【畢業(yè)學(xué)位論文】TBAB包絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬-熱能工程博士論文

分類號(hào) ; 密級(jí) 編號(hào) 中國科學(xué)院研究生院 博士學(xué)位論文 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 宋 文 吉 指導(dǎo)教師 馮自平 研究員 中國科學(xué)院廣州能源研究所 申請學(xué)位級(jí)別 博士 學(xué)科專業(yè)名稱 熱能工程 論文提交日期 2009 年 5 月 論文答辯日期 2009 年 5 月 培養(yǎng)單位 中國科學(xué)院廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席 樊栓獅 教授 二零零九年五月 of 2009 摘 要 摘 要 絡(luò)化合物漿（被證明是一種具有廣闊應(yīng)用前景的潛熱輸送材料，在中央空調(diào)及區(qū)域供冷系統(tǒng)中替代冷水作為載冷介質(zhì)，進(jìn)行冷量的輸送。因?yàn)?以在 5生固液相變，載冷密度遠(yuǎn)大于冷水，由此可以減小輸送管道的尺寸，降低輸送泵的能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 首先，建立了管內(nèi)流動(dòng)的 3型，實(shí)現(xiàn)對 型包含重力對顆粒分層流動(dòng)的影響，使用相間滑移速度描述相間作用力；給出了層流時(shí)固相黏度的計(jì)算公式，使控制方程組得以封閉。湍流流動(dòng)基于 型理論，針對靠近壁面的層流底層區(qū)和遠(yuǎn)離壁面的旺盛湍流區(qū)分別建立 流動(dòng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，將對流傳熱模型簡化為 2型，模擬定熱流密度條件下的水平管內(nèi)對流換熱情況。通過固型計(jì)算范圍涵蓋層流及湍流流動(dòng)。分別從層流及湍流能量方程出發(fā)，利用源強(qiáng)化概念及場協(xié)同理論，從理論上解釋了 類潛熱型功能流體強(qiáng)化換熱的物理機(jī)理。 隨后，搭建了 動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測得 水平管內(nèi)的流動(dòng)阻力及定熱流密度下的平均對流換熱系數(shù)，對所建模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，在固相含量 最簡單的代數(shù)滑移公式是漂移流量模型，其中 粒子的加速度由重力或離心力給出粒子的弛豫時(shí)間，并考慮其它粒子的存在進(jìn)而修正。 () 兩相的粘度是流阻計(jì)算的重要參數(shù)，為了能準(zhǔn)確預(yù)測管內(nèi)流動(dòng)情況，本文詳24 絡(luò)化合物漿兩相流數(shù)學(xué)模型 細(xì)分析了固相顆粒的粘度。根據(jù)擬流體假設(shè)，顆粒相粘度可認(rèn)為是因相內(nèi)粒子的平移和相互碰撞而產(chǎn)生的固體剪切粘度與其體積粘性之和。因?yàn)閷?shí)際輸送應(yīng)用中的固相含量遠(yuǎn)小于顆粒的極限堆積濃度（約為 所以忽略顆粒間的摩擦粘性。顆粒粘度的表達(dá)式為 ,s =+ （其中，剪切粘度的碰撞部分可表達(dá)為17(),0,415s s s ss ss = + （動(dòng)力粘度采用文獻(xiàn)18中的表達(dá)式 ()()2,0,0,1041196 1 5ss ss =+ + （顆粒的體積粘度解釋為顆粒壓縮和擴(kuò)張的抵抗力，有如下形式 (),413ss b s s ss =+（上述計(jì)算固相顆粒的剪切粘度公式中， 般為 0.9；g0,一個(gè)當(dāng)顆粒相變密時(shí)用于修改顆粒之間碰撞概率的修正因子，也可以解釋為顆粒小球之間的無量綱距離； 顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能成比例。 徑向分布函數(shù)g0, 150 時(shí)， 31 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 據(jù)流體流動(dòng)時(shí)熱量傳遞與動(dòng)量傳遞的類似性，可以寫出流體的湍流普朗特?cái)?shù) （ 經(jīng)過變換可得在某一溫度下根據(jù)流場計(jì)算的湍流粘度 傳熱傳質(zhì)源項(xiàng) 為了體現(xiàn)固 要分別在連續(xù)性方程和能量方程中添加源項(xiàng)。