我國在換熱器的研發(fā)方面取得了豐碩的成果,開發(fā)了許多效率很高、性能很好的

換熱器,有的還達(dá)到了國際水平,但是還有許多問題尚待解決,有些換熱器仍需

依賴進(jìn)口,仍有一些設(shè)計(jì)和計(jì)算是照搬國外的成果或是依據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行研

究設(shè)計(jì)的,某些換熱器的分析研究還沒有建立起來。因而對(duì)換熱器進(jìn)行研究是十

分有必要的,在節(jié)能降耗和提高經(jīng)濟(jì)效益等方面均具有重要的意義。

.本課題研究的翅片管換熱器概述

..翅片管換熱器簡(jiǎn)介

翅片管換熱器是眾多換熱器中的一種,它是在管的表面加裝翅片制成,在動(dòng)低漏翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

力、化工等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用,許多螺旋型換熱器面或螺紋管也都可看作是翅

片管。它對(duì)擴(kuò)展換熱面積和促進(jìn)湍流有顯著作用,無論對(duì)單相對(duì)流換熱器和相變

對(duì)流換熱器都具有很大價(jià)值。翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)與一般管殼式換熱器基本相同,

只是用翅片管代替了光管作為傳熱面,由于傳熱加強(qiáng),結(jié)構(gòu)緊湊,故可做成緊湊

式換熱器”。?。翅片管換熱器常用于加熱管內(nèi)氣體,如現(xiàn)在應(yīng)用較多的低溫液體氣

化器,
毋、
肥、肌留等低溫液體槽車的自增壓器都可用翅片管形式的換熱器。??。

常用的翅片有橫向和縱向兩類,其它類型都是這兩類的變形,如大螺旋角翅片管、

螺紋管等,前者接近縱向,后者接近橫向。翅片可在管內(nèi)、管外或內(nèi)外兼有。翅

片管按制造方法不同可分為整體翅片、焊接翅片和機(jī)械連接翅片。圖.所示的

是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的幾種翅片形式。

③豢豢囂臻

四一瓣雛

圖常見的幾種翅片形式

整體翅片山鑄造,機(jī)械加工或軋制而成,翅片與管子一體,無接觸熱阻,強(qiáng)度高

耐熱震和機(jī)械震動(dòng),因而傳熱、機(jī)械和熱膨脹等性能較好。

翅片管的材料范圍很』“,有碳鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合會(huì)、鈦、

蒙/爾合會(huì)等,有時(shí)還采用雙金屬翅片以節(jié)約貴重金屬,同時(shí)又能適應(yīng)耐腐蝕性

等工藝要求。由于翅片管應(yīng)用廣、材料和制造方法多樣,工、№發(fā)達(dá)國家都已標(biāo)準(zhǔn)

化、系列化,并有專、的研究機(jī)構(gòu)和制造廠。

翅片管的優(yōu)點(diǎn)主要是?！?

傳熱能力強(qiáng)。翅片管與光管相比,傳熱面積可增大~倍,傳熱系數(shù)

可提高~倍。例如當(dāng)空氣流速為.~/時(shí),空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)以光管

外表面為基準(zhǔn)約可達(dá)~‖,?℃。

結(jié)構(gòu)緊湊。趔片管由于單位體積傳熱面加大,傳熱能力增強(qiáng),同樣熱負(fù)

荷下與光管相比,翅片管換熱器管子少。殼體直徑或高度可減小,因而結(jié)構(gòu)緊湊

兒便于布置。

用料范圍廣。翅片管的材料范圍很廣,有碳鋼、不銹鋼、鋁及錨合會(huì)、

鈦、蒙乃爾合金等,有時(shí)還采用雙金屬翅片以節(jié)約貴金屬同時(shí)又能適應(yīng)耐腐蝕性碩十學(xué)位論文

等工藝要求。

翅片管的另一個(gè)特性是結(jié)垢減輕。翅片管不會(huì)象光管那樣沿圓周或軸向

結(jié)成均勻的整體垢層,沿翅片和管子表面結(jié)成的污垢在脹縮作用下,會(huì)在翅根處

斷裂,促使硬垢自行脫落,這樣就有利于長時(shí)間保持較高的傳熱性能。

對(duì)于相變換熱,可使換熱系數(shù)或臨界熱流密度及“惡化含氣量”提高。

翅片管的主要缺點(diǎn)是造價(jià)高和流阻大。例如空冷器的翅片管由于工藝復(fù)雜,

其造價(jià)達(dá)設(shè)備費(fèi)用的一%。

..低溫系統(tǒng)中翅片管氣化器的應(yīng)用

.

.常用氣化流程

翅片管換熱器在石油和石化工業(yè)的應(yīng)用比較廣泛。因?yàn)槌崞軗Q熱器結(jié)構(gòu)相

對(duì)比較簡(jiǎn)單,體積較小,重量較輕,制造和使用也比較方便,因而在各種低溫液

體氣化器,低溫槽車及低溫貯罐應(yīng)用的自增壓器等設(shè)備中應(yīng)用較多?“?。圖.

