空温式翅片管气化器传热特性研究及数值模拟

论文摘要

空温式星形翅片管气化器是低温工程中常用的换热设备。因其热源是自然对流的空气,所以气化器的工作效率很大程度上受环境的影响,此外气化器表面温度较低,不可避免的出现结霜而降低了换热效率。各种复杂因素的叠加使得很难准确分析和预测气化器传热性能,为气化器的精确设计带来很大困难。为深入了解空温式星形翅片管气化器在结霜工况下换热特性,本文通过理论分析和数值模拟方法重点对翅片管表面结霜、翅片管自然对流换热及翅片管气化器设计计算方法三个方面进行了研究。首先,总结了霜层成核及生长的机理及结霜现象的特点,由基本传热传质学理论建立霜层生长及物性计算模型,并设计了深冷表面霜层生长及物性随环境及时间变化特性实验。其次,采用SST k ? ?湍流模型和SIMPLEC算法,对多组不同结构参数、不同内壁温的翅片管空气侧自然对流换热进行了三维数值模拟。根据数值结果拟合了自然对流换热的Nu数的计算关联式,关联式相关性较好,与数值模拟结果比较均方差小于12%,可以用于气化器设计计算。并由数值模拟结果分析认为:1)翅片管外自然对流换热主要发生在粘性底层及射流层内,该区域内物性的选取对数值计算结果误差有一定影响;2)增加翅片管翅片数量将显著提高换热效果,但应避免因翅片间距过小导致使用过程中翅片间形成霜桥而大幅降低传热效率。最后,综合分析了气化器的传热特点,将翅片管气化器管外换热分为霜工况区、湿工况区及干工况区,将翅片管内换热分为液相区、气液两相区及气相区,对各区域分别建立传热计算模型,并设计了翅片管气化器在结霜工况下动态传热特性的实验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 气化器的分类及简介
• 1.1.2 空温式星形翅片管气化器技术特点
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 霜层物性研究现状
• 1.2.2 翅片管气化器在结霜工况的换热特性研究现状
• 1.2.3 研究现状综述及发展趋势
• 1.3 课题来源及研究的意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题研究的意义
• 1.4 本文的研究的主要内容
• 第2章 气化器表面结霜的研究
• 2.1 气化器结霜概述
• 2.2 结霜现象的特征及霜层生长机理
• 2.2.1 结霜现象的晶体生长动力学分析
• 2.2.2 霜晶的成核
• 2.2.3 霜晶的形状
• 2.2.4 霜层的生长过程
• 2.2.5 霜层的老化、升华及回融
• 2.3 霜层内的传热传质分析
• 2.3.1 霜层的物性
• 2.3.1.1 霜层的密度
• 2.3.1.2 霜层的导热系数
• 2.3.1.3 霜层的定压比热容
• 2.4 霜层生长计算模型
• 2.4.1 霜层生长计算模型概述
• 2.4.2 均质多孔介质模型
• 2.5 霜层的物性的实验设计
• 2.5.1 实验概述
• 2.5.2 实验方案设计
• 2.5.3 测试系统设计
• 第3章 气化器空气侧自然对流换热数值模拟
• 3.1 计算模型的建立
• 3.1.1 翅片管几何模型的建立
• 3.1.2 基本假设
• 3.1.3 流动及传热控制方程
• 3.1.4 介质物性的选择
• 3.1.5 湍流模型的选择
• 3.1.6 计算网格的划分
• 3.1.7 边界条件的设定
• 3.1.8 控制方程的离散
• 3.1.9 数值迭代方法
• 3.1.10 收敛准则及计算情况
• 3.2 数值模拟结果及分析
• 3.2.1 流动及传热特性分析
• 3.2.2 翅片高度及厚度对换热的影响
• 3.2.3 翅片个数对换热的影响
• 3.3 Nu 数计算关联式的拟合
• 第4章 气化器传热分析及设计计算
• 4.1 翅片管气化器传热传质分析
• 4.2 翅片管外空气侧换热
• 4.2.1 干工况下空气侧换热
• 4.2.2 霜工况下空气侧换热
• 4.2.3 湿工况下空气侧换热
• 4.2.4 辐射换热
• 4.3 翅片管内强制对流换热
• 4.3.1 单相流体对流换热
• 4.3.2 气液两相区沸腾换热
• 4.3.3 管内对流换热压降的计算
• 4.4 气化器结霜工况下传热特性的实验方案设计
• 4.4.1 实验概述
• 4.4.2 实验系统设计
• 4.4.3 测试系统设计
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士期间所发表的学术论文目录
• 附录B 数值模拟结果
• 附录C 计算程序