質(zhì)量在兩相之間傳遞，且固相質(zhì)量減少等于液相質(zhì)量增加，因此質(zhì)量方程的源項(xiàng)需要對固相和液相連續(xù)性方程分別編；而流體獲得的熱量是通過壁面?zhèn)鬟f的，因此能量方程的源項(xiàng)可僅對混合物編寫。部分程序見附錄 B。 流換熱方程組的求解 流動(dòng)控制方程加上能量守恒方程（成了求解 內(nèi)對流換熱的控制方程組。針對流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流） ，選擇對應(yīng)的控制方程，將方程離散后進(jìn)行數(shù)值求解，可以得到 物理模型及網(wǎng)格劃分 前文已述， 內(nèi)對流換熱的物理模型采用軸對稱二維模型，考慮實(shí)際換熱器管徑范圍，選取換熱管徑為 m，管長 1.5 m。因?yàn)樾螤钜?guī)則，網(wǎng)格劃分時(shí)采用四邊形規(guī)則網(wǎng)格，并對壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)為 8400 個(gè)。模型示意圖見圖 2圖 2流傳熱模型示意圖 32 絡(luò)化合物漿兩相流數(shù)學(xué)模型 計(jì)算模型、邊界條件及初始條件 制方程組及相應(yīng)的代數(shù)封閉方程已在上節(jié)詳細(xì)論述。計(jì)算邊界條件及初始條件如 表 2表 2內(nèi)對流傳熱邊界條件及初始條件設(shè)定 邊 界 層流條件 湍流條件 入口（ x=0） l, l, x=L） 管中心對稱軸 （ r=0） 00管壁（ r=R） , ( )雙層近壁模型 , ()固相含量 kg/ = = = +(), *m xm m w = =由方程（ 知， ，因此提高對流換熱能力的途徑有： 1）提高 ,(r,f U *,)2）增大速度分布的充滿率； 3）增大無量綱溫度梯度； 4）改變速度分布與溫度梯度之間的夾角（夾角小于 90時(shí)減小二者夾角，反之增大夾角）； 5）增大比熱容。第三點(diǎn)為場協(xié)同理論，即可以通過改善速度場與溫度梯度的協(xié)同關(guān)系可以增強(qiáng)換熱。第五點(diǎn)可用來解釋類潛熱35 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 型功能流體層流時(shí)的強(qiáng)化換熱機(jī)理：在有限的相變溫度區(qū)間內(nèi)，相變潛熱的釋放相當(dāng)于增加了混合流體的等效比熱容。顯然， 流強(qiáng)化換熱的物理機(jī)理 由于湍流脈動(dòng)的作用，使得描述湍流流動(dòng)和換熱的瞬時(shí)物理量（如速度、壓力及溫度）隨時(shí)間和空間隨機(jī)變化，其瞬時(shí)物理場是時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)，因此湍流換熱比層流換熱復(fù)雜得多。同時(shí)，湍流換熱在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛，且湍流換熱的效果優(yōu)于層流，因此了解湍流狀態(tài)下的強(qiáng)化換熱機(jī)理具有實(shí)際意義。 對于穩(wěn)定無內(nèi)熱源的湍流對流換熱，如不計(jì)粘性耗散的影響，其能量方程可寫為38, 39： ( ), = + i （ 由于在壁面處湍流熱擴(kuò)散率為 0，因此與層流換熱相類似。根據(jù)高斯積分可導(dǎo)出壁面8, 39： ( ) ( )=+ = i （ 采用類似的無量綱方法，可以得到在體積分區(qū)域 W 內(nèi)的平均 ()*,1c U T 其中，U、T 和 別為無量綱時(shí)均速度、無量綱時(shí)均溫度梯度和無量綱微元體積，由下式確定 (),s = =（ 其中，D 為特征尺度： 4。 湍流時(shí)的強(qiáng)化效果主要來自兩方面，一是混合流體的表觀比熱容增大，二是湍流改善了速度場與溫度梯度的協(xié)同程度，而后者是湍流換熱好于層流換熱的主要原因。 本章小結(jié) 1、建立了適合 內(nèi)流動(dòng)與對流傳熱的固 蓋了層流流動(dòng)至湍流流動(dòng)區(qū)域。 36 絡(luò)化合物漿兩相流數(shù)學(xué)模型 2、流動(dòng)考慮重力對流動(dòng)分層的作用，采用 3型。采用相間滑移速度描述相間相互作用力；為顆粒相定義了固相剪切 粘度，實(shí)現(xiàn)了兩相模型控制方程組的封閉。 3、對流傳熱簡化為 2對稱模型。