تغییر فاز و خصوصیات انتقال حرارت یک مبدل حرارتی صفحه راه راه

به منظور آشکار کردن قانون تکامل انتقال حرارت در هنگام تغییر فاز در یک صفحه جریان راه راه از مبدل حرارتی صفحه ، یک مدل دو بعدی دو کانال برای شبیه سازی روند انتقال حرارت در طی تغییر فاز در یک گذرگاه جریان ناپایدار ایجاد شده است. وادنتایج نشان می دهد که وقتی زمان بود<3/5T, the average Nusselt number and average heat flux of the heat exchange wall surface decreased with time, the average temperature of the cold fluid outlet increased, the average temperature of the hot fluid outlet decreased, and the volume fraction of the gas phase was no higher than 0.2. When the time was>3/5T, the average Nusselt number and the average heat flux of the heat exchange wall, as well as the outlet average temperature of the cold and hot fluid, reached stability, while the volume fraction of the gas phase increased rapidly. During the whole heat transfer process, the change in Nusselt number and heat flux along the heat transfer wall surface was basically the same, and its value fluctuated along the wall surface, displaying extrema at the exit, entrance, and corrugated coer. The temperature of the heat exchange wall fluctuated and increased along the Y -axis, and began stabilizing after a time>3/5t. با گذشت زمان ، گرادیان دما از خروجی مایع گرم و سرد و اختلاف دما بین دو طرف دیواره تبادل گرما کاهش می یابد ، در حالیبخش ورودی جریان سرد. کل فرآیند شبیه سازی کاملاً منعکس کننده مکانیسم انتقال حرارت در طی تغییر فاز در عبور جریان صفحه راه راه از مبدل حرارتی صفحه است.

1. معرفی

مبدل حرارتی صفحه (PHE) برای اولین بار در صنعت لبنیات در اواخر قرن نوزدهم معرفی شد [1]. بعداً ، مبدل حرارتی صفحه از نظر طراحی و مهر و موم صفحه بهبود یافته است ، به طوری که می تواند با موفقیت در بسیاری از صنایع برای گرمایش ، یخچال و تهویه مطبوع و فرآوری مواد غذایی و همچنین در صنعت شیمیایی و دریایی و برایسیستم های تولید انرژی [2،3]. ساختار مبدل حرارتی صفحه بسیار جمع و جور است و اجازه می دهد تا تلاطم به راحتی شکل بگیرد و انتقال حرارت در مقایسه با سایر انواع مبدل حرارتی به یک سطح بزرگتر نیاز دارد. می توان از آن در محیط های با درجه حرارت بالا و پر فشار ، مانند گرمایش اواپراتور ، تبرید کندانسور و بازیابی گرمای زباله استفاده کرد [4،5،6،8،9،10،12،13،14]واد

انتقال حرارت تبخیر در PHE در اثر جوشاندن هسته و جوش همرفت اجباری ایجاد می شود و ضریب انتقال حرارت به هر دو مربوط می شود. با توجه به داده های محدود در مورد انتقال حرارت جوش در PHE ، مشخص نیست که مکانیسم جوش حاکم است. Grabenstein [15] خلاصه ای از جریان های تک فاز را در PHE ارائه داد ، و نتیجه همبستگی جریان های دو فاز را بر اساس تعداد زیادی از داده های تجربی ، از جمله R22 و آمونیاک به عنوان مایعات کار نتیجه گرفت. مانگلیک و همکاران.[16] یک کتابخانه مادی برای طراحی PHE های تک فاز و دو فاز ارائه داد. خان و همکاران.[17] مجموعه ای از معادلات همبستگی را برای یک اواپراتور دو فاز با آمونیاک به عنوان محیط کار ایجاد کرد و آنها تأثیر زاویه شورون را بر عملکرد حرارتی و هیدرولیکی اواپراتور تأیید کردند. لی و همکاران.[18] انتقال حرارت را در حین تغییر فاز و جریان یک PHE راه راه شاه ماهی شبیه سازی کرد و آنها نتایج را با جریان تک فاز تحت همان پارامترهای راه راه مقایسه کردند. آنها دریافتند که ضریب انتقال حرارت جریان تغییر فاز با 20-100 ٪ افزایش یافته و زاویه تمایل بیشتری از صفحه راه راه منجر به اثر انتقال حرارت پیشرفته می شود. هوانگ و همکاران.[19] از R134A و R507A به عنوان رسانه کار استفاده کرد و آزمایشاتی را در PHE با سه ساختار هندسی مختلف انجام داد ، نشان می دهد که شار گرما تأثیر بیشتری در ضریب انتقال حرارت و تأثیر کمتری در افت فشار دارد. پارامترهایی مانند سرعت جریان جرم ، خشکی بخار و زاویه موج دار تأثیر کمی در انتقال حرارت دارد اما تأثیر زیادی در افت فشار دارد.

