板式换热器中Marangoni凝结传热特性及最优化设计的研究

本项目在板式换热器（PHE）中，选用具有正系统特性的非共沸混合蒸气的双组分凝结换热特性为研究对象，采用实验和数值计算的方法对Marangoni凝结换热和最优化设计进行研究。在实验中，通过改变PHE的波纹夹角、波纹深度、节距、板片面积和厚度、进出口管位置等几何参数和混合蒸汽的物性及运动参数，系统研究上述因素对PHE的换热系数和压降的影响，并对混合蒸汽流量分配 不均对换热系数和压降的影响进行研究，建立非共沸蒸汽在PHE中凝结时的水力和热力模型。在上述实验和理论研究的基础上，以换热面积最小为目标函数，在一定的约束条件下，研究流道数目、流程数、流体浓度等因素与换热面积的关系，建立一套有效的最优设计准则和方法。同时，研究不凝结气体的浓度对PHE换热性能和压降的影响及PHE的几何参数对Marangoni凝结形态的影响。

板式换热器由于其紧凑和高的热效率广泛应用于工业生产中，而酒精-水的混合蒸气凝结时由于表面张力的差异表现出较高的换热系数。研究在不同压力下将不同浓度的酒精-水的混合蒸气引入到板式换热器中，讨论Marangoni凝结在板换中对热传递和压降的影响。.在常压下，完成了单流程不同流道数、不同浓度（0% ,0.5% ,1% ,3%）换热器总的换热系数与冷却水流量之间的关系实验。实验结果表明随着流道数量增加，流量分配不均匀现象越来越明显．在浓度为1%时，与纯水蒸气相比，其换热系数能提高25%。.在不同蒸气压力（70kPa,80kPa, 90kPa）和不同蒸气流速(15m/s,25m/s)下，研究了不同酒精浓度(0%,1%, 10%, 50%)混合蒸气在板式换热器中凝结换热系数随出口蒸气干度的变化特性。在压力流速相同的工况下，随着蒸气干度的增大，换热系数随之增大；在90kPa时，浓度为1%时换热系数增大明显，与纯水蒸气相比，增大约25%，而在中浓度和高浓度时换热系数减小；换热系数随着蒸气压力和流速的增大而增大。在实验数据的基础上，通过引入Jockob准则数，对混合工质凝结换热模型进行了研究，实验值和计算值对比误差在-35%~35%之间。同时研究了凝结热侧压降随蒸气干度的变化特性。随着蒸气干度增大，压降增大；压降随着酒精浓度升高而增大，相较于同样工况下的纯水蒸气，50%浓度的混合蒸气压降增大近1倍；在相同酒精浓度、相同蒸气流速和相同蒸气干度下，蒸气压力对压降影响明显，蒸气压力越大压降越小；在实验数据的基础上，采用Lockhart-Martinelli模型计算压降，实验值和计算值对比误差在-20%~20%之间。.通过在板片上直接焊接热电偶的方式，在压力为30kPa，混合蒸气流量为6kg/h的实验工况下通过实验的方法，获得了局部凝结换热系数随蒸气干度、流道长度、混合蒸气浓度的变化关系。凝结换热系数随着蒸气干度增加而增加；换热系数随板长方向上无量纲长度增加而减小；与纯水蒸气比较，1%、2%浓度混合蒸气的传热系数值较高，且浓度为1%时的传热系数高于浓度为2%时的传热系数；5%、10%、20%浓度混合蒸气的传热系数均低于纯水蒸气传热系数，且传热系数随混合蒸气浓度增加而减小。.对板式换热器中的蒸气凝结进行了可视化的研究，纯水蒸气呈现出膜状凝结形态，而混合蒸气的凝结则是珠状凝结。

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