水平管束降膜动力学与界面吸收性能实验研究

论文摘要

为提高一次能源利用率PER,溴化锂吸收式制冷系统中的热力部件广泛采用真空条件下以水平管束作为承载结构的降膜式热力装置。长期以来,由于水平管束外表面降膜流动与传热传质基础理论体系的缺失,吸收式制冷机的传热计算与结构设计还处于非常粗放的模式之中,提高热力部件性能的研究无从下手。本文在综合分析现有理论研究进展的基础上,搭建了“水平管束降膜流动模态转变实验装置”、“水平管束液滴形成数字图像高速采集实验装置”以及“水平管束界面传递性能实验装置”,开展了对水平管束降膜流动与传热传质过程微观发展机理的初步研究。首次提出了“水平管束降膜动力学”的概念,引入了“界面传递过程”的概念。从吸收式制冷中降膜吸收、降膜蒸发、降膜冷凝、降膜发生四大热力过程共有的动力学特征出发,研究绝热条件下流体在水平管束外表面的降膜流动模态辨识以及模态转变的微观发展机理;引入“界面现象”的概念,把四大热力学过程中共有的“自由界面传热传质过程”统一在“界面传递过程”的概念之中,通过界面现象与水平管束降膜动力学之间的有机结合,形成了“水平管束降膜式热力装置基础理论体系”的基本架构。首次提出单元流体（UF）的概念,实现了从研究宏观统计现象到微观发展机理的转变;首次给出了水平管束单元流体模态转变（UF-MTM:Unit Fluid-Mode Transition Mechinism）图谱,解释了水平管束降膜流动模态从滴状向帘状转变过程中的驱动力及微观发展机理:认为连续液颈促使了滴状向滴柱状的转变、表面波谷到表面波峰的形成促使了顺排柱状流向叉排柱状流的转变、管底悬垂液的存在是相邻单元液柱吸合的前提与源动力、液牙生成和流形分叉现象是单元液柱相互吸合中的必然现象、融合形变促使了柱状向帘状的转变。借助高速摄像机研究了水平管束滴状模态的微观发展机理,发现了液滴生成、长大、拉伸、液颈底部与主液滴破裂、马鞍形表面铺展、液颈自相似收缩、尖锐液颈顶部破裂、卫星液滴生成等一系列极为复杂的拓扑结构;首次提出了RSB （Ratio of tube Spacing to total Breaking length）的重要概念,用于描述管间距与总的破裂长度的比值对液滴形成拓扑结构的影响;首次提出了水平管束液滴形成过程的九个拓扑转变关键相,分析了不同RSB之间液滴形成拓扑转变的差异。基于图像信息处理技术,通过像素坐标系到笛卡尔坐标系的转换、Canny边缘检测、三次样条光滑曲线拟合和自适应Simpson积分,对水平管束滴状和柱状模态的微观机理进行数字化描述,分析了单元液滴表面积与体积随时间的变化规律。通过宏观尺度到微观尺度液滴形成过程的拓扑相似,把水平管束滴状模态纳入到了液滴形成非线性动力学领域,通过量纲理论与相似分析,得到了复杂流体近破裂点处最小液颈的拓扑相似表达式。基于混合水平多因子实验设计和多元因子响应面RSM方法,得到了界面传热系数与界面传质系数的回归方程,搭建了基于Matlab的水平管束降膜式热力装置可视化研究平台。通过本课题的研究,对水平管束降膜动力学特征进行了初步的探讨,为进一步研究降膜式热力装置的界面传递性能奠定了基础。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 压缩式制冷与吸收式制冷的政策博弈
• 1.1.2 “节能减排”—吸收式制冷技术发展的新前景
• 1.1.3 压缩式空调与吸收式空调的一次能源利用率比较
• 1.1.4 课题研究过程中遇到的问题
• 1.2 降膜式热力装置分类与应用领域
• 1.3 吸收式制冷技术中的热力学特征
• 1.4 水平管束降膜式热力装置研究进展
• 1.4.1 降膜流动模态研究进展
• 1.4.2 降膜吸收过程研究进展
• 1.4.3 降膜蒸发与降膜冷凝过程研究进展
• 1.4.4 传热传质关联式与过程增强研究
• 1.4.5 其它研究
• 1.5 水平管束外表面降膜过程研究难点
• 1.6 技术路线与研究内容
• 1.6.1 技术路线
• 1.6.2 研究内容
• 1.7 研究意义
• 1.8 课题来源
• 第二章 水平管束降膜流动模态转变实验研究
• 2.1 实验目的
• 2.2 实验装置与工作流程
• 2.3 实验设计
• 2.3.1 测试流体
• 2.3.2 测试管材
• 2.3.3 测试管间距
• 2.3.4 涡轮流量计标定
• 2.3.5 实验方案设计
• 2.4 光管表面降膜流动现象的一般描述
• 2.4.1 乙二醇降膜流动过程描述
• 2.4.2 乙二醇水溶液、溴化锂水溶液和水的流动特征
• 2.5 水平管束管间流动模态分类与辨识准则
• 2.5.1 管间流动模态分类
• 2.5.2 模态辨识准则
• 2.5.3 模态辨识注意事项
• 2.5.4 实验误差分析
• 2.6 管间距对降膜流动模态转变的影响
• 2.7 降膜流动模态转变数据回归处理
• b'>2.7.1 回归公式Re=aGa^b
• 2.7.2 降膜Re 的定义
• 2.7.3 Ga 来源及其物理意义
• 2.7.4 光管降膜流动模态转变回归过程
• 2.8 铜管表面结构对降膜流动模态转变的影响
• 2.8.1 波纹管降膜流动模态转变图及回归曲线
• 2.8.2 Turbo E 管降膜流动模态转变图及回归曲线
• 2.8.3 Turbo C 管降膜流动模态转变图及回归曲线
• 2.8.4 花形管降膜流动模态转变图及回归曲线
• 2.8.5 光管与高效管不同流动模态对比图
• 2.9 管间流动模态转变点数据汇总
• 2.10 与部分已有的回归数据比较
• 2.11 本章小结
• 第三章 单元流体模态转变与流动结构研究
• 3.1 “流动模态辨识过程”引发的思考