充分考慮固體顆粒相變時(shí)的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，分別在兩相的連續(xù)性方程和混合物的能量 方程中添加源項(xiàng)；同時(shí)，將顆粒粘度設(shè)置為固相含量和顆粒粒徑的函數(shù)，提高了相變過中模擬的準(zhǔn)確度。 4、基于等效比熱容法，從源強(qiáng)化換熱及場協(xié)同理論出發(fā)，揭示了 類潛熱型功能流體強(qiáng)化換熱的物理機(jī)理。 參考文獻(xiàn) 1 B. W., of in 2006. 29: p. 4292 B., of in 2006. 29: p. 4373 V. R. C., A J. 1987. 30: p. 17094 Z. N., Y. Q., of of in a 2008. 29(1): p. 975 X. X. Y. P., of in a J. 2002. 45(15): p. 31636 盧文強(qiáng) , 白鳳武 , 潛熱型功能熱流體層流強(qiáng)化傳熱分析新模型 . 科學(xué)通報(bào) , 2004. 49(13): p. 12347 李震 , 張寅平 , 江億 , 非理想相變特性材料熱性能簡化分析方法及適用條件 . 太陽能學(xué)報(bào) , 2002. 23(1): p. 278 岳湘安 , 液 第 1 版 . 1996, 北京 : 石油工業(yè)出版社 . 29 A., on 1906: 1910 R. M., . 1971, 11 S. L., J. W., E. K., A 1984, 37 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 12 J. W., S., C., et in 1986. 13 P. G., On at of a 1971. 93. 14 D. A., of A 1983. 15. 15 M., V., S., On 1996. 16 L. Z., Z 1935. 17 M., W., T. J., 1. 1993, 18 D., R., J. of , of th on 1992. 19 傅旭東 , 王光謙 , 低濃度固液兩相流顆粒相本構(gòu)關(guān)系的動(dòng)理學(xué)分析 . 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） , 2002. 42(4): p. 56020 D., 1994, 21 B. E. D. B., of 1974. 3(269 22 陶文銓 , 數(shù)值傳熱學(xué) . 2001, 西安 : 西安交通大學(xué)出版社 . 151. 23 W. P. B. E., of a of J. 1973. 16: p. 111924 W. P. B. E., of a of J. 1972. 15: p. 30125 C. K. G. K. A., of 1981. 103(456 26 W. C., of 1976. 8: p. 18327 s 2003: 28 肖睿 , 絡(luò)化合物漿的管內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性研究 , 博士 , 中國科學(xué)院廣州能源研究所 , 2006 29 M., dden et I2005 30 S. V., A 8 絡(luò)化合物漿兩相流數(shù)學(xué)模型 1981. 4: p. 40931 P., S., S. K., in in J. 1991. 34(3): p. 81932 D. P., J. C., Y. G., in S. A. E. 1992. 101: p. 71733 E. L. S. K., to in 2000. 14(1): p. 11534 C., I, C. Y., , L. H., in a J. 1994. 37(2): p. 20735 M., S. K., S., in J. 1994. 37(4): p. 59336 Z. Y. S. of in 1 2000. 37 Z. Y., D. Y., B. X., A J. 1998. 41(14): p. 222138 夏再忠 , 導(dǎo)熱和對流換熱過程的強(qiáng)化與優(yōu)化 , 博士 , 清華大學(xué) , 2001 39 孟繼安 , 基于場協(xié)同理論的縱向渦強(qiáng)化換熱技術(shù)及其應(yīng)用 , 博士 , 清華大學(xué) , 2003 39 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 3 絡(luò)化合物漿流動(dòng)與換熱實(shí)驗(yàn)研究 為了檢驗(yàn)本文建立的兩相流數(shù)學(xué)模型的精度，作者進(jìn)行了 內(nèi)流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)本文的研究內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)主要分為流動(dòng)和傳熱兩部分。