為典型的低溫氣化系統(tǒng)流程。通過低溫液體泵將貯槽中的低溫液體抽出經(jīng)高壓氣

化器氣化后充入鋼瓶,供各分散用戶使用:也可經(jīng)低壓氣化器氣化后供集中用氣

戶使用。

接充氣瓶

揍充氣瓶

圖低溫液體充裝系統(tǒng)

表壓

蹶丘每肌

甄

鴦

腿●上如四

熙

圖低溫液體集中供氣系統(tǒng)流程低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

..氣化器形式

目前國內(nèi)外常采用的氣化方法有幾種,根據(jù)熱源的不同,氣化可分為兩大類:

一類使用自然熱源如:空氣、海水;另一類使用人工熱源如:燃?xì)?、電?/p>

使用自然熱源的氣化器的體積都很大,需要人量的熱流體,雖然它的投資巨

大,但操作成本低。另外,由于體積過大或因冬季熱交換管結(jié)冰不能運(yùn)行,所以

大中型氣化站很少用空氣做熱源,如日本等海邊地區(qū)大多用海水作為熱源。使用

人工熱源的氣化器因可以使用高溫?zé)嵩?使氣化器結(jié)構(gòu)緊湊,成本低廉,但操作

成本較高,在氣化站中,大都用于調(diào)峰及備用??。

在氣化站中,常用氣化器有水浴式氣化器和空溫式氣化器兩種形式。水浴式

氣化器使用熱水作為熱源,產(chǎn)氣量大,結(jié)構(gòu)緊湊,但投資費(fèi)用較高,且在氣化器.丁

作時(shí)有些部位町能結(jié)冰,使傳熱系數(shù)降低,影響氣化器的正常工作。

窄溫式氣化器如圖.使用空氣作為熱源,節(jié)約能源,操作費(fèi)用低廉。但

北方城市冬季最低氣溫較低一般在一~℃,使用空溫式氣化器,冬季容易結(jié)霜,

進(jìn)而降低傳熱效果,可能會(huì)使出口溫度小于℃,不能滿足生產(chǎn)要求。因而要對(duì)其

進(jìn)行合理設(shè)計(jì),以滿足常運(yùn)行要求。精心設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的空溫式氣化器既環(huán)保節(jié)

能,又能獲得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益,在全球能源益緊缺的今天,應(yīng)大力推,。和

支持空溫式氣化器的使用。

圈.空溫式氣化器外形圖壩十學(xué)位論文

.本課題研究的主要內(nèi)容及意義

.。本課題研究的主要內(nèi)容

本課題主要是從傳熱學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的角度來對(duì)換熱器的換熱特性進(jìn)

行分析研究,并具體針對(duì)當(dāng)前在低溫領(lǐng)域應(yīng)用比較廣‘泛的翅片管氣化器進(jìn)行設(shè)計(jì)

計(jì)算研究。建立翅片管氣化器液相、氣液兩相、氣相分段模型;對(duì)各段分別建立

溫度場(chǎng)模型并進(jìn)行傳熱分析,重點(diǎn)是對(duì)各段的導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行分析:

對(duì)翅片管換熱器的阻力壓降進(jìn)行分析計(jì)算:對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算研究,并提出具

體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

..本課題研究的意義

星型翅片管如圖.是眾多翅片管形式中的一種,其傳熱機(jī)理與其它翅片

管大體類似,但星型翅片管結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單且便于制造、檢修,在低溫液體汽化器、

低溫槽車的自增壓器等設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。但目前對(duì)星型翅片管在低溫系統(tǒng)中

的專業(yè)性研究還比較少,一般是依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的,實(shí)際

應(yīng)用偏差較大,有些氣化量不足,影響生產(chǎn),有些過大,造成浪費(fèi)。

本課題通過對(duì)低溫液體在翅片管內(nèi)的吸熱氣化過程進(jìn)行分析,提出一個(gè)適用

性強(qiáng)、比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方案,為類似翅片管氣化器的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

綜上所述翅片管換熱器在石油和石化工業(yè)的應(yīng)

用比較廣泛。因?yàn)槌崞軗Q熱器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,

體積較小,重量較輕,制造和使用也比較方便,因

而在各種低溫液體氣化器,低溫槽車及低溫貯罐應(yīng)

用的自增壓器等設(shè)備中應(yīng)用較多。而目前對(duì)于在低

溫環(huán)境中使用的翅片管氣化器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究還比

較少,因而此課題的研究是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)基

礎(chǔ)性工作,為合理選擇換熱器和可靠地運(yùn)行及其經(jīng)

濟(jì)評(píng)價(jià)提供理論和技術(shù)依據(jù),也可作為工程設(shè)計(jì)的

參考。

圖星型翅片管低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

第二章翅片的導(dǎo)熱分析

.等截面直肋翅的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析

..矩形肋翅片穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析

疊

嚴(yán)一

/

』葉鼉

一瞬?彭翻一口。:卜

肋基

??【??一

圖.等截面直肋的導(dǎo)熱

參考文獻(xiàn),,矩形肋片翅片是等截面直肋的一種形式。設(shè)肋片的高

度為,,寬度為,厚為,肋片的橫截面積為,肋片的周邊長為。己知肋片金

屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。由于肋片金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)比較大,肋片的高度比

肋片的厚度大得多,所以近似地認(rèn)為肋片內(nèi)沿厚度方向的溫度變化很小,而僅沿

肋片高度方向發(fā)生明顯的變化,即認(rèn)為肋片內(nèi)的溫度分布是沿方向的一維穩(wěn)態(tài)

溫度場(chǎng),并把方向的換熱量視為與肋片方向?qū)徇^程同時(shí)存在的『內(nèi)熱源。

丁足肋片內(nèi)的導(dǎo)熱過程可作為『內(nèi)熱源的‘維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題來處理。