• 3.2 “单元流体模态转变机理（UF-MTM）”的提出
• 3.2.1 “单元流体”—宏观现象到微观机理的转变
• 3.2.2 水平管束单元流体模态转变（UF-MTM）图谱
• 3.2.3 UF-MTM 图谱在模态辨识中的应用
• 3.3 水平管束流动结构数字化描述
• 3.3.1 水平管束流动结构研究内容
• 3.3.2 流动结构数字描述的现实意义
• 3.3.3 水平管束流动结构研究进展
• 3.3.4 单元流体分离长度无量纲化处理
• 3.3.5 管间距对光管和高效管单元流体分离长度的影响
• 3.3.6 管间距对单元液柱流形轮廓的影响
• 3.3.7 Re 数的变化对单元流体分离长度的影响
• 3.3.8 Ga 数的变化对单元流体分离长度的影响
• 3.3.9 铜管表面结构对单元流体分离长度的影响比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 液滴形成拓扑结构与水平管束滴状模态扩展
• 4.1 水平管束流动模态辨识尚未解决的问题
• 4.2 研究水平管束液滴形成拓扑结构的现实意义
• 4.3 滴状降膜数学模型的理想假设
• 4.4 实验观察到的水平管束滴状模态流动特征
• 4.5 液滴形成理论溯源与研究进展
• 4.5.1 物理现象从宏观尺度到微观尺度的机理突变
• 4.5.2 液滴形成理论研究进展
• 4.5.3 宏观尺度到微观尺度液滴形成的拓扑相似及其应用
• 4.5.4 水平管束液滴形成过程的拓扑相似及个性化特征
• 4.6 “单元液滴形成过程”数字图像高速采集实验装置
• 4.7 水平管束滴状流动模态术语
• 4.8 水平管底部液滴形成过程的拓扑分析
• 4.8.1 乙二醇液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.8.2 溴化锂水溶液液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.9 s=32mm 管间液滴形成过程的拓扑分析
• 4.9.1 水的液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.9.2 溴化锂水溶液液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.9.3 乙二醇液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.10 s=16mm 管间液滴形成过程的拓扑分析
• 4.10.1 水的液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.10.2 溴化锂水溶液液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.10.3 乙二醇液滴形成拓扑结构数字化描述
• 4.11 水平管束液滴形成过程拓扑转变关键相
• 4.12 图像信息数字化处理过程
• 4.12.1 数字图像的计算机描述
• 4.12.2 像素坐标系和空间坐标系
• 4.12.3 像素距离到实际距离的转变
• 4.12.4 边缘检测
• 4.12.5 三次样条光滑曲线拟合
• 4.12.6 自适应Simpson 积分
• 4.13 单元液滴表面积与体积随时间的变化
• 4.14 本章小结
• 第五章 液滴形成非线性动力学量纲与相似分析
• 5.1 液滴形成动力学领域中的拓扑相似
• 5.2 复杂流体自由表面流动的无量纲3D 空间分析
• 5.2.1 复杂流体自由表面流动典型的破裂结构
• 5.2.2 粘弹流体的总体流动
• 5.2.3 牛顿流体的自由表面流动
• 5.2.4 无惯性粘弹流体的自由表面流动
• 5.2.5 毛细自剪切自由表面流动
• 5.3 液颈破裂非线性动力学的相似理论分析
• 5.3.1 液滴拉伸过程的N-S 方程的一般描述
• 5.3.2 近破裂点处N-S 方程的简化
• 5.3.3 近破裂点处的相似分析
• 5.3.4 低粘格式的Euler 解
• 5.3.5 高粘格式的Stokes 解
• 5.3.6 三种相似解之间的交叉现象
• 5.3.7 最小液颈随Re 变化的三种相似解交叉分析
• 5.3.8 各种复杂流体液滴破裂时近破裂点处的相似解转变
• 5.4 本章小结
• 第六章 水平管束界面吸收性能多因子实验研究
• 6.1 水平管束降膜动力学与热力学研究分离的考虑
• 6.2 “界面传递过程”概念的引入
• 6.3 界面吸收性能实验装置工作原理
• 6.4 实验装置部分实景照片
• 6.5 界面吸收性能实验装置系统构成
• 6.5.1 水平管束子系统
• 6.5.2 溶液循环子系统
• 6.5.3 溶液加热子系统
• 6.5.4 冷却水循环子系统
• 6.5.5 配电子系统
• 6.5.6 真空保证与采样分析子系统
• 6.5.7 数据采集子系统
• 6.6 实验装置主要设备仪器技术参数
• 6.7 5×2×2×2×2 全因子实验设计与实验结果
• 6.8 数据处理与多元回归分析
• 6.8.1 溶液温度浓度对降膜Re 的影响
• 6.8.2 界面传递系数确定
• 6.8.3 界面传递系数随Re 增加的变化规律
• 6.8.4 冷却水进口参数对界面传递系数的影响
• 6.8.5 多元因子响应面（RSM）回归
• 6.8.6 实验误差来源
• 6.9 本章小结
• 第七章 结论、创新与下一步研究方向
• 7.1 主要结论与创新点
• 7.2 下一步研究方向
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