其中的 造、儲(chǔ)存、循環(huán)、以及部分參數(shù)測試系統(tǒng)都為兩個(gè)系統(tǒng)所共用。流動(dòng)和傳熱的實(shí)驗(yàn)管分別具有不同的規(guī)格和材質(zhì)，傳熱系統(tǒng)增加了可對實(shí)驗(yàn)管直接通電的直流低壓高頻開關(guān)電源加熱器，以及一個(gè) 收槽。最后，對實(shí)驗(yàn)制得的 行了粒徑分布分析。 內(nèi)流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn) 流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)主要研究 水平直管內(nèi)隨相關(guān)物理量的阻力變化特性。壓差 P、流速 U 以及固相含量 等參數(shù)是流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中需要測量的關(guān)鍵物理量，其中固相含量采用測量 合溶液的相平衡溫度的方法間接測量，流速由測量的質(zhì)量流量和管徑參數(shù)及流體密度求出，流動(dòng)時(shí)的壓降則由壓差計(jì)直接測得。 驗(yàn)裝置 管內(nèi)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由四大部分組成，即 造系統(tǒng)、存系統(tǒng)、測試管、以及測量系統(tǒng)等。循環(huán)管道統(tǒng)一采用 格的 連接，并包裹厚度為 10 橡塑發(fā)泡保溫材料。實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成如圖 3示。 造系統(tǒng)用來制備實(shí)驗(yàn)所需的 相含量的高低直接影響著實(shí)驗(yàn)效果。在否定了螺旋刮刀式換熱器、管殼式換熱器及套管式換熱器之后，最終采用板式換熱器直接對 液降溫從而生成規(guī)定固相含量 方法。主要設(shè)備包括 10 匹制冷主機(jī)、定頻泵和板式換熱器等。板換法制取 過程包含兩個(gè)階段。第一階段為顯熱降溫，在包絡(luò)化合物生成之前，單相的 液降溫過程平穩(wěn)連續(xù)，當(dāng)溫度達(dá)到其初始濃度對應(yīng)的相平衡溫度時(shí)，包絡(luò)化合物不能立即生成，還需要經(jīng)過一定的過冷，然后在機(jī)械外力（攪拌葉片）或超聲波等的促晶作用下，在儲(chǔ)存槽中完成過冷解除，突然迅速生成 液溫度回升到該固相含量下的固液相平衡溫度附近。但此時(shí)的 相含量較低，一般不超過 10%，還需要繼續(xù)降溫濃縮，即第二階段的潛熱降溫。用板式換熱器對儲(chǔ)存槽中的低固相含量 一步降溫濃縮，在這個(gè)過程中，包絡(luò)化合物很容易附著在溫度較低的換熱壁面上，而且越積越厚，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器完全堵死，無法進(jìn)一步降溫。為了解決這一問題，除了要對載冷劑的溫度進(jìn)行精確控制外，本實(shí)驗(yàn)中采用定時(shí)對板式換熱器進(jìn)行加熱融冰操作的方法使 現(xiàn)階梯式的持續(xù)降溫過程。融冰操作的時(shí)間根據(jù)換熱器的 量衰減程度來確定，當(dāng)衰減到一40 絡(luò)化合物漿流動(dòng)和換熱實(shí)驗(yàn)研究 定程度時(shí)，關(guān)閉制冷機(jī)，通往板式換熱器的低溫不凍液被切換成高溫不凍液。當(dāng)粘附在換熱器內(nèi)的固體包絡(luò)化合物被完全融化后，再次切換回正常的制冷降溫模式。采用這樣的方法使得儲(chǔ)存槽中的 以被提高到實(shí)驗(yàn)所需要的固相含量。圖 3有融冰操作的 溫過程中的溫度曲線，從每一個(gè)波谷到波峰的過程就是對換熱器的加熱融冰操作過程。通過顯熱、潛熱降溫兩個(gè)階段，可以得到最高為 30%左右固相含量的 為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了有利保障。 造裝置 5. 差壓計(jì) 4 閥 圖 3 動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖 該系統(tǒng)主要包括帶攪拌裝置的儲(chǔ)存槽、電加熱器、變頻泵等設(shè)備。