肋片的溫度沿方向足變化的,所以肋片表面的對(duì)流換熱量沿方向也是變化

的,相應(yīng)地內(nèi)熱源強(qiáng)度沿方向也應(yīng)是變化的。如圖.所示。若在距肋基處

取‘長度為的微?段,該段的對(duì)流換熱量為“,一慨,式中是微元段肋片

的溫度,,,是周圍介質(zhì)的溫度,是肋片與周圍介質(zhì)之間的對(duì)流換熱系數(shù),為肋

片周邊長:,三占。

所以微元段的內(nèi)熱源強(qiáng)度應(yīng)為

口‘,一慨,。、

“’“

吼?■忑一

穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的導(dǎo)熱微分方程為

垂箕馨盟:

缸卻出五

則依.和.可得害等『,。

或?qū)懽鞯葝淙~

式中醬,單位形

在處的邊界條件是給定肋基的溫度“即.

在處,邊界條件要復(fù)雜些,先分析一種近似的邊界條件,即假定肋端處溫

度與外界溫度相同,即是絕熱的。則有

.

川

瓤,

這樣.、.、.式給出了整個(gè)問題的完整數(shù)學(xué)描述。若以介質(zhì)溫度,為

基準(zhǔn)的過余溫度臼?,來表示肋片的溫度,則肋基的過余溫度島。一,,肋端處

?。

則式.式可寫為

.

堡:研口

式.是一個(gè)二階線性常微分方程其通解為

.

目?！?。?

卜臼口。

’可根據(jù)邊界條件確定’即將舊粵,。代入∽?腫得

.

』。::

?一?‘

已一?

”一四

”

聯(lián)立求解得呈

?

.得到等截面直肋內(nèi)溫度分布的表達(dá)式

再將,:的值代入式

州一。一“叫低溫翅片管換熱器的毆計(jì)計(jì)算研究

七。,

或?qū)懽髂_。駕鏟℃

竺竽是雙曲線余弦函數(shù),其數(shù)值可從函數(shù)

表中查得。

由于曰。是負(fù)值,故從式.可知肋片內(nèi)的溫度分布是沿高度呈雙曲線余弦

函數(shù)關(guān)系逐漸升高,如圖.所示的口/線。

在穩(wěn)態(tài)情況卜,肋片表面從周圍介質(zhì)吸收的熱量應(yīng)等丁.通過肋片導(dǎo)入肋基的

熱量,因此肋表面的吸熱量為

.

州警。

將.對(duì)求導(dǎo)數(shù),再賦值得

輩:一島矗。

其數(shù)值可以從相應(yīng)的函數(shù)表中查得。

等毛專罷是雙曲線』下切函數(shù)

.得

將上式代入式

.

一朋竽:廁。蒯

應(yīng)該指出,式.和式.是在忽略肋端換熱情況下導(dǎo)得的結(jié)果,對(duì)于一

般工程計(jì)算,特別是薄而高的肋片,可以獲得足夠準(zhǔn)確的結(jié)果。

還須指出,上述分析是近似地認(rèn)為肋片溫度場(chǎng)是一維的。對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)

用的肋片,當(dāng):罌.數(shù)的描述可參見后面章節(jié)時(shí),這種近似分析引

九

起的誤籌不超過%。但是當(dāng)肋片變得較短而且厚時(shí),則必須考慮肋片厚度方向的

溫度變化,即肋片內(nèi)的溫度場(chǎng)是二維的。本文研究的翅片管換熱器其翅片薄而高,

溫度場(chǎng)可以一維來計(jì)算。

.肋翅片效率

肋片表面溫度既然是沿肋高逐漸降低的,那么肋片表面的平均溫度必然低于

肋基的溫度。肋片表面平均溫度的高低直接影Ⅱ向著肋片表面的對(duì)流換熱量。于是

從肋片表面換熱的角度,就提出一個(gè)如何評(píng)價(jià)同體壁加裝肋片后的效果問題。肋

片效率就是衡量肋片換熱有效程度的指標(biāo),它定義為在肋片表面平均溫度。,

肋片的實(shí)際換熱量與假定整個(gè)肋片表面都處在肋基溫度。時(shí)的理想換熱量的

比值,用符號(hào)玎,表示,即碩十學(xué)位論文

旦:竺竺墜二型:籃

.

。

口叫“一,吼

等截面直肋肋片表面的平均溫度目?？梢园聪率接?jì)算

”;跳沖篙鏟出魯四

將上述結(jié)果代入式.,可得

.

乃學(xué)

函數(shù)磊拓和扔蒯的值可查相應(yīng)的函數(shù)表而得。

.等截面直肋翅的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析

..非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念

在自然界和工程上很多導(dǎo)熱過程是非穩(wěn)態(tài)的,即溫度場(chǎng)是隨時(shí)間而變化的。

參考文獻(xiàn),,如圖.所示,設(shè)一平壁,初值溫度“,令其左側(cè)的表面溫度

突然升高到。并保持不變,而右側(cè)仍與溫度為“的空氣接觸,物體的溫度場(chǎng)的變化

過程如下:

首先,物體與高溫表面靠近部分的溫度很快上升,而其余部分仍保持原來的溫

度“,如圖中曲線。隨時(shí)間的推移,由于物體導(dǎo)熱溫度變化波及范圍擴(kuò)大,

到某一時(shí)間后,右側(cè)表面溫度也逐漸升高,如圖中曲線、、。最后,當(dāng)時(shí)

