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倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性研究

时间:2016/6/6 17:16:58

倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性研究

(国家自然科学基金,编号:51466006)

项目的立项依据

随着我国经济总量的增加,对电能的消耗越来越大。因此如何在我国西北部缺水严重的地区火电厂发电过程中减少发电用水非常重要在缺水严重的地区火电厂发电冷却循环系统大多采用空冷闭式循环,因此空冷岛用换热器的性能对节能起决定性作用。为了减少空气侧的阻力,空冷岛用换热器采用异型管翅式换热器,其主要几何参数如图1所示。可以看出空冷岛换热器的主要特点是:倾斜布置;管子特长;蒸汽与凝液有顺流和逆流布置;冷却介质为温度受控于环境的空气。由于空冷岛用换热器耗能较高,通常人们认为,管内凝结换热系数很大,换热器热阻主要取决于管外,但空冷岛用换热器的肋化系数很大(1720),如果管内凝结换热按基于Nusselt的理论分析方法计算其传热系数,该值大约在5000W/m2, 根据总传热系数计算式,管内热阻占总热阻的6%。很显然,要提高换热性能,就必须对管内的流动和传热现象进行深入研究。

倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性研究

1. 空冷岛用椭圆管内凝结示意图:      (a)扁管布置;    (b) 扁管倾斜角度 (c)扁管横截面结构

项目的研究内容

2.1 倾斜椭圆管内单组分强迫对流凝结特性

项目对倾斜椭圆管内单组分强迫对流凝结的如下特性随不同倾角(-90°90°)、不同椭圆管短长轴之比b/a、不同管内质量流速的变化规律进行研究。

(1)两相流流型及液面形状;

(2)传热规律;

(3)阻力特性;

(4)空隙率及凝液夹带现象。

2.2比较倾斜椭圆管与圆管管内单组分强迫对流凝结特性的不同

选择对比的管横截面几何条件,用和2.1相同的实验工况条件下,获得倾斜圆管管内单组分强迫对流凝结的特性:

(1)两相流流型及液面形状;(2)传热规律;(3)阻力特性;(4)空隙率及凝液夹带现象。

在此基础上比较倾斜椭圆管与圆管管内单组分强迫对流凝结特性的不同。

2.3 引起倾斜椭圆管与圆管管内单组分强迫对流凝结特性不同的机理

通过对倾斜椭圆管和倾斜圆管管内凝结基础实验数据的比较,寻求决定倾斜椭圆管和倾斜圆管管内凝结:(1)流型及液面形状的关键参数;(2)传热规律的关键参数;(3)阻力特性的关键参数;(4)空隙率及凝液夹带的关键参数。以上关键参数的总集合是管倾角、蒸汽流向(相向或逆向)、管内质量流速、蒸汽对流强度(蒸汽流入、流出管子的比值及绝对值大小)、管横截面几何尺寸、蒸汽凝结强度或管外侧对流换热强度等。在获得关键参数后,依据关键参数所代表的物理意义、所能引起凝结特性变化的可能性和关键参数影响程度,揭示倾斜椭圆管与圆管管内单组分强迫对流凝结特性不同的机理。

2.4 寻求决定倾斜椭圆管管内单组分强迫对流凝结特性的几何尺寸、工况、倾角及管长组合参数

由于管内凝结不但和管子的当量水力直径有关,还和管壁的曲率有很大的关系。在管子倾斜时凝液在管横截面所占据的面积又和工况、倾角及管长直接相关,从而应寻求几何尺寸、工况、倾角及管长的一组合参数来描述倾斜椭圆管管内单组分强迫对流凝结特性。图3所示椭圆管内汽液截面与截面几何尺寸、工况、倾角及管长关系的示意图。

倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性研究     倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性研究

倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性研究

3. 椭圆管内汽液截面与截面几何尺寸、工况、倾角及管长关系的示意图

2.5 探索倾斜椭圆管管内单组分强迫对流凝结特性的相似条件

相似条件是推广使用已有实验数据的重要依据,不但代表着对物理现象的深刻认识和描述,同时是指导寻求普适规律的迫切需要。该研究内容是在2.1.1的基础上做更多的不同横截面管子、长度及不同工况的实验,在实验数据和2.1.4研究内容的基础上进一步归纳总结出蒸汽在椭圆管内强迫对流凝结的相似条件。

3项目研究目标

3.1 获得倾斜椭圆管内单组分强迫对流凝结随不同倾角(-90°90°)、不同椭圆管短长轴之比b/a、不同管内质量流速的变化规律及特性;

3.2 获得决定倾斜椭圆管和倾斜圆管管内凝结流型及液面形状、传热规律、阻力特性、空隙率及凝液夹带现象的关键参数;

3.3 获得决定倾斜椭圆管管内单组分强迫对流凝结特性的几何尺寸、工况、倾角及管长组合参数;

3.4 获得倾斜椭圆管管内单组分强迫对流凝结特性的相似条件及特性关联式。

4项目拟解决的关键科学问题

(1)特长倾斜异型管管内单组分强迫对流凝结特性的关联式;

(2)特长倾斜异型管管内单组分强迫对流凝结特性的相似条件;

(3)长倾斜异型管与圆管管内单组分强迫对流凝结特性不同的机理。

5项目拟采取的研究方案

根据上述研究内容和研究目标,本项目拟采用实验和分析相结合的方法。具体研究方案流程如图4所示。

倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性研究

图4.研究方案流程图

在对该凝结特性研究较少及现已获得的倾斜圆管内单组分强迫对流凝结特性无法用于预测倾斜异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性背景下,非常有必要对倾斜特长异型管内单组分蒸汽强迫对流凝结特性进行研究。项目的研究结果不仅可增进倾斜椭圆管内单组分蒸汽强迫对流凝结现象的认识和描述,还将是设计倾斜特长异型管管内凝结换热器的基础数据。

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