儲(chǔ)存槽是容積為 0.8 拌器的作用是保持- 液兩相均勻一致，防止分層，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌器，攪拌速度在 060 間連續(xù)可調(diào)。電加熱器用來調(diào)節(jié)槽內(nèi)固相含量，由 3 組交流絕緣電阻絲組成，每組加熱功率 2000 W，可單獨(dú)開啟，也可組合開啟。變頻泵用來輸送實(shí)驗(yàn)過程中的 用 頻器選用日立在 050 間連續(xù)調(diào)節(jié)水泵電源頻率。變頻泵出口的旁通回路可以輔助變頻器實(shí)現(xiàn)測試范圍內(nèi)流量的連續(xù)、穩(wěn)定變化。 41 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 0 5 10 15 20 25 時(shí)間 冰制冰周期 圖 3溫過程中的融冰操作 循環(huán)測試系統(tǒng)包括可拆卸的測試管段和循環(huán)管路。循環(huán)管道統(tǒng)一采用 壁包裹橡塑發(fā)泡保溫層。壓差測試只考慮充分發(fā)展段，因此在差壓計(jì)取壓口的上游留有一定長度的入口發(fā)展段。為了便于導(dǎo)壓管排氣和合理取壓，將差壓計(jì)置于流動(dòng)管道的正下方，并將取壓口開在管道的側(cè)面。測試管的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3 表 3示。 保溫層分發(fā)展段圖 3動(dòng)實(shí)驗(yàn)管的結(jié)構(gòu)和尺寸定義 表 3動(dòng)實(shí)驗(yàn)管尺寸（單位： 管規(guī)格 L 2 27 2800 2200 10 測量系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)中的各物理量的測量設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集。主要的測試設(shè)備包括差壓計(jì)、流量計(jì)、以及各處的熱電偶和鉑電阻。差壓計(jì)的取壓口設(shè)置在實(shí)驗(yàn)管的充分發(fā)展段，考慮到實(shí)驗(yàn)中的壓差變化范圍比較大，采用一大一小兩個(gè)不同42 絡(luò)化合物漿流動(dòng)和換熱實(shí)驗(yàn)研究 量程的差壓計(jì)并聯(lián)使用，在小量程差壓計(jì)的量程范圍內(nèi)以小量程差壓計(jì)為準(zhǔn)，超出之后則以大量程差壓計(jì)為準(zhǔn)。流量計(jì)選用精度較高的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，能同時(shí)讀出質(zhì)量流量和密度。關(guān)于溫度測量，在儲(chǔ)存槽等精度要求較低的位置采用測試管的進(jìn)、出口等精度要求高的位置采用 電阻。以上所有測試設(shè)備的輸出結(jié)果都采用據(jù)采集儀采集并傳送至電腦進(jìn)行處理。系統(tǒng)中各主要計(jì)量儀器的規(guī)格參數(shù)見 表 3表 3計(jì)量儀器規(guī)格參數(shù) 名 稱 型號(hào)（規(guī)格） 量 程 精 度 備 注 科里奧利流量計(jì) 7000 kg西安東風(fēng)機(jī)電有限公司 3351 02 差壓計(jì) 3351 060 電偶 級(jí)） 375 - 熱電阻 A 級(jí)） 500 四線制 數(shù)據(jù)采集儀 - 實(shí)驗(yàn)參數(shù) (1) 流速 流量的選擇要確保能夠涵蓋層流和湍流區(qū)，臨界流速由做適當(dāng)放大。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如 表 3表 3動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的流量（流速）變化范圍 管規(guī)格 內(nèi)徑 （ 最小流量（ kg大流量（ kg小流速（ m 最大流速 （ m 7 ：表中流速根據(jù)流量和流體密度計(jì)算而得，其中的流體密度取 1030 kg (2) 固相含量 由于絡(luò)化合物晶體分為A 型和B 型兩種，為了研究二者對應(yīng)的 別對兩者進(jìn)行了單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)當(dāng)溶液初始濃度高于 25%并且溫度高于 10 時(shí)，一般只有A 型包絡(luò)化合物單獨(dú)穩(wěn)定存在；而B 型包絡(luò)化合物一般在低于 8 之后才能生成，當(dāng)溶液初始濃度低于 20%并且溫度低于B 型的調(diào)和融點(diǎn) 時(shí)，生成的包絡(luò)化合物一般以此研究A 型應(yīng)使初始溶液濃度高于 25%并且相平衡溫度控制在 10 以上，研究B 型則應(yīng)使初始溶液濃度低于 20%并且相平43 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 衡溫度控制在 以下。