間達(dá)到一定值后,溫度分布保持恒定,如圖中曲線若,則是直

線。

由此可見,上述非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中,存在著三個(gè)不同

階段。

第一階段右側(cè)面不參與換熱。溫度分布顯現(xiàn)

出部分為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱規(guī)律控制區(qū)和部分為初始溫度區(qū)的

混合分布,即:在此階段物體溫度分布受分布的影響較

大,此階段稱非正規(guī)狀況階段。

第二階段右側(cè)面參與換熱。當(dāng)右側(cè)面參與換

熱以后,物體中的溫度分布不受“影響,主要取決于邊界

條件及物性,此時(shí),非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程進(jìn)入到正規(guī)狀況階段。

圖非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程

第三階段。物體加熱或冷卻的第三階段就是建

中的溫度分布

立新的穩(wěn)態(tài)階段,在理論上需要經(jīng)過無限長的時(shí)問才能達(dá)低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

到,事實(shí)上經(jīng)過一段較長的時(shí)間后,物體各處的溫度就可以近似地認(rèn)為已達(dá)到新

的穩(wěn)態(tài)。

..非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)學(xué)模型

.數(shù)學(xué)模型

竺誓量譬黧警方程特定的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題

邊界條件定解條件行芷日勺非穩(wěn)悉導(dǎo)熱叫題

非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的求解規(guī)定的初始條件,邊界條件下,求解導(dǎo)熱微分

方程。

.討論物體處于恒溫介質(zhì)中的第三類邊界條件問題

為了說明第類邊界條件下非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)物體中的溫度變化特征與邊界條件

參數(shù)的關(guān)系,我們來分析以下簡(jiǎn)單情況。

己知平板厚、初溫島、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)口、平板導(dǎo)熱系數(shù)丑,將其突然置于

溫度為,。的流體中冷卻。由于面積熱阻/丑弓/口的相對(duì)大小不同,平板中溫度場(chǎng)

的變化會(huì)出現(xiàn)以下三種情形:

/占/五。因?yàn)楸砻鎸?duì)流換熱熱阻/口幾乎可以忽略,當(dāng)平板突然被

冷卻時(shí),其表面溫度被冷卻到,。,隨著時(shí)問的延長,平板內(nèi)各點(diǎn),一如圖.。

/口占/丑。因?yàn)閮?nèi)部導(dǎo)熱阻占/幾乎可以忽略,即平板內(nèi)導(dǎo)熱的流量

接近于無窮大,所以任意時(shí)刻平板中各點(diǎn)溫度接近均勻,隨著時(shí)間的延長,平扳

內(nèi)各點(diǎn)一,。。,而且整體溫度下降如圖.。

/口與萬/衛(wèi)的數(shù)值接近。平板中溫度分布介于二者之間,如圖.。

一

一

一

一

一

?

斗

為有限大小

圖對(duì)平板溫度場(chǎng)變化的影響

由此可見,上述兩個(gè)熱阻的相對(duì)大小對(duì)于物體中非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度場(chǎng)的變化

具有重要影響。為此我們引入表征這兩個(gè)熱阻比值的無量綱數(shù)碩七學(xué)位論文

口扛坐:墮

/口

式中稱為畢渥數(shù)。

..集總參數(shù)法

由于上述分析可知,曰?是一種極限情況,工程上把尉.看作是接近這種

極限情況的判據(jù),此時(shí)物體中心溫度與表面溫度的差別≤%,接近于均勻一致。即

認(rèn)為此時(shí)物體的溫度是均勻的,這種忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻,認(rèn)為物體溫度均勻

一致的分析方法稱為集總參數(shù)法。

.下面用集總參數(shù)法來求物體溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

設(shè)一任意形狀的物體,其體積為,面積為,初始溫度為。,在初始時(shí)刻,

突然將其置于溫度恒為,。的流體中,且。。,固體與流體問的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)口,

固體的物性參數(shù)均保持常數(shù)。

根據(jù)能量守恒原理,建立物體的熱平衡方程,即

物體與環(huán)境的對(duì)流散熱量物體內(nèi)能的減少量

則有一儼礦粵:口?。

引入過余溫度口一乙

則上式表示成一儼礦掣:口口

其初始條件為吼島一,。

將一儼礦掣:口臼分離變量求解微分方程

.

??一??對(duì)時(shí)間從斗積分,則

塑:一竺。

百一
面出

旦:一竺,

。

.

即旦:上生:一旦

?。

其中

生,:業(yè)堡,:竺型旦』。:脅

肼卵礦/低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研冗

式中/是具有長度的量綱,記為,

墮:畢渥數(shù)

等而傅立葉數(shù)

故得

旦:叢:~而.

吼如一。

.集總參數(shù)法的判別條件

對(duì)形如平板、網(wǎng)柱和球這一類的物體,如果畢渥數(shù)滿足以下條件

.墮..Ⅵ.

