如何緩解經(jīng)濟發(fā)展與能源及環(huán)境之間的矛盾,高效的利用能源是必然之路。空冷式冷凝器廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷、冶金電力和石油化工等各個領(lǐng)域,其合理設(shè)計和高效運行具有非常重要的意義,發(fā)展新的強化傳熱手段及技術(shù)的研究十分重要和迫切。分液冷凝技術(shù)是強化凝結(jié)傳熱的原理性創(chuàng)新方法,從冷凝兩相流傳熱機制考慮實施分段冷凝中間分液等新思路,輔以排液阻汽裝置的聯(lián)箱結(jié)構(gòu),實現(xiàn)冷凝器傳熱能力提高3～4倍以上,因此開展分液冷凝技術(shù)在空冷式冷凝器中的研究具有一定的學(xué)術(shù)意義和工程指導(dǎo)應(yīng)用價值。根據(jù)分液冷凝器的結(jié)構(gòu)特性——“分段冷凝-管程間氣液分離-全程質(zhì)量流率相當(dāng)”提出了分液冷凝器的設(shè)計原理:采用多管程設(shè)計,管程間設(shè)置氣液分離提高工質(zhì)干度,在冷凝過程中獲得高換熱效果,平行流結(jié)構(gòu)減小管內(nèi)質(zhì)量流速降低冷凝壓降,最后通過優(yōu)化各管程內(nèi)換熱管管數(shù)達到全程等速。本論文綜合運用理論分析和實驗研究的方法,對分液冷凝器的優(yōu)化設(shè)計方法和熱力性能進行了深入的研究。開發(fā)了適用于管程結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱力性能預(yù)測的分液冷凝器設(shè)計模型,并對模型預(yù)測結(jié)果進行了實驗驗證。探討了不同傳熱計算方法對模型預(yù)測結(jié)果和計算成本的影響,提出了在基本計算單元內(nèi)確定相變界面的方法和基于遺傳算法的制冷劑流量分配計算方法。最后,實驗研究了不同分液芯結(jié)構(gòu)和不同制冷劑對分液冷凝器熱力性能的影響。首先針對分液冷凝器冷凝換熱過程中流量和干度不連續(xù)的特點,基于分段計算思想,以管程為計算域,開發(fā)了基于分液冷凝器管內(nèi)冷凝傳熱的集中參數(shù)模型,可對具體管程進行熱力計算,輔以管內(nèi)冷凝流動傳熱的評價準(zhǔn)則PF因子,可對管程方案進行比對與優(yōu)選。通過模型實驗驗證,算例的傳熱精度為8.8%,壓降精度為26.1%。然后以傳熱單元為計算域,開發(fā)了基于ε-NTU算法的分液冷凝器分布參數(shù)模型,同步考慮了同管程間不同換熱管因壓降、進口流量和干度不同導(dǎo)致的流量分配不均的計算方法、且充分考慮到分液冷凝器平行流結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的流速范圍分布更寬,提出了基于甄別兩相流型的傳熱和壓降關(guān)聯(lián)式選用方法,并且協(xié)同了管外側(cè)空氣換熱性能。算例結(jié)果表明,與實驗數(shù)據(jù)相比,該模型評價冷凝換熱的精度達到7.5%,壓降達到20.6%,同分液冷凝器集中參數(shù)模型的預(yù)測精度相比較,傳熱和壓降預(yù)測分別提高了 1.3%和5.5%。隨后采用分布參數(shù)模型計算比對了有無分液的冷凝器熱力性能,在相同計算工況和結(jié)構(gòu)尺寸條件下,的分液冷凝器總平均換熱系數(shù)提高了 34.6%,總壓降降低了74.4%。論文還基于AMTD算法和LMTD算法,提出了改進型分布器參數(shù)模型。算例分析結(jié)果表明:AMTD算法換熱量計算值偏大,ε-NTU算法居中,LMTD算法最小,AMTD算法和ε-NTU算法計算成本相近,且遠(yuǎn)小于LMTD算法。還提出了能夠解決由于基本計算單元內(nèi)存在相變界面而引起的關(guān)聯(lián)式誤用所導(dǎo)致的計算精度下降問題的“計算單元內(nèi)的自適應(yīng)分裂相變界面確定法”。對比了確定管間流量分配不均勻性的常規(guī)制冷劑流量分配迭代計算法和基于遺傳算法的制冷劑流量分配計算法兩種方法,發(fā)現(xiàn)遺傳算法通用性更強,計算過程更簡易。