根據(jù)以上分析，本文在圖的單調(diào)區(qū)間（濃度低于 40%）內(nèi)選取了質(zhì)量濃度分別為 兩種 確保能夠分別獲得A 型和B 型 固相含量的確定是通過測量 合流體的相平衡溫度間接測量的，是實(shí)驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)。間接測量法的精度和可靠性都比較高，可實(shí)現(xiàn)同步測量，適合對數(shù)據(jù)精度要求較高的場合。下面簡單介紹一下固相的測量原理。 根據(jù) 平衡特性，平衡狀態(tài)下 剩余溶液的濃度與其平衡溫度之間是一一對應(yīng)的關(guān)系，該對應(yīng)關(guān)系可以被擬合成多項(xiàng)式方程式。如式（ 3A 型擬合式，式（3為 B 型擬合式，兩式中的各項(xiàng)系數(shù)如表 3示。 ()2121e A= +00()2210x +(表 3平衡曲線擬合方程式中的各項(xiàng)系數(shù)6類型 （式 3 型（式 3 1 注： ，適用范圍為： T ； et ，適用范圍為： T 。 假設(shè)某一溶液體系的總質(zhì)量為M ，初始質(zhì)量濃度為x ( 溫度降低到T 并達(dá)到固- 液相平衡時(shí)，生成固體包絡(luò)化合物質(zhì)量m ，剩余水溶液質(zhì)量濃度變?yōu)閤 (T)。若調(diào)和濃度為據(jù)調(diào)和濃度的定義，固體包絡(luò)化合物中 據(jù)以上參數(shù)，由質(zhì)量守恒可得： ( ) ( ) ( )0 (整理即得質(zhì)量固相含量的計(jì)算式： ()( ) ( )()00c,x =(已知質(zhì)量固相含量 之后就可以計(jì)算 體積固相含量和密度等參數(shù)： 1 =+ (44 絡(luò)化合物漿流動(dòng)和換熱實(shí)驗(yàn)研究 1=+(其中由式 (知，只要知道初始溶液濃度和當(dāng)前平衡溫度下的剩余溶液濃度就可以計(jì)算出固相含量。由此可知，式 (式 ( (間建立起了與其固相含量 之間確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，因而通過測量平衡溫度來間接測量固相含量的方法得以實(shí)現(xiàn)。只要相變過程為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)過程，間接測量固相的方法完全可以保證精度要求。圖 3是根據(jù)式 (算的 種不同初始溶液濃度的相含量與溫度之間的關(guān)系。 048020406012計(jì)算固相含量 %溫度 3相含量計(jì)算值 每種溶液在流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的溫度、固相含量等參數(shù)的變化范圍見表 3表 3動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的固相含量變化范圍 溶液初始濃度（ %） 相平衡溫度 （） 溫度變化范圍（） 固相含量范圍（ %） 型 型 型 注： 1. 溶液初始濃度指質(zhì)量濃度，固相含量指質(zhì)量固相含量； 2. 溫度變化范圍為實(shí)驗(yàn)測試值，固相含量范圍為根據(jù)溫度變化范圍而得的計(jì)算值。 驗(yàn)步驟 按照系統(tǒng)圖 3動(dòng)實(shí)驗(yàn)的基本流程按以下程序操作： (1) 配制一定初始濃度的 液，并儲(chǔ)存于儲(chǔ)存槽內(nèi)待用。 45 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 (2) 關(guān)閉閥 開閥 動(dòng)變頻泵，通過閥 循環(huán)系統(tǒng)排空。 (3) 停止變頻泵，關(guān)閉閥 開閥 動(dòng)攪拌裝置，啟動(dòng)定頻泵，啟動(dòng)制冷機(jī)系統(tǒng)，使儲(chǔ)存槽中的 液通過換熱器不斷降溫并生成達(dá)到預(yù)期固相含量的 (4) 停止制冷機(jī)系統(tǒng)，停止定頻泵，關(guān)閉閥 開閥 動(dòng)變頻泵，儲(chǔ)存槽中被輸送到實(shí)驗(yàn)管，流經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)后又回到儲(chǔ)存槽實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)。 (5) 在循環(huán)過程中，通過調(diào)節(jié)變頻泵頻率及旁通閥 度來調(diào)節(jié) 循環(huán)流量，此過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄壓差 、流量、實(shí)驗(yàn)管入口和出口溫度（用以計(jì)算固相含量）。當(dāng) 循環(huán)流量按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求從最高逐漸調(diào)節(jié)到最低時(shí)，完成一個(gè)固相含量值下的測試。 (6) 開啟電加熱器，對儲(chǔ)存槽內(nèi)的 熱， 以使其固相含量降低一個(gè)差值，然后關(guān)閉電加熱器。攪拌 5 分鐘后，重復(fù)步驟(5) 。直到 相含量降至 0，結(jié)束一種初始溶液濃度下的實(shí)驗(yàn)。 (7) 更換其他初始濃度的 液，重復(fù)步驟(2) (6) ， 結(jié)束全部流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。 流傳熱實(shí)驗(yàn) 在實(shí)際的潛熱輸送系統(tǒng)中，換熱通常是在近似等熱流密度條件下進(jìn)行的，因此傳熱實(shí)驗(yàn)主要研究 定熱流密度條件下的水平直管強(qiáng)制對流換熱特性。熱流密度 q 、流速 U、固相含量 、管壁和流體的溫度分布等參數(shù)是傳熱實(shí)驗(yàn)中必須測量的關(guān)鍵物理量，其中熱流密度 q 通過測量電加熱功率而獲得，其余參數(shù)的測量方法與流動(dòng)實(shí)驗(yàn)相同。 驗(yàn)裝置 傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)是在流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上改造而成，將測試管道更換為不銹鋼管，增加了定熱流電加熱系統(tǒng)。另外增加了一個(gè)回收槽 9，用來回收經(jīng)實(shí)驗(yàn)管加熱之后的 了盡量減少接觸式測量裝置對流動(dòng)與傳熱的影響，傳熱實(shí)驗(yàn)中并沒有同時(shí)測量壓力降特性。電加熱測試管包裹厚度為 30 玻璃棉耐熱保溫材料；循環(huán)管道統(tǒng)一采用 格的 連接，并包裹厚度為 10 橡塑發(fā)泡保溫材料。系統(tǒng)組成如圖 3示。 46 絡(luò)化合物漿流動(dòng)和換熱實(shí)驗(yàn)研究 造裝置 9. 收槽 9閥 圖 3熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 定熱流邊界條件通過直接對實(shí)驗(yàn)管通低壓直流電加熱的方法實(shí)現(xiàn)。電源為定制的高頻開關(guān)電源，由揚(yáng)州鼎華電 子有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為 流穩(wěn)壓穩(wěn)流輸出，輸出直流電壓 050 V 連續(xù)可調(diào)，最大額定電流 250 A，最大額定輸出功率 12.5 源自帶壓表和功率表， 并提供 05 V 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) （輸出功率信號(hào)）輸出端子，功率表規(guī)格參數(shù)如 表 3表 3壓直流電源自帶輸出功率表規(guī)格參數(shù) 名稱 型號(hào)（規(guī)格） 量程 精度 生產(chǎn)廠家 有功功率表 75 (值 +程）青島青智儀 器有限公司 驗(yàn)參數(shù) (1) 實(shí)驗(yàn)管參數(shù) 傳熱實(shí)驗(yàn)管采用不銹鋼 304#（質(zhì)圓管，管外包裹玻璃棉耐熱保溫層以阻止熱流向環(huán)境中散失。各材料的物性參數(shù)如 表 347 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 表 3材和保溫材料物性參數(shù) 材料 密度 (kg導(dǎo)熱系數(shù) (W比熱容(J電阻率 (m) 930 15 502 0135 - * 20條件下數(shù)據(jù)。 