五

則物體中各點(diǎn)叫過余溫度的偏差小于%。是與物體幾何形狀有關(guān)的無量綱數(shù)。

無限大平板:

無限長圓柱:/

球:/

畢渥數(shù)的特征長度為/,不同幾何形狀,其值不同

厚度為的平板:吾半占

艘

半徑為的圓柱:

,吹Ⅱ

半徑為的球

礎(chǔ)

.畢渥數(shù),與傅立葉數(shù)而的物理意義

如前所述日表征固體內(nèi)部單位導(dǎo)熱面積卜的導(dǎo)熱熱阻與單位面積上的換熱

熱阻即外部熱阻之比。曰越小,表示內(nèi)熱阻越小,外部熱阻越大。此時(shí)采用

集總參數(shù)法求解更為合適。,的大小反映了物體在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下,物體內(nèi)溫

度場(chǎng)的分布規(guī)律。

數(shù)表征兩個(gè)時(shí)間間隔相比所得的無量綱時(shí)涮即:肋毒

,‘,盤

分子是從邊界上丌始發(fā)生熱擾動(dòng)的時(shí)刻起到所計(jì)時(shí)刻為止的時(shí)間間隔。分

母可視為邊界上發(fā)生的有限大小的熱擾動(dòng)穿過一定厚度的固體層擴(kuò)散到,的面積

上所需的時(shí)間。

而數(shù)表示非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程進(jìn)行的程度,其值越大,熱擾動(dòng)就越深入地傳播到

物體。碩士學(xué)位論文

第三章兩相流與對(duì)流沸騰換熱

.兩相流概論

異質(zhì)物體或系統(tǒng)中,各存在分界面的獨(dú)立物質(zhì)稱之為相。眾所周知,自然界

常見的物質(zhì)有三相即固相、液相和氣相。因此,由任意兩種存在分界面的獨(dú)立物

質(zhì)組成的物體或系統(tǒng)都稱之為兩相物體或兩相系統(tǒng)。。例如,水和冰的混合物為

一種兩相物體,因?yàn)樗捅际谴嬖诜纸缑娴莫?dú)立物質(zhì)。但是,鹽水溶液是一種

單相物體,因?yàn)樵诖巳芤褐宣}和水之間無分界面,鹽和水不是兩種獨(dú)立存在的物

質(zhì)。

兩相物體的流動(dòng)稱為兩相流。在兩相流中,兩相之間不僅存在分界面,而且

這一分界面是隨著流動(dòng)在不斷變化的。因此,兩相流可定義為存在變動(dòng)分界面的

兩種獨(dú)立物質(zhì)組成的物體的流動(dòng)。氣體和固體顆?；旌衔锏牧鲃?dòng)為一種兩相流。

因?yàn)樵诖肆鲃?dòng)系統(tǒng)中不僅存在兩種獨(dú)立物質(zhì),而且這兩種物質(zhì)之唰的分界面是隨

流動(dòng)而變化的。

根據(jù)兩相流的定義,可以將兩相流大致分為如下類”?！?

氣體和液體共同流動(dòng)的氣液兩相流

氣體和固體顆粒共同流動(dòng)的氣固兩相流

液體和固體顆粒共同流動(dòng)的液固兩相流

此外,兩種不同組分液體的共同流動(dòng)也屬于兩相流范疇。

氣液兩相流根據(jù)物質(zhì)組分的不同又可分為兩種:

由同一組分的兩種相組成的氣液兩相流稱為單組分氣液兩相流,例如由

水蒸汽和水構(gòu)成的兩相流。

由不同組分的兩種相組成的氣液兩相流稱為雙組分氣液兩相流,例如由

空氣和水構(gòu)成的氣液兩相流。在不發(fā)生相變的流動(dòng)過程中,單組分兩相流和雙組

分兩相流適用同樣的物理規(guī)律,因而可通稱為氣液兩相流。

根據(jù)換熱情況的不同,氣液兩相流還可分為絕熱氣液兩相流和有熱交換的氣

液兩相流。當(dāng)存在熱交換時(shí),在單組分氣液兩相流中伴隨著流動(dòng)會(huì)發(fā)生工質(zhì)的相

變。故其換熱情況就變得十分復(fù)雜。

氣液兩相流體的流動(dòng)工況在動(dòng)力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工業(yè)中

經(jīng)常遇到。在這些工業(yè)的具有熱交換的設(shè)備中還存在兩相流體的傳熱問題。例如

在核電站和火力發(fā)電站中的各種沸騰管、各式氣液混合器、氣液分離器、各種熱

交換器、精餾塔、化學(xué)反應(yīng)設(shè)備、各式凝結(jié)器以及其它設(shè)備中已廣泛存在氣液兩

相流體的流動(dòng)和傳熱問題。因而,要經(jīng)濟(jì)而可靠地研制、設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)這些設(shè)備必低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

??

一

須具備氣液兩相流體在流動(dòng)和傳熱方面的各種知識(shí)。

.氣液兩相流的流型

..垂直上升管中氣液兩相流流型

氣液兩相流動(dòng)中兩相介質(zhì)的幾何分布狀況稱為兩相流機(jī)構(gòu)或流動(dòng)形式簡(jiǎn)稱

流型”。。流動(dòng)形式不同,氣液兩相流的流體力學(xué)特性和傳熱特性也很不相同,所

以研究流型的鑒別方法以及流型的轉(zhuǎn)換界限具有重要意義,迄今為止一直是國內(nèi)

外高度重視的研究課題””

圖.示有氣液兩相流在垂直管中上升流動(dòng)時(shí)的幾種常見流型?，F(xiàn)分別介紹

如下:

細(xì)泡狀流型。細(xì)泡狀流動(dòng)是最常見的流型之一。其特征為在液相中帶有

散布在液體中的細(xì)小氣泡。直徑在以下的氣泡是環(huán)形的。直徑在以上的

氣泡外形是多種多樣的。

圖

垂直上升管中的流型

~細(xì)泡狀:一氣彈狀;一塊狀;一帶纖維的環(huán)狀;~環(huán)狀

氣彈狀流型。氣彈狀流型由一系列氣彈組成。氣彈端部呈球形而尾部較

平。在兩氣彈之間興有小氣泡,而氣彈與管壁之間存在液膜。

塊狀流型。當(dāng)管內(nèi)‘速增大時(shí),氣彈發(fā)生分裂形成塊狀流型。此時(shí)大小

不一的塊狀氣體在液流中以混亂狀態(tài)流動(dòng)。

帶纖維的環(huán)狀流型。在這種流型中,管壁上液膜較厚且含有小氣泡、管

子核心部分要是氣體,但在氣流中含有山被氣體從液膜帶走的細(xì)小液滴形成的

條纖維。

環(huán)狀流型。在這種流型中,管壁卜有一層液膜,管子核心部分為帶有自

液膜卷入的細(xì)小液滴的氣體。環(huán)狀流型都發(fā)生在較高,體流速時(shí)。在受熱管道中,

當(dāng)管壁溫度高劍足以使管壁液膜汽化時(shí),流動(dòng)結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)展到壁上無液膜,只有

氣相中還含有細(xì)小液滴的霧狀流犁。碩十學(xué)位論文

圖.表示單組分氣液兩相流體在垂直上升受熱管中的流型和管壁熱流密度

的關(guān)系?？v坐標(biāo)為管子高度,橫坐標(biāo)為熱流密度,溫度低于飽和溫度的液體以

固定流量進(jìn)人各受熱管。各受熱管的熱流密度依次自左往右逐漸增加。由此圖可

見,隨著熱流密度的增大,各管中的沸騰點(diǎn)逐漸移向管子進(jìn)口,各管中的流型也

逐漸由單相液體、細(xì)泡狀流型、氣彈狀流型、塊狀流型、環(huán)狀流型、霧狀流型,

一直發(fā)展到干飽和蒸汽以及過熱蒸氣流動(dòng)。

流

動(dòng)

方

向

熱流密度增大方向

圖.受熱垂直上升管中沸騰時(shí)的兩相流流型

隨熱流密度增加而變化示意圖

一汽泡狀沸騰開始線;一汽泡狀沸騰終止線:一蒸干線;一過熱蒸氣線

..垂直下降管中氣液兩相流流型

圖.為在垂直管中氣液兩相一起往下流動(dòng)時(shí)的流型示意圖。這些流型是從

用空氣一水混合物做試驗(yàn)時(shí)得出的Ⅲ。其它流體的氣液兩相流也有類似的變化情

況。在氣液兩相作下降流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流型和上升流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流型不同?！?/p>

者的細(xì)泡集中在管予核心部分,而后者則散布在整個(gè)管子截面上。

若液相流量不變而使氣相流量增大,則細(xì)泡將聚集成氣彈。下降流動(dòng)時(shí)的氣

彈狀流型比上升流動(dòng)時(shí)穩(wěn)定。

下降流動(dòng)時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)有幾種流型,在氣相及液相流量小時(shí),有一層液膜沿

管壁下流。核心部分為氣相,這稱為下降液膜流型。當(dāng)液相流量增大。氣相將進(jìn)

入液膜,這稱為帶氣泡的下降液膜流型。當(dāng)氣液兩相流量都增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)塊狀流

型。在氣相流量較高時(shí)能發(fā)展為核心部分為霧狀流動(dòng),壁面有液膜的霧式環(huán)狀流

犁。低溫翅片管換熱器的菠計(jì)計(jì)算研究

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二..

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警婁譬%警。圖.垂直下降管中的氣液兩相流流型

一細(xì)泡狀流型:一氣彈狀流型;一降液膜流型;

一帶氣泡的降液膜流型;一塊狀流型:一霧狀流型

.水平管中氣液兩相流流型

氣液兩相流體在水平管中流動(dòng)時(shí)的流型種類比垂直管中的多。這主要是由于

重力的影響使氣液兩相有分丌流動(dòng)的傾向造成的。

氣液兩相流體在水平管中流動(dòng)時(shí)流型大致可分為種。即:細(xì)泡狀流型、氣

塞狀流型、分層流型、波狀分層流型、氣彈狀流型及環(huán)狀流型?！薄?。圖.示有

這種流型的示意圖。

圖.水平管中的氣液兩相流流型

卜一細(xì)泡狀流型;一氣塞狀流型;:一分層流:

‘彼狀分層流型;一氣彈狀流型:一環(huán)狀流璀

在細(xì)泡狀流型中,由于重力的影響,細(xì)泡大都位于管子二部。當(dāng)氣體流量增

加時(shí),小氣泡合并成氣塞形成氣塞狀流型。分層流型發(fā),

液兩相的流量均小碩學(xué)位論文

時(shí)。此時(shí),氣流兩相分開流動(dòng),兩相之問存在一平滑的分界面,當(dāng)氣相流量較高

時(shí)兩相分界面上出現(xiàn)流動(dòng)波,形成波狀分層流型。氣相流量再增大會(huì)形成氣彈狀

流型,但此時(shí)氣彈偏向管子上部。當(dāng)氣相流量很高而液相流量較低時(shí)就出現(xiàn)環(huán)狀

流型。

圖.表示受熱水平管中由于工質(zhì)受熱蒸發(fā)而形成的單組分氣液兩相流流型。

在圖中,液體以小流量流入受熱水平管,流速小于/,液體進(jìn)口溫度略低于飽

和溫度。由于管內(nèi)工質(zhì)受熱蒸發(fā),沿著流動(dòng)方向蒸汽量逐漸增大而流型逐漸由細(xì)

泡狀、氣塞狀、波狀分層狀、氣彈狀變?yōu)榄h(huán)狀流型。

.管內(nèi)沸騰流型與傳熱關(guān)系圖

沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的氣化過程稱為沸騰。沸騰分為大容器沸

騰池內(nèi)沸騰和強(qiáng)制對(duì)流沸騰管內(nèi)沸騰。這些又可以分為過冷沸騰和飽和沸

騰”’“?。理論分析與實(shí)驗(yàn)證明,產(chǎn)生沸騰的條件是液體必須過熱且要有汽化核心。

沸騰的特點(diǎn)是:

液體汽化吸收大量的汽化潛熱。

由于汽泡形成和脫離時(shí)帶走熱量,使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和

強(qiáng)烈的擾動(dòng),所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。

沸騰流體在管道中作強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)的對(duì)流傳熱稱之為強(qiáng)制對(duì)流沸騰傳熱。強(qiáng)制

對(duì)流沸騰傳熱現(xiàn)象在動(dòng)力、化工等工程中是常見的,在設(shè)計(jì)氣化器、蒸發(fā)器、管

式蒸餾器、蒸汽鍋爐、核反應(yīng)堆以及其它強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱裝置時(shí)均需具備這方

面的知識(shí)。

當(dāng)液體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流沸騰時(shí),其沸騰傳熱工況與兩相混合物的流型關(guān)系

密切。如使過冷液體在一均勻加熱的垂直長管中向上流動(dòng)時(shí),當(dāng)熱流密度不過高

且液體沿管長全部蒸發(fā)時(shí),則沿管長的流型及相應(yīng)傳熱方式的變化可用示意圖.

表示““。圖中還表示有管壁溫度和流體溫度沿管長的變化曲線。

在圖示的區(qū),管內(nèi)液體的溫度低于飽和溫度,管壁溫度也低于產(chǎn)生汽泡所

需的溫度,因而此區(qū)中的傳熱方式為液體的單相對(duì)流傳熱。

在區(qū),液體主流溫度仍低于飽和溫度,但管壁溫度已經(jīng)過熱,并且使壁面

附近邊界層的水溫高于飽和溫度,足以產(chǎn)生汽泡,因而在壁面上有汽泡形成。此

區(qū)的傳熱方式稱為過冷汽泡狀沸騰傳熱又叫過冷核態(tài)沸騰。在此區(qū)中,由于主

流溫度仍低于飽和溫度,故汽泡在脫離壁面進(jìn)入主流時(shí)即凝結(jié)而消失。

在區(qū)和區(qū),管子中的工質(zhì)溫度等于相應(yīng)壓力下的飽和溫度,而管壁又過

熱到能足以產(chǎn)生汽泡的溫度。此區(qū)的傳熱方式稱為飽和汽泡狀沸騰又叫飽和核

態(tài)沸騰。在此兩區(qū)中產(chǎn)生的蒸汽量沿管長逐漸增多,兩相流體的流型則由細(xì)泡狀

流型、氣彈狀流型發(fā)展到環(huán)狀流型的初始階段。低溫翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

在區(qū)和區(qū)中,隨著蒸汽干度進(jìn)一步增加,蒸汽在管子中心形成一個(gè)汽柱

而大部分水則以壞狀液膜形式沿管壁流動(dòng)。此時(shí)管壁熱量是通過液膜傳到汽液分

界面上的,傳熱較強(qiáng)烈。因此管壁過熱度降低到在壁面上不會(huì)產(chǎn)生汽泡而在汽液

分界而上液體不斷蒸發(fā)的溫度。這種傳熱方式稱為通過液膜的兩相強(qiáng)制對(duì)流傳熱。

在區(qū)。由于液膜不斷蒸發(fā)及液膜被管予核心部分汽流卷走,沿管長液膜越

來越薄,最后壁上液膜完全消失,出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象區(qū)。此時(shí),壁面直接同蒸汽

接觸,傳熱大為惡化,壁溫急劇卜升,換熱系數(shù)迅速下降。

區(qū)稱為缺液區(qū)。在區(qū)中的流型為霧狀流動(dòng)。在缺液區(qū)中,蒸汽由丁和管壁

接觸而過熱,央帶于汽流中的液滴受到蒸汽的加熱而蒸發(fā),到汽流中的液滴全部

蒸發(fā)完時(shí)即進(jìn)入傳熱方式為單相蒸氣對(duì)流傳熱的區(qū)。

回圓囫圓

蒸氣對(duì)

目氣流傳熟

溫度卜十

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、蒸汽核

流動(dòng)缺≈區(qū)

、

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灑體液島

飽和溫度/

圖

垂直管中強(qiáng)制對(duì)流沸騰時(shí)的流型與傳熱區(qū)域關(guān)系圖

圈。所示為熱流密度不高時(shí),流體溫度和管壁溫度沿管長變化的曲線?，F(xiàn)