مشابه تبخیر ، تراکم در یک مبدل حرارتی صفحه تابعی از جرم ، سرعت جریان جرم ، شار گرما ، خواص سیال ، هندسه سطح صفحه و حالت جریان محلی است. Longo [20،21،22،23،24] یک مدل عددی را بر اساس 338 داده تجربی ایجاد کرد ، و وی دو نوع رابطه همبستگی بین شماره معادل رینولدز زیر 1600 و شماره معادل رینولدز بالاتر از 1600 را برای میعان همرفت اجباری بدست آورد. این مدل با 516 داده تجربی مقایسه شد و میانگین انحراف درصد مطلق 16 ٪ بود. هان و همکاران.[25] آزمایشاتی در مورد R410A و R22 انجام داد و زاویه صفحه شاه ماهی راه راه 45 درجه ، 35 درجه و 20 درجه بود. بر خلاف همبستگی قبلی ، آنها شامل تأثیر هندسه صفحه بودند و نتیجه گیری نشان داد که ضریب انتقال حرارت و افت فشار با افزایش جریان جرم و جرم بخار افزایش می یابد ، در حالی که با کاهش دمای اشباع و زاویه شورون کاهش می یابد. مانچین و همکاران.[26،27] تراکم جزئی R410A و R407C را در دو ساختار هندسی PHE با نسبت ابعاد مختلف و شماره کانال مورد مطالعه قرار داد. نتایج تجربی نشان داد که ضریب انتقال حرارت با افزایش جرم بخار افزایش یافته است ، در حالی که با افزایش اختلاف دمای اشباع کاهش می یابد.

مکانیسم تغییر فاز یک مبدل حرارتی صفحه نسبتاً پیچیده است و بسیاری از مشکلات در فرآیند انتقال حرارت جریان هنوز نیاز به بررسی بیشتر دارند [28]. در حال حاضر ، مطالعات عمدتاً با استفاده از روشهای تجربی انجام می شود ، در حالی که شبیه سازی های عددی بیشتر شامل انتقال حرارت جریان تک فاز هستند. اکتشاف بیشتر برای مطالعه ویژگی های انتقال حرارت یک PHE هنگام تغییر فاز گاز و مایع مورد نیاز است. در این مقاله ، فرایند انتقال حرارت در هنگام تغییر فاز در کانال انتقال حرارتی صفحه راه راه Heringbone به صورت عددی شبیه سازی شد ، و برنامه ویژگی تعریف شده کاربر (UDF) برای محاسبه انتقال جرم و برنامه به حجم سیال (VOF) وارد شد. انتقال انرژی بین گاز و مایع. قانون تغییر دمای سیال ، توزیع حجم فاز ، تعداد نوسلت ، شار گرما و پارامترهای دیواره انتقال حرارت برای آشکار کردن مکانیسم انتقال حرارت در هنگام تغییر فاز در گذرگاه راه راه ، که می تواند برخی از مرجع ها برای طراحی و بهینه سازی ارائه شود ، مورد بررسی قرار گرفت. مبدل حرارتی صفحه.

