蒸汽射流直接接触凝结的界面及声压特性

蒸汽射流在液体中的直接接触凝结引发的剧烈界面振荡及声压振荡,可能导致工业管道系统振动甚至失效,采用高速摄像机与高频水听器,捕捉了射流的界面演化行为及其诱导的声压。研究了3种典型凝结流型下射流界面的径向、轴向振荡与声压振荡特性,并阐明声压振荡产生机理。研究发现:声压波动的概率密度函数在间歇流型下呈左偏单峰分布,在界面振荡流型下呈双峰分布,而在稳定流型下呈对称单峰分布;随蒸汽质量流速升高,无量纲径向、轴向界面振荡强度及声压振荡强度整体呈下降趋势,表现出极强的相关性。建立了基于声压参数的射流喷射长度预测模型,预测值与实验值的误差在±1%内。概率密度及相关性分析结果表明,蒸汽射流凝结的声压振荡是由其界面振荡引起的。

蒸汽射流直接接触凝结诱导振动特性研究

蒸汽射流在管内过冷水流中的直接接触凝结会诱导严重的管道振动。采用高速摄像机与加速度传感器,捕捉了蒸汽射流气羽演化及其诱导的管道振动。通过实验定量描述了考虑气羽形貌的气羽灰度质心振荡与管道振动特性。发现界面振荡流型下气羽灰度质心的振荡幅度最大,间歇振荡流型下次之,稳定凝结流型下最小。随着蒸汽质量流速升高,质心振荡及管道振动强度都向着趋于稳定的方向发展,表现出极强相关性。在此基础上绘制了管道振动强度随蒸汽质量流速及过冷水温度的分布图,振动强度随着过冷水温度的升高而升高。相关性分析表明气羽灰度质心的轴向振荡是沿蒸汽喷射方向的管道振动强度的主导因素。

微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡特性

为探究微尺度条件下蒸汽直接接触间歇凝结瞬时压力振荡特性,开展了T型微细通道内间歇凝结压力测量实验及频谱分析等。研究发现,在蒸汽温度100℃、蒸汽质量流量0.45g/min、过冷水温度40℃以及过冷水质量流量12.65g/min工况下,间歇凝结压力时域信号在−29.5~8.8kPa之间波动,压力值在2.5kPa附近的概率密度最大。此外,通过频谱分析发现压力频域信号的第一主频为10Hz,与1s内间歇凝结经历的周期数量相近。

SV型直接接触换热器换热过程的数值模拟

为研究SV静态混合器对液-液直接接触沸腾换热过程混合及传热的影响规律,分析了相同高度下SV静态混合器长径比对直接接触沸腾换热过程的影响。搭建了直接接触换热实验平台,验证了数值模拟结果的可行性与准确性。结果表明,实验结果与模拟结果误差在3%以内;与长径比为0.5和2.0的2种混合器相比,长径比为1.0的SV静态混合器压力降最高降低了18 Pa,湍流动能大于0.002 m2/s2,容积换热系数最高提高了9.7%;压力降和容积换热系数随着长径比的减小而增大,存在最佳长径比1.0使湍流动能达到最大值。综上所述,适当减小SV混合元件长径比有利于增强换热,对直接接触换热器结构参数设计具有指导意义。

T型微细通道内含不凝气蒸汽直接接触凝结数值模拟研究

利用VOF多相流模型和大涡模拟LES湍流模型,结合“双阻力”模型和Fick定律,对微细通道内含不凝气蒸汽的直接接触凝结过程进行了数值模拟。开展了不凝气对蒸汽直接接触凝结过程中气羽形态、压力分布以及凝结速率的影响机制研究。结果表明:在少量不凝气存在的工况,汽液相界面仍呈现周期性变化,随不凝气含量增加,其在汽液界面处聚集形成的不凝气层厚度增加,气羽无周期性变化。此外,随着不凝气含量的升高,压力振荡强度减弱,凝结形成的负压值变小,凝结速率降低。

