论文总字数：29556字

摘 要

在冷凝管壁外装排液盘可以使冷凝液分段沿排液盘滴落，起到强化冷凝传热的效果。而当蒸气中含有不凝结气体时，不凝结气体增加了高温蒸气与冷凝壁面的传热热阻，减弱冷凝传热的效果，因此在传热传质研究领域中，含不凝结气体的蒸气冷凝具有非常重要的研究价值。

本文研究了排液盘对含不凝结气体的水蒸气冷凝的影响。主要使用CFD和FlUENT软件，仿真模拟竖直圆柱形冷凝器管外紊流。假定冷凝壁面温度恒定，并在CFD建模时忽略冷凝液膜的厚度，但这并不表示作者完全忽略液膜，而是用一组边界条件来体现膜对蒸气凝结的影响。本文主要探究排液盘高度和排液盘间隔对冷凝的影响，处理数据和观察云图后得出以下结论：与纯蒸气凝结不同，当蒸气中含15％的不凝结气体时，排液盘的存在反而使换热效率降低，且排液盘的高度越高，换热效率越低；排液盘的间隔越大，换热效率越低，但在工程应用中还应考虑工艺难度、性价比和实际需求等，以确定间隔大小；由于排液盘的存在，湍流区域中会产生涡旋和回流，影响冷凝传热；排液盘对液膜的形成和发展也有一定影响；最后，本文简单地讨论了水蒸气含量与换热效率的关系，并得出水蒸气含量越低，换热效率越低的结论。

关键词：竖直管壁，排液盘，不凝性气体，冷凝，CFD

Abstract

The drain-disks installed on the wall of the vertical condensing pipe can make the liquid dripping down along the disks to enhance the heat transfer. Non-condensable gases contained in vapors influence the heat transfer of condensation. In the field of heat and mass transfer, it’s of great value to do researches on condensation of water vapor containing non-condensable gases.

This paper studies the effect of drain-disks on the condensation of water vapor containing non-condensable gases. The author uses computational fluid dynamics (CFD) for turbulent flow outside a vertical cylindrical condenser with drain-disks. It is assumed that the wall’s temperature is constant and the condensation film’s thickness can be ignored, but it does not mean that the author completely ignores the film, but uses boundary conditions to indicate the effect of the condensate film. By processing data and images, it is found that when non-condensable gases account for 15%, drain-disks reduce efficiency; apart from this, it is showed that the larger the interval is, the lower the efficiency is. However, it is necessary to consider the practical significance of the drain-disks’ interval in engineering applications. Due to the presence of the drain-disks, there exists turbulence and backflow in some areas, which affects the heat transfer of condensation. Drain-disks also have some impacts on the formation and development of condensate film. At last, it is inferred that the more the water vapor is, the higher the efficiency is.

KEY WORDS: Vertical pipe wall, Drain-disk, Non-condensable gas, Condensation, CFD

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 课题研究意义 1

1.3 研究现状及本文研究内容 2

1.4 课题综述 2

1.4.1两相流研究 2

1.4.2边界层理论 3

1.4.3液膜形成机理 3

1.4.4排液盘研究 4

第二章 模型概述 5

2.1模型描述与算法简介 5

2.2控制方程 8

2.3湍流模型 9

2.4源项计算 10

2.4.1质量源项 10

2.4.2动力源项 10

2.4.3能量源项 10

2.4.4边界条件 11

2.5 网格划分软件 12

2.6 数值模拟软件 12

2.6.1 UDF函数介绍和编写 13

2.6.2 FLUENT参数设置 13

第三章 数值模拟分析 15

3.1 无排液盘时的冷凝换热分析 15

3.1.1速度云图分析 17

3.1.2温度云图分析 18

3.1.3组分云图分析 18

3.1.4液膜分析 19

3.2 排液盘高度对冷凝换热的影响 19

3.2.1速度云图分析 23

3.2.2温度云图分析 25

3.2.3组分云图分析 27

3.2.4液膜分析 28

3.3 排液盘间隔对冷凝换热的影响 29

3.3.1速度云图分析 33

3.3.2温度云图分析 34

3.3.3组分云图分析 36

3.3.4液膜分析 37

3.4 不凝结气体含量对冷凝换热的影响 38

第四章 结论 41

4.1 主要结论 41

4.2 不足与展望 41

致 谢 43

参考文献 44

第一章 绪论

1.1 课题背景

自然界中存在的空气等不凝结气体，是水汽冷凝传热过程不可忽视的部分，如电厂发电、海水淡化、生物制药等一些工业生产中，常常都有它们的身影。但是，传热传质领域仍然缺乏对于水汽冷凝的详细的理解和预测能力，特别是在水蒸汽质量分数较高的情况下。因此，本文需要加强对存在不凝气体情况下水汽凝结物理学的理解（本文主要讨论的不凝性气体为空气）。

目前的换热器设备在工艺上并不能达到密闭的效果，外部空气很容易进入；此外，在高温工况下，换热器内部的工质会分解产生二氧化碳、氨气等不凝结气体。这些气体占据了换热器的一定容积，减小了换热器的容积效率。同时，它们的存在，阻碍了蒸汽的前进，大大增加了换热器壁面的热阻。

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