短管內凝結傳熱形態與熱力學非平衡性效應

《短管內凝結傳熱形態與熱力學非平衡性效應》是依託清華大學，由楊震擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：短管內凝結傳熱形態與熱力學非平衡性效應
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：楊震
• 項目類別：面上項目

項目摘要

冷凝器廣泛套用於動力工程，空調製冷，石油化工等領域，在許多場合下起到核心作用，占據系統投資、金屬材料和能源消耗中的很大比例，如何提高冷凝器換熱效率，有效控制和減小冷凝器的體積，一直是人們所關注的重要課題。冷凝液形態和流動是冷凝器提高傳熱效率的核心，本項目將圍繞分段冷凝中間分液產生的管內凝結傳熱形態與熱力學非平衡性效應這一科學問題開展相關的基礎探索工作，深刻認識分液短管內凝結形態演化與局部熱力學特徵，描述瞬態凝結形態耦合共存與過程演化等基本現象和傳熱特性，探索相關分析預測方法；認識和描述多流程分液式短管內凝結過程的熱力學非平衡性與傳熱規律，揭示凝結形態和多管流程凝結的熱力學非平衡性和對凝結傳熱的影響，確立相關傳熱理論和冷凝器傳熱的分析方法。試圖從新的角度深層地認識基礎物理現象與過程，探索並完善技術原理的基礎理論，為相關技術改進和創新奠定基礎。

結題摘要

冷凝液形態和流動是冷凝器提高傳熱效率的核心因素。分段冷凝、中間分液式冷凝器中，各流程管段入口保持了高幹度（＞0.9）,使管內氣液兩相流型呈現液滴、薄液膜狀，從而保證了較高傳熱係數；其傳熱形態同管道入口段的類似，使得工質流經一些列入口管段，即相對於通常長管程冷凝器而言，採用了“短管”結構。本項目圍繞短管內凝結傳熱形態與非熱平衡效應這一科學問題開展相關的基礎探索工作，深刻認識分液短管內凝結形態演化與局部熱力學特徵，描述瞬態凝結形態耦合共存與過程演化等基本現象和傳熱特性。 研究提出的非熱平衡條件下的相變（冷凝/沸騰）成核模型，成功將平衡體系中的相變成核判斷依據拓展至非熱平衡體系中，適用於高熱流密度條件下的凝結、沸騰研究。考察了結構非均勻冷凝壁面上的冷凝形態，發現凝結傾向於發生在一些成核自由能較低的區域，影響後續凝結形態。其原因是凸起結構處溫度較低，形成局部的低溫區，即出現局部的非熱平衡性，造成凝結成核的可能性大大增加，在巨觀上表現為這些區域優先出現冷凝液。 氣液界面處流動結構及非熱平衡性對冷凝和蒸發過程影響顯著。研究了直短管連線段彎管段內二次流對流體溫度分布的影響。發現彎管內形成截面方向上的二次流混合，造成溫度邊界層的破壞，形成冷熱流體摻混，一定程度上使得流體溫度分布趨向於均勻。熱邊界層的改變會造成氣液界面上相變傳熱過程的變化，使得原先處於蒸髮狀態的氣泡表面區域變為冷凝狀態，極大影響了相關傳熱過程。 研究中進一步發展了氣液兩相在相界面處動量、能量傳遞的耦合計算方法，深入展示了內部的細緻流動和傳熱細節。發現來流蒸汽（流速2m/s）在液滴內部形成了一個順時針方向的流動渦，使得溫度場分布等值線發生曲折，進而可以很大程度上改變冷凝液滴的整體換熱係數。高液滴（0.41mm高度，1.2mm底面直徑）在蒸汽吹速為7.5m/s時的傳熱係數較靜止液滴（蒸汽吹速為0m/s）時提高25%左右；而在低液滴（0.28mm高度）中，提高了15%。 發展了相關數值計算方法，對冷凝兩項流進行了模擬分析。該方法在VOF兩相流模型的基礎上，建立了相界面傳熱和傳質的計算模型，並在技術上成功耦合流動和傳熱控制方程，進行聯合求解。成功計算分析了通道內蒸汽冷凝過程中的流型動態演化過程，與實驗結構很好符合。進一步考察了液膜運動形態、溫度速度分布、氣泡運動和變化等冷凝傳熱的細節特性。