具有仿生结构的并联微细多通道蒸汽直接接触凝结数值模拟

为进一步丰富微细尺度条件下蒸汽直接接触凝结(DCC)流动换热现象的研究,基于哺乳动物动脉或静脉的分支血管树系统,设计了一种具有仿生结构的并联微细多通道模型。在商业软件Fluent上采用VOF多相流模型、大涡模拟(LES)湍流模型和凝结双阻力模型,进行并联微细多通道的蒸汽直接接触凝结数值模拟,获得了并联多通道中的汽羽形态、温度和压力分布以及凝结速率随时间的变化情况。结果表明:汽羽在水平主管凝结过程中会发生聚并,过冷水会周期性进入各竖直支管且各进入高度接近;压力分布在各竖直支管中存在一定差异;微细尺度下凝结仍发生在汽液界面附近,且每个凝结周期中平均凝结速率在汽羽完全聚并之前达到最大值,约为220 kg/(m3·s),在过冷水进入各竖直支管的过程达到最小值,约为17 kg/(m3·s)。

气液两相流对直接接触膜蒸馏传质强化和阻垢性能研究

系统研究了气液两相流对板框式膜组件内直接接触膜蒸馏过程的传质强化特性和阻垢性能,结合对流道内气泡尺寸和流动特性的观察和定量分析,讨论了不同进料温度、进料浓度、进气流量和进料流量条件下鼓泡对膜蒸馏的传质强化效果.研究结果表明:在相同鼓泡强度下,低进料温度和高进料浓度的系统由于温差极化和浓差极化更严重,鼓泡对传质的强化效果更显著;随着进气流量的增加,气泡尺寸增大,气泡的上升速度随气泡尺寸先增大后减小,对膜通量的提高比也先增加后减小.50~100 mm^(2)的气泡具有最快的上升速度,对膜面边界层扰动最强,传质强化效果最好;大于100 mm^(2)的气泡由于体积过大,受到来自隔网、壁面的阻力也会更大,导致气泡的上升速率减小,且过大的气泡尺寸使料液与膜壁接触面积减小,导致有效传质面积减小,强化效果减弱.随着进料流量提高,隔网对气泡的剪切作用增强,气泡变小,最佳进气流量增大.研究结果也表明鼓泡能提升高盐溶液浓缩过程的水通量,推迟晶体在膜面沉积发生的时间,显著减缓结垢层的增长速度.研究结果将为气液两相流对膜分离过程的传质强化研究提供重要参考.

带喷射器直接接触冷凝制冷循环性能研究

【目的】探究带喷射器直接接触冷凝制冷循环(EDCC)制冷系统的性能,为提高制冷系统的能效提供参考。【方法】本研究采用总当量变暖影响(TEWI)参数对该系统进行环境分析,讨论影响系统性能的因素,并与蒸气压缩喷射引射制冷循环的性能进行对比。【结果】EDCC制冷循环的COP及效率受蒸发温度、主循环冷凝温度的影响。在-27℃以下,EDCC循环的COP比带喷射器蒸气的压缩制冷循环性能提高约1.57%,效率在全工况下优于带喷射器蒸气压缩制冷循环。辅助循环对系统效率和环境性能影响较大,辅助循环中冷凝器的损失最大,直接接触冷凝器和主循环膨胀阀损失较少。【结论】EDCC制冷循环具有良好的系统性能、效率和环境友好度。

基于R290工质的直接接触冷凝器内流动与传热数值研究

为探究直接接触冷凝器内传热传质特性,针对R290直接接触冷凝制冷系统中R290过热蒸气与R290过冷液直接接触冷凝过程,提出了3种不同尺寸的筒型正交混合式冷凝器,采用Fluent软件对其进行了气液两相热质传递的数值模拟。结果发现:在相同冷凝工况下,体积较小的A型冷凝器内部流型为环状流,体积较大的B、C型冷凝器内部流型为泡状流;A型冷凝器内几乎不发生传热传质;在产生泡状流的冷凝器中,冷凝器体积越大,传热传质效果越好;冷凝器体积传热系数随体积增大而减小;在相同冷凝热负荷的情况下,直接接触冷凝器所需换热面积仅为间壁式冷凝器的8%~14%。研究结果可为直接接触冷凝器设计优化提供可行方案。

蒸汽在过冷液体喷雾上直接接触相变换热过程实验研究

以水为工质,通过实验研究了饱和水蒸汽与过冷水喷雾逆流直接接触冷凝换热过程,考察了不同入口液相温度下液膜厚度及破碎长度变化、液膜轴向及径向的温度分布;基于实验数据计算出了液膜局部传热系数及总传热系数。实验研究的结果表明,直接接触冷凝换热过程中,低入口液相温度时的液膜厚度和破碎长度更大;液膜在径向方向上存在温度梯度变化,液膜表面的温度较高,中心存在1个最低温度;随着液膜运动轴向距离的增大,液膜温度逐渐升高,喷嘴出口处液膜的温升最快,在整个喷雾的冷凝换热过程中,液膜温升占喷雾换热总温升的80%~85%,因此相比液滴,液膜起主要换热作用;喷嘴出口处的局部传热系数最大,并随着轴向距离增大逐渐减小。实验得到总传热系数的值远大于传统的膜状冷凝传热系数,体现了蒸汽-过冷液体喷雾这类直接接触换热方式的优势。

泵间管内多股液氧/气氧直接接触冷凝数值研究

针对高压补燃循环发动机泵间管路中高温氧气再液化回收时的安全问题,建立了高温氧气与高温液氧在低温液氧中掺混冷凝的三维数值仿真模型,研究了泵间管内三股流体掺混冷凝的全过程,获得了管内流场、气液相分布、气相冷凝长度等关键信息,对比了由掺混腔和主管路注入回流高温液氧两种回液方案对氧气冷凝的影响。同时,针对定流速和变流速两种情况,探究了掺混孔数量和孔径的优化方案;此外,对不同管路出口背压下管内气相完全冷凝长度的变化趋势进行了研究。研究表明:掺混腔回液方案会导致气相流量增加和分布不均,不利于管内气相快速冷凝;主管路回液方案能够避免回流高温液氧对气相冷凝的负面影响,推荐采用此方案回收高温液氧;当流速不变时,适度增大掺混孔有利于避免不同掺混孔的气相融合,采用8个孔径为35 mm的掺混孔可使完全冷凝长度缩短26.5%;通过减小孔径增大流速有利于气相快速冷凝,采用16个孔径为20 mm的掺混孔可使完全冷凝长度缩短38.6%;增大泵间管出口背压有利于气相冷凝,背压由1.6 MPa上升至1.8 MPa时,完全冷凝长度缩短28.9%。该研究结果对液体火箭发动机增压输送管路设计具有理论参考意义。

直接接触式烟气加热系统热质交换效果稳态响应特征

针对直接接触式烟气加热系统热质交换稳态计算,基于四区段模型建立了稳态计算模型和方法,选取了出口水温、总带水量和有效换热量3项稳态评价指标。对比现场试验结果,出口水温模拟误差在±0.90℃内,相对误差在±5%以内,总带水量模拟误差在±0.40 m^(3)/h内,模拟结果较可靠。基于该模型和方法,建立了121组模拟工况情景,对热质交换稳态效果与入口烟气流量、烟气温度、烟气压力、烟气含水率、入口废水流量和废水换热温差之间的关系进行定量分析。结果表明:出口水温与入口烟气温度、烟气压力、烟气含水率呈线性正相关,与废水换热温差呈线性负相关,对入口烟气温度和烟气含水率变化较敏感,对烟气流量、入口废水流量不敏感;总带水量与入口烟气流量、烟气温度呈线性正相关,与烟气含水率和废水换热温差呈线性负相关,对烟气温度变化更敏感,与烟气压力和入口废水流量关系不显著;有效换热量与入口废水流量、废水换热温差呈线性正相关,与烟气流量、烟气温度呈线性负相关,对烟气压力和烟气含水率变化不敏感。相较烟气流量,出口水温更取决于入口烟气温度;总带水量同时取决于入口烟气流量和烟气温度,烟气流量较低时受烟气流量影响作用增大,烟气温度较低时受烟气温度影响作用增大。入口烟气含水率和烟气压力的波动对总带水量的影响可忽略不计,但对出口水温的影响应予以考虑和修正。对于温度85~140℃、含水率9%~18%的典型原烟气,气水比为2400 m^(3)/m^(3)(标况下)时,将废水换热温差控制在3.5℃以上,系统具备烟气收水的可能。

基于直接接触膜蒸馏脱盐过程传质传热的综合实验设计

基于直接接触膜蒸馏过程中膜组件发生的传质传热过程和机理,设计了一个适用于化工或高分子材料工程专业本科生的综合实验。采用小型直接接触膜蒸馏实验装置,通过建立稳态下的传质传热数学模型,计算得到在不同料液及渗透液进料温度及流速条件下,膜通量J及料液侧和渗透侧膜表面温度(T_(fm),T_(pm)),并与实验得到膜通量J对比。通过该实验的学习,可使学生深入理解膜蒸馏过程中温差极化、浓差极化的概念,掌握克努森扩散、分子扩散、黏性流等传质公式及适用条件;体会边界层传热系数、膜传质系数对膜通量的作用,进而能通过分析得出提高膜通量的措施。该实验将科研与教学进行了较好的结合,能锻炼学生综合运用知识解决实际问题的能力,培养科学研究的思维和方法。

添加剂及其对直接接触式相变换热的影响

通过试验对在直接接触式气体水合物系统中非常有效的添加剂在直接接触式冰蓄冷系统中进行了研究 ,发现锌粉对直接接触式相变换热效果最好 。

直接接触传热性能综合测试平台的搭建及应用

为了促进学生对理论知识的理解、提升学生实践能力、强化学生创新思维,针对直接接触换热过程设计了传热性能综合测试平台。利用实验平台可开展直接接触式换热器出口工质蒸发量、罐体温度场、容积换热系数及换热流型图像等测量实验,还可根据实验教学需求增加间壁式换热器并联管路进行拓展实验。实践应用表明,实验平台既可让教师进行直接接触换热特性教学和科研研究,又可让学生直观体验、学习科研过程和方法,在高校实验室中具有较好的推广价值。

直接接触式冰蓄冷系统双相变过程理论研究

基于一个考虑其晃动后结冰汽泡的物理模型分析了在连续相中结冰汽泡的生长及传热问题,推导了直接接触式冰蓄冷系统蓄冷罐内的容积换热系数,由此得到了一些重要的结论。

直接接触式蓄冷装置喷射传热特性的研究

本文通过试验选择适合于直接接触式蓄冷装置的喷射装置的型式 ,并对喷孔数、喷孔直径对直接接触式换热的影响进行了试验研究。

LNG冷能用于冷媒直接接触法海水淡化

提出了一种利用LNG冷能进行冷媒直接接触法海水淡化的具体方案,一方面,能够实现连续式海水结晶,从而使得海水能持续淡化;另一方面,充分利用了LNG冷能,避免了系统中电驱动制冷机的需要,从而节省了能耗,实现了节能减排的要求。讨论了海水淡化系统的流程、中间冷媒的选择、主要参数的确定等问题。参照相关体积传热系数和蒸发高度初步估算了试验样机中结晶器的大小,并且对预冷换热器进出口参数进行了求解。对系统相关流程进行了模拟,结果表明这种海水淡化方案是高效可行的。

烟气-水直接接触式换热性能研究

研究了水滴的运动特性和烟气与水的传热传质特性,建立了烟气-水直接接触式换热的微分方程,得到了烟气和水的温度分布的数值解。分析了影响换热的主要因素,结果表明,水滴粒径、水气比和换热器高度是影响换热的主要因素。对某燃气锅炉房烟气余热回收工程的直接接触式换热器进行了实测,验证了理论计算结果的准确性。

锂离子动力电池组的直接接触液体冷却方法研究

为一容量为37A·h的电动汽车用锂离子电池,提出了以变压器油为冷却介质的直接接触液体冷却方法,建立了散热结构的热模型。通过仿真和试验分析了4C(148A)倍率下放电的散热效果。仿真结果表明,3进1出的流道结构散热效果良好,在极限工况下可将电池组的最高温度和最大温差分别控制在34.2和3.3℃。液冷试验结果验证了该方案的散热效果满足设计要求,但现有试验条件下冷却液温度不可控的问题有待解决。