由于前述模型均需輸入每管程進口干度,而進口干度與氣液分離聯(lián)箱的結(jié)構(gòu)和冷凝器的工況有關(guān),因此,本論文還實驗探索了分液芯結(jié)構(gòu)對分液冷凝器熱力性能影響的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)漏液率和分液小孔的孔徑與數(shù)量對分液冷凝器熱力性能影響較大,結(jié)果顯示:第二芯漏液面積最小的分液冷凝器平均換熱系數(shù)比漏液面積最大的大7.7%～12.7%;第二芯漏液面積居中的分液冷凝器壓降最小和且綜合性能最好,其PF值比綜合性能最差的漏液面積最大的分液冷凝器小6.9%～24.0%。本文實驗考察了不同制冷劑下分液冷凝器的熱力性能,工質(zhì)由R410A替換R22后,由于分液效果的惡化或失效導(dǎo)致了冷凝器壓降增大了32%～47%,平均換熱系數(shù)降低了 11%～17%,說明分液冷凝器必須根據(jù)制冷劑的熱力特性重新設(shè)計其氣液分離結(jié)構(gòu)和管程優(yōu)化方案。
【學(xué)位單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ051.61
【文章目錄】：
摘要
Abstract
物理量名稱及符號表
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 冷凝器管內(nèi)強化傳熱技術(shù)
    1.3 分液冷凝機理及研究概況
        1.3.1 分液冷凝強化換熱技術(shù)
        1.3.2 分液冷凝器結(jié)構(gòu)
        1.3.3 分液冷凝機理的研究現(xiàn)狀
        1.3.4 分液冷凝器熱力性能的研究現(xiàn)狀
        1.3.5 分液冷凝制冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
    1.4 空冷式冷凝器熱力性能預(yù)測模型
        1.4.1 基本計算單元劃分方法
        1.4.2 傳熱計算方法
        1.4.3 傳熱計算中關(guān)聯(lián)式的使用
        1.4.4 相變傳熱界面的確定
        1.4.5 管流程表示和設(shè)計方法
        1.4.6 制冷劑側(cè)流量的不均勻分布
        1.4.7 空氣側(cè)流量的不均勻分布
        1.4.8 翅片的熱傳導(dǎo)
        1.4.9 變冷凝器幾何結(jié)構(gòu)模型
    1.5 課題來源與主要研究內(nèi)容
        1.5.1 課題來源
        1.5.2 主要研究內(nèi)容
第二章 分液冷凝器集中參數(shù)模型
    2.1 引言
    2.2 模型介紹及計算流程
        2.2.1 模型假設(shè)條件
        2.2.2 計算步驟及流程框圖
    2.3 傳熱和壓降計算關(guān)聯(lián)式
    2.4 程序界面及操作事項
    2.5 管程優(yōu)化算例分析
        2.5.1 確定待評估管程分配方案集
        2.5.2 分液冷凝器管程優(yōu)化結(jié)果討論與分析
    2.6 幾何結(jié)構(gòu)變化對分液冷凝器熱力性能的影響
        2.6.1 分液冷凝器熱力性能隨管程數(shù)變化的討論與分析
        2.6.2 分液冷凝器熱力性能隨第一管程管數(shù)變化的討論與分析
        2.6.3 變管徑對分液冷凝器熱力性能影響的討論與分析
    2.7 本章小結(jié)
第三章 分液冷凝器分布參數(shù)模型
    3.1 引言
    3.2 模型介紹
        3.2.1 建模離散方法
        3.2.2 模型假設(shè)
    3.3 基本計算元的傳熱計算
    3.4 基于甄別流型的傳熱和壓降關(guān)聯(lián)式選取
        3.4.1 制冷劑側(cè)冷凝換熱的關(guān)聯(lián)式
        3.4.2 制冷劑側(cè)單相換熱的關(guān)聯(lián)式
        3.4.3 百葉窗開縫翅片空氣側(cè)換熱的關(guān)聯(lián)式
        3.4.5 △T-相關(guān)和非△T-相關(guān)區(qū)域計算元計算步驟和流程框圖
    3.5 基于壓力平衡的制冷劑流量分配迭代計算
        3.5.1 管程內(nèi)制冷劑流量和壓降的分配規(guī)律
        3.5.2 壓降關(guān)聯(lián)式的選取
        3.5.3 制冷劑流量迭代計算步驟和流程框圖
    3.6 分液冷凝器分布參數(shù)模型計算流程框圖
    3.7 本章小結(jié)
第四章 分液冷凝器分布參數(shù)模型的應(yīng)用
    4.1 引言
    4.2 進口管位置、制冷劑流量和干度對第一管程熱力性能的影響
    4.3 有、無分液結(jié)構(gòu)的冷凝器熱力性能的比較研究
    4.4 基于管內(nèi)外綜合性能的分液冷凝器管程優(yōu)化
        4.4.1 傳統(tǒng)“L”型冷凝器的改造
        4.4.2 改造后的分液冷凝器管程優(yōu)化計算
    4.5 本章小結(jié)
第五章 分液冷凝器分布參數(shù)模型的算法改進
    5.1 引言
    5.2 分液冷凝器傳熱算法分析
        5.2.1 LMTD和AMTD傳熱算法介紹
        5.2.2 LMTD和AMTD和ε-NTU算法熱力計算結(jié)果分析
        5.2.3 LMTD和AMTD和ε-NTU算法計算成本分析
    5.3 相變界面追蹤方法
        5.3.1 存在相變界面的計算元對整個計算域熱力性能影響的研究
        5.3.2 計算元自適應(yīng)分裂相變界面追蹤法計算步驟和流程框圖
    5.4 遺傳算法在制冷劑流量分配計算中的應(yīng)用
        5.4.1 基于遺傳算法的制冷劑流量分配方法描述和模型建立
        5.4.2 算法步驟和流程框圖
        5.4.3 算法的穩(wěn)定性和收斂性評估
    5.5 本章小結(jié)
第六章 分液冷凝器熱力性能預(yù)測模型實驗驗證
    6.1 引言
    6.2 風(fēng)冷式換熱器測試平臺
        6.2.1 實驗裝置及測量儀器
        6.2.2 數(shù)據(jù)處理
        6.2.3 測量結(jié)果的不確定度分析
    6.3 集中參數(shù)模型實驗驗證
        6.3.1 分液冷凝器試制件、實驗條件及數(shù)據(jù)處理
        6.3.2 分液冷凝器沿程管壁溫波動實驗驗證
        6.3.3 平均換熱系數(shù)和壓降預(yù)測值的實驗驗證
    6.4 分布參數(shù)模型實驗驗證
        6.4.1 冷凝器測試樣件、實驗條件及數(shù)據(jù)處理
        6.4.2 換熱管計算元密度無關(guān)性驗證
        6.4.3 模型換熱量和壓降預(yù)測值的實驗驗證
    6.5 本章小節(jié)
第七章 分液冷凝器的實驗研究
    7.1 引言
    7.2 變第一分液芯結(jié)構(gòu)對分液冷凝器性能的影響實驗
        7.2.1 實驗件及分液芯結(jié)構(gòu)介紹
        7.2.2 溫度測點布置及測試工況
        7.2.3 數(shù)據(jù)處理
        7.2.4 分液冷凝器熱力性能分析
        7.2.5 分液冷凝器第二管程換熱管入口分度均勻性分析
    7.3 不同制冷劑對分液冷凝器性能的影響實驗
        7.3.1 實驗件介紹
        7.3.2 制冷劑熱物性比較及實驗條件
        7.3.3 結(jié)果討論與分析
    7.4 本章小結(jié)
結(jié)論和展望
參考文獻
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的文章
致謝


本文編號：2831832