為了測量流體及管壁溫度分布，實(shí)驗(yàn)管上一共均勻布置 16 個(gè)K 型熱電偶，其中 8 個(gè)為鎧裝熱電偶，用來測量管內(nèi)流體溫度，其余 8 個(gè)為普通熱電偶，緊貼于實(shí)驗(yàn)管外壁面以測量壁溫。不銹鋼管上游安裝有長 1300 格為驗(yàn)管的尺寸及熱電偶的布置如圖 3 表 3用于測量流體溫度和管壁溫度的熱電偶采用不同的安裝方法。測量管內(nèi)流體溫度的鎧裝 K 型熱電偶的鎧裝外徑為 1 先在實(shí)驗(yàn)管上打孔并焊接固定套管，然后把鎧裝熱電偶插入固定套管中，確保熱電偶感溫點(diǎn)處于管中心位置，最后在固定套管和熱電偶之間的空隙內(nèi)填塞絕熱膠合材料，既防止流體外漏，又能減小套管溫度變化對熱電偶感溫點(diǎn)可能產(chǎn)生的不利影響。另一種用于測量管壁溫度的普通 K 型熱電偶則直接用鋁箔紙壓貼在實(shí)驗(yàn)管的外壁面，其間空隙填充導(dǎo)熱硅油。 圖 3熱實(shí)驗(yàn)管結(jié)構(gòu)尺寸及熱電偶布置 48 絡(luò)化合物漿流動(dòng)和換熱實(shí)驗(yàn)研究 表 3熱實(shí)驗(yàn)管尺寸（單位： 管規(guī)格 D 2L l x 1161 14 1 2770 75 370 30 管內(nèi)壁溫度可以由測得的外壁面溫度計(jì)算求出。假設(shè)傳熱管外壁面處于理想的絕熱狀態(tài)，即在外壁面上有，對圓管材料的電加熱功率為電流發(fā)熱在管壁材料內(nèi)均勻分布，忽略軸向?qū)?，則穩(wěn)態(tài)條件下傳熱管壁材料內(nèi)的溫度場由下列一維圓柱坐標(biāo)微分方程描述： 10+ =其中 為內(nèi)熱源，定義如下： + 在上述假設(shè)條件下求解式 (可得到傳熱管內(nèi)壁面的溫度： =+ + + + (2) 流量（流速） 同流動(dòng)實(shí)驗(yàn)一樣，流量選擇的主要原則是確保能夠涵蓋層流和湍流區(qū)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如 表 3表 3熱實(shí)驗(yàn)中的流量（流速）變化范圍 型 管內(nèi)徑 （ 最小流量 （ kg 最大流量 （ kg 最小流速 （ m 最大流速 （ m A 14 14 ：表中流速根據(jù)流量和流體密度計(jì)算而得，其中的流體密度取 1030 kg (3) 固相含量 為了分別研究 流動(dòng)實(shí)驗(yàn)一樣，選取了質(zhì)量濃度分別為 30%和 兩種液以確保能夠分別獲得 種溶液在流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的溫度、固相含量等參數(shù)的變化范圍也與流動(dòng)實(shí)驗(yàn)相同，見 表 349 絡(luò)化合物漿潛熱輸送的固液兩相流流動(dòng)與傳熱模擬 (4) 加熱功率 表 3熱實(shí)驗(yàn)中加熱量和定熱流密度的變化范圍 型 管內(nèi)徑 （ 最小加熱量（ W） 最大加熱量（ W） 最小熱流密度*（ W 最大熱流密度*（ W 14 2570 2720 21116 22328 B 14 1715 1872 14073 15366 * 以加熱管內(nèi)表面積為準(zhǔn)。最大、最小熱流密度之間的變化原因是電加熱管因溫度變化引起電阻變化，從而小范圍引起發(fā)熱功率的變化。 本實(shí)驗(yàn)中把不銹鋼實(shí)驗(yàn)管看作純電阻，根據(jù)前文給出的尺寸和物性參數(shù)可以計(jì)算出其電阻R = ，由此并根據(jù)前面給出的低壓直流電源最大額定輸出功率和電壓即可計(jì)算出最大可能加熱量為 12 壓最大調(diào)節(jié)范圍為 016 V 。實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)如 表 3驗(yàn)步驟 按照圖 3系統(tǒng)圖，傳熱實(shí)驗(yàn)的基本流程按以下程序操作： (1) 配制一定初始濃度的 液，并儲(chǔ)存于儲(chǔ)存槽 5 中待用。 (2) 關(guān)閉閥 開閥 動(dòng)變頻泵，通過閥 循環(huán)系統(tǒng)排空。 (3) 停止變頻泵，關(guān)閉閥 7 和 開閥 動(dòng)攪拌裝置，啟動(dòng)定頻泵，啟動(dòng)制冷機(jī)系統(tǒng)，使儲(chǔ)存槽中的 液通過換熱器不斷降溫并生成達(dá)到預(yù)期固相含量的 (4) 停止制冷機(jī)系統(tǒng)，停止泵 2，關(guān)閉閥 開閥 動(dòng)變頻泵， 儲(chǔ)存槽 5 中被輸送到實(shí)驗(yàn)管段，流經(jīng)流量計(jì)后回到回收槽內(nèi)