超临界流体水平流动换热中浮升力效应研究

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近年来涉及超临界压力流体流动换热的工业过程由于具有节能环保的特性,越来越受重视。由于超临界工质在拟临界区域发生剧烈物性变化,使得对流换热特性较亚临界状态复杂得多的特性。然而涉及超临界压力换热管内水平流动的研究较少,缺少对水平管内换热现象的深层分析与认识,尤其对水平管内浮升力影响的研究有许多尚待完善的内容,所以有必要对此开展研究。主要研究内容如下:介绍现有的超临界水平流动换热实验台。实验选取R125、R404a、R410a为工质;实验压力范围为1.05~1.2倍临界压力,热流密度(以下简称q)与质量流量(以下简称G)不设特定的实验范围,在尽可能广的区间内进行实验研究;对系统各个设备及设备的启动与控制流程、实验难点进行介绍;为保证实验结果准确性,校核系统所需加热功率、加热电压是否均匀、系统是否可靠、列出实验测量的外管壁温度与内管壁温度进行换算的公式。利用实验台研究改变实验段热流密度、压力与入口温度等参数对管内换热的影响。指出实验条件下可将q/G可以视作整体。随q/G升高,浮升力影响更大,在壁温高于临界温度高于主流温度的范围内会出现更明显的第一类换热恶化。随压力升高,实验段内壁温分布整体升高,较低压力下更易发生传热恶化。不同入口温度下,随入口温度降低,壁面温度整体升高,随入口温度减小壁温峰值处对应的无量纲温度Tb/Tpc逐渐减小,壁温峰值与壁温差(△T)增大。收集整理了多种超临界流体(水、二氧化碳和R134a等)水平流动换热的实验数据,结合自有实验台数据,对不同浮升力影响判断准则进行了评价。结果表明,目前被广泛认为适应性最好的判据Grq/Grth对改变管径适应性好,需要选取顶部温度作为定性温度,但仍有拟气区表现效果不佳、拟液区与拟气区数值无一致性、其峰值与壁温差峰值位置无相关性等局限性;同时发现壁温差峰值处流体焓值是衡量管内浮升力发展状况的一个重要因素。最后,提出了对浮升力判据展开修正应遵循的原则。并对浮升力判据进行了优化,对优化后的判别式进行评价发现,优化后的浮升力判别式在量级上更为统一,并且能应用到之前判别式几乎不适用的R134a等工质,对管内顶部与底部壁温差峰值位置的预测也更为准确。通过本文的研究获得了更多超临界水平管实验基础实验数据,进一步明确了超临界水平管内浮升力的影响,对浮升力提出了新的判别式和阈值。
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