在來討論一下熱流密度增大時(shí),換熱系數(shù)隨干度的增加而變化的情況。圖.所

示為換熱系數(shù)隨熱流密度和千度增加而變化的曲線。。。:套竺。:‘中二橫坐標(biāo)為干度縱坐標(biāo)為換熱系數(shù)口,熱流密度自曲線到Ⅷ

妻冀簍翌翌大:?；??所示工況相應(yīng)為圖.中曲線的情況。三妄姜蒿茗茄

冀鋈妻度葷:,。蘭冀娑騰發(fā)生得早些,蒸干也在較低干度時(shí)發(fā)生。曲夏蕓票篡嘉

霎譬簍:竺薹駕竺竺影響。此時(shí),過冷沸騰更早發(fā)生,且隨著干度磊磊吳,”三芝

耋耋蘭竺沸等量警苧出現(xiàn)了傳熱惡化現(xiàn)象,使壁溫急劇升高。這囊苗葛蠆巍嘉薹

度警苧竺。苧然孝鎏尚處在汽泡狀沸騰區(qū)域,但在壁面上會(huì)形成大量丟磊鼻囂蓋

?’”

:曼票凳釜曼掌矍將管壁和液體隔開,管壁得不到液體冷卻,薹贏遺并警

這種傳熱工況稱為偏離汽泡狀沸騰。

,。。進(jìn):蘭翌奎銎鎏密度壺口Ⅵ曲線和Ⅶ鹽線。將使偏離汽泡狀沸騰發(fā)生在過冷

要警二要在飽竺娑警區(qū)中將發(fā)生膜態(tài)沸騰傳熱后出現(xiàn)缺液區(qū)傳熱工況。薈至蕓

態(tài)沸騰時(shí),一層導(dǎo)熱性能很差的汽膜覆蓋住受熱面,因而使換熱系藪磊哥蘸麓”‘

。“。

堙刺加流沸騰時(shí)的換熱系數(shù)、熱流密度和干度的關(guān)系曲線圖

.對(duì)流換熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式

。單相流體對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式光滑管單相流體對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式

、。女盯點(diǎn)苧娑’竺粵液體吸熱氣化時(shí)會(huì)經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化,故其換熱系數(shù)的

一莖苧竺簍苧量:。需分段進(jìn)行介紹。本節(jié)討論的單相流體對(duì)流換熱關(guān)簇妥善鬲;崔

相液體的對(duì)流換熱以及單相氣體的對(duì)流換熱。

協(xié)。獸鴛鎏竺竺登制對(duì)流換熱計(jì)算式可以參見一般的傳熱學(xué)書籍。單相流體對(duì)流

糞娑苧各耋簍量器、換熱物體和器件中最常見的換熱問題。由于對(duì)嘉簇篡篙;茹

復(fù)雜性,大都還不能用理論方法求解,而主要靠實(shí)驗(yàn)獲得換熱關(guān)聯(lián)式:‘西簇萎:工程應(yīng)用。

由傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)可知?！?。,對(duì)管內(nèi)流體從進(jìn)入管口開始,需經(jīng)歷一段距離,

管斷面流速分布和流動(dòng)狀態(tài)才能達(dá)到定型,這一段距離通稱進(jìn)口段。之后,流態(tài)

定型,流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展,稱為流動(dòng)充分發(fā)展段。流動(dòng)充分發(fā)展段的流態(tài)雷諾

數(shù):型判斷

層流

過渡狀態(tài)

旺盛紊流.

中的“。為管斷面平均速度,所/:定型尺寸為管內(nèi)徑,玳。

紊流換熱。受迫素流換熟準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式可用下列冪函數(shù)表達(dá)

“”“

式中,.Ⅳ“為努謝爾特?cái)?shù);為普朗特?cái)?shù);常數(shù)、、均由實(shí)驗(yàn)研究確定。

對(duì)于光滑管內(nèi)紊流,使用最廣泛的關(guān)聯(lián)式是迪圖斯一貝爾特。

公式加熱流體訛.

.

,。,

冷卻流體脅.。

.

,。,

式.適用于流體與壁面具有中等以下溫度差即該溫差下物性場(chǎng)不均勻性帶來

的誤差不超過工程允許的范圍。

當(dāng)流體與管壁問存在較大溫差時(shí)西得和塔特?推薦的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)

式為

四。,

,一。唧脅,”‖吲”

式巾,‖,和肌分別為流體溫度,,和壁溫。下的流體動(dòng)力粘度,Ⅳ./,當(dāng)加熱

流體時(shí),,,,。則,』,/,。?:反之,當(dāng)冷卻液體時(shí),‖,/肌“。對(duì)于氣

體,情況『好相反。式.的適用條件是:,.?;,;,/們。

此式對(duì)物性場(chǎng)不均勻性影響做了修正,但在計(jì)算時(shí),若壁溫未知,則須采用試算

法進(jìn)行,即先假定。再用最后的結(jié)果進(jìn)行校核。

層流換熱。西得和塔特提出的常壁溫層流換熱關(guān)聯(lián)式為

州.觚‖邸。驢‖鰣”碩十學(xué)位論文

或?qū)懗?/p>

.

賊,.,秒班二

式.的適用范圍是:.;.絲.。計(jì)算時(shí),定

‖/

性溫度取全管長流體的平均溫度,定型尺寸為管內(nèi)徑。

過渡流換熱。在層流和旺盛紊流之間存在過渡流。由于流場(chǎng)中丌始出現(xiàn)

紊流渦旋,過渡流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將隨而增加,而且隨著紊流傳遞作用的增長,

過渡流的換熱規(guī)律是多變的。格尼林斯基推薦的關(guān)聯(lián)式