2. مدل محاسبه

در این بخش ، ایجاد مدل فیزیکی کانال راه راه مبدل حرارتی صفحه شاه ماهی ، تقسیم شبکه ، انتخاب مدل ریاضی و شرایط مرزی و تأیید استقلال شبکه و تأیید مدل معرفی شده است. این برای بحث در مورد شبیه سازی عددی آماده شده است.

2. 1مدل فیزیکی و تولید مش

جریان در یک کانال PHE بسیار پیچیده است. به منظور بازتاب انتقال حرارت داخلی در طول حالت تغییر فاز ، مشکل جریان سه بعدی به یک مشکل جریان دو بعدی کاهش می یابد. تعداد صفحات راه راه در کانال PHE بزرگ است ، و ساختار دو کانال راه راه راه سه بخش برای منعکس کننده انتقال حرارت جریان در کل کانال مبدل حرارتی اتخاذ شده است. واحد اول قسمت ورودی را نشان می دهد ، واحد دوم نشان دهنده قسمت انتقال حرارت از جریان میانی است و واحد سوم قسمت خروجی را نشان می دهد. پارامترهای هندسی اصلی صفحه [29] شامل فاصله موج های λ ، ارتفاع موج های H و زاویه موج های β ، که در ساختار دو بعدی به عنوان فاصله موج های λ وارتفاع موج های h. از نرم افزار ICEM برای ایجاد یک مدل هندسی دو بعدی و تقسیم شبکه استفاده می شود ، اندازه هندسی انتخاب شده λ = 8 میلی متر ، H = 4 میلی متر است. کانال جریان فوقانی یک مایع سرد است ، کانال جریان پایین مایع گرم است و وسط کانال جریان فوقانی و پایین صفحه مبدل حرارتی است. گسترش ورودی و خروجی بخش انتقال است. مدل در شکل 1 نشان داده شده است.

ما از یک شبکه ساختار یافته برای تقسیم مدل برای به دست آوردن شبکه با کیفیت بالا استفاده می کنیم. با توجه به شیب زیاد درجه حرارت و سرعت در سطح دیواره نزدیک ، شبکه در سطح دیواره نزدیک تصفیه می شود [30]. بخش شبکه در شکل 2 نشان داده شده است. در نرم افزار پیش پردازش ICEM ، پارامتر مورد استفاده برای ارزیابی کیفیت شبکه "تعیین کننده 2 × 2 2" است و کیفیت صفحه نمایش 1 است ، بنابراین کیفیت شبکه بهترین است. به منظور اطمینان از صحت شبیه سازی عددی ، استقلال شبکه تأیید می شود. شکل 3 منحنی تغییر n u ¯ را با افزایش تعداد مش نشان می دهد. هنگامی که تعداد شبکه ها 93،412 باشد ، مقدار n u ¯ اساساً بدون تغییر باقی می ماند ، نشان می دهد که تعداد شبکه ها نیازهای دقت محاسبه را برآورده می کند. بنابراین ، 93،412 به عنوان تعداد شبکه های مورد استفاده برای محاسبه انتخاب می شود.

2. 2مدل ریاضی

در محاسبه جریان چند فاز ، مدل انتقال گرما و جرم که توسط Schepper [31] پیشنهاد شده است برای تحقق فرآیند تغییر فاز گاز مایع بین مایعات اتخاذ شده است. مدل ریاضی انتقال حرارت در طی فرآیند تغییر فاز در مبدل حرارتی صفحه ایجاد شد.

(1) مایع غیر قابل فشار است.(2) نادیده گرفتن گرانش و تنش سطح.(3) اثر گرمای چسبنده چسبناک هنگام نادیده گرفتن جریان سیال. معادله مدل ریاضی به شرح زیر است:

جایی که_M- منبع انبوه تبخیر و تراکم ، s_E- اصطلاح منبع انرژی ، α_vکسر حجمی فاز vapor ، ρ_vتراکم فاز vapor ، α_lکسر حجمی فاز لیکید ، ρ_lچگالی فاز لیکید ، Δ H enthalphalpy ، سرعت فاز u —vapor ، t_l- دمای فاز مایع ، t_نشست- دمای انتقال فاز ، t_v- دمای فاز VAPOR ، فاکتور β antrelaxation.

که در آن_q- عملکرد ظرفیت گرمای خاص و دمای فاز ، k_عارضهضریب انتقال حرارت مؤثر.

تعداد نوسلت تعداد استانداردی از شدت انتقال حرارت همرفت را نشان می دهد ، و همچنین نشان دهنده نسبت مقاومت به هدایت گرما در پایین جریان لامینار سیال به مقاومت انتقال حرارت همرفت است. ضریب اصطکاک F نشان دهنده مقاومت سیال در کانال جریان است. فرمول محاسبه [32] به شرح زیر است:

∂ ∂ t (ρ k) + ∂ ∂ x j (ρ k u j) = ∂ ∂ x j [(u + u t σ k) ∂ k ∂ x j] + g k + g b - ρ ε - y m + s k

∂ ∂ t (ρ ε) + ∂ ∂ x j (ρ ε u j) = ∂ ∂ x j [(u + u t σ ε) ∂ ε ∂ x j] + ρ c 1 s ε b - ρ c 2 ε 2 ε v ε+ c 1 ε ε k c 3 ε g b + s ε

در این معادلات ، g_kنشان دهنده تولید انرژی جنبشی تلاطم به دلیل میانگین شیب سرعت است. جف_bتولید انرژی جنبشی تلاطم به دلیل شناوری است. حرف_Mنشان دهنده سهم اتساع نوسان در تلاطم قابل فشرده سازی به میزان اتلاف کلی است. جف₂و سی_1εثابت هستندσ_εو σ_kاعداد آشفته Prandtl برای κ و ε به ترتیب هستند. حرف_kو s_εاصطلاحات منبع تعریف شده توسط کاربر هستند.

2. 3شرایط مرزی و تنظیمات محاسبه

کانال جریان فوقانی را به عنوان مایع سرد و کانال جریان پایین به عنوان مایع گرم تنظیم کنید. اتخاذ سرعت ورودی و فشار را. مایع سرد آب ، چگالی 998. 2 کیلوگرم در متر 3 ، ویسکوزیته 0. 001 کیلوگرم در متر ثانیه ، ظرفیت حرارتی خاص 4182 J/kg · K ، هدایت حرارتی 0. 6 W/m · K است. مایع گرم گوگرد مایع ، چگالی 2000 کیلوگرم بر متر 3 ، ظرفیت حرارتی خاص 23. 525 J/kg · K ، هدایت حرارتی 0. 269 W/m · K است. سرعت مایعات کار 0. 01 متر بر ثانیه است. دمای مایع گرم 450 K ، حالت ورودی فاز مایع است ، هیچ انتقال فاز رخ نمی دهد. دمای مایع سرد 350 K ، ورودی فاز مایع ، مرحله دوم فاز گاز است و انتقال فاز هنگامی رخ می دهد که دمای آن 373. 15 K باشد. دیوارها به عنوان دیوارهای آدیاباتیک تنظیم شده است. پارامترهای جریان مایع اولیه: شماره prandtl = 2. 55 ، شماره رینولدز = 5000 ، قطر هیدرولیک = 5 میلی متر ، شدت تلاطم = 2. 84525 ٪.

از نرم افزار ANSYS برای محاسبه مدل مبدل حرارتی استفاده شد. حل کننده پایه فشار ، زمان گذرا ، مدل جریان چند منظوره VOF ، مدل تلاطم κ-ε قابل ملاحظه انتخاب شد ، مدل K-Epsilon قابل تحقق عملکرد بهتری نسبت به مدل K-Epsilon استاندارد در خم شدن ساده ، گرداب و چرخش دارد و مناسب تر است. برای شبیه سازی جریان در مبدل حرارتی صفحه. طرح دوم Upwind برای گسسته کردن هر معادله حاکم به تصویب رسیده است. کنترل باقیمانده نسبی معادله حاکم بر انرژی کمتر از 10 - 6 است و معادلات حاکم دیگر در 10 - 5 همگرا می شوند.

2. 4اعتبار سنجی مدل

به منظور تأیید قابلیت اطمینان مدل ، شبیه سازی عددی Nu و ضریب اصطکاک F در این مقاله انجام شد ، که با آزمایش Djordjevic و همکاران مقایسه شد.[33]یک مدل متحد از ساختار مورد استفاده در آزمایش ادبیات ایجاد شد و شبیه سازی با همان شماره ورودی رینولدز انجام شد. نتایج مقایسه بین شبیه سازی و آزمایش در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4A مقایسه بین نتایج شبیه سازی Nu و نتایج تجربی است و شکل 4B مقایسه نتایج شبیه سازی F و نتایج تجربی است. انحراف خاصی بین شبیه سازی و آزمایش وجود دارد ، که عمدتا از بعد مختلف شبیه سازی عددی حاصل می شود و سطح دیوار ایده آل تر است. در مقایسه با آزمایش ، انحراف شبیه سازی عددی Nu و F کمتر از 5 ٪ است که در محدوده مجاز است و مدل قابل اعتماد است.

3. تجزیه و تحلیل نتایج محاسبه

از زمانی که مایعات شروع به جریان می کنند تا زمانی که مایع به حالت پایدار برسد ، انتقال فاز به تدریج با افزایش زمان توسعه می یابد و تغییر می کند. بنابراین ، مدل کانال انتقال حرارت موج دار دو کانال ایجاد شد و شبیه سازی گذرا انجام شد. زمان یک مایع از حالت اولیه تا پایدار T ، ثابت (روند فیزیکی به حالت پایدار می رسد) زمانی است که میانگین دمای رسانه های سرد و سرد دیگر تغییر نمی کند. تغییر پارامترهای انتقال فاز ، جریان و انتقال حرارت با زمان در فرآیند t مورد بررسی قرار گرفت.

3. 1توزیع دمای سیال و توزیع حجم فاز

شکل 5 نمودار توزیع دما در عبور جریان در زمان های مختلف است. همانطور که از شکل 5 مشاهده می شود ، در حالت اولیه t = 0 ، مایع گرم و سرد کانال های جریان فوقانی و تحتانی را همزمان پر می کند ، گرما هنوز منتقل نشده است. گرمای مایع گرم از طریق دیواره تبادل گرما به مایع سرد منتقل می شود. گرادیان دما در گوشه مقعر دیواره تحتانی عبور سیال سرد متراکم تر از مناطق دیگر است. با گذشت زمان ، مایع گرم جریان می یابد و گرما به طور همزمان از طریق دیوار به مایع سرد منتقل می شود. مایع سرد از ورودی به خروجی ، کل دمای فرآیند در حال افزایش است ، برعکس مایع گرم. دمای مایع گرم و سرد در شیب در جهت کانال متفاوت است. هنگامی که t = 2/3T ، انتقال حرارت نزدیک به پایدار است و تغییر دما در هر منطقه به تدریج پایدار می شود. درجه حرارت در منطقه موج دار بخش دوم کانال مایع سرد ابتدا وارد حالت تعادل می شود. در طول فرآیند انتقال حرارت ، مایع سرد در ابتدا در گرمای جذب شده از مایع گرم جریان می یابد و آن را به مایع سرد که بعداً جریان می یابد ، منتقل می کند.

شکل 6 توزیع کسر حجم فاز گاز در عبور جریان لحظات مختلف را نشان می دهد. شکل 6a زمان اولیه انتقال فاز است. از آنجا که درجه حرارت برای اولین بار به مجاورت سطح دیواره پایین عبور جریان سرد منتقل شد ، فاز گاز برای اولین بار در سطح دیواره پایین تولید شد. همانطور که از شکل مشاهده می شود ، فاز گاز فقط در نیمه اول هر موج بر روی سطح دیواره پایین وجود دارد ، عمدتاً به این دلیل که فرآیند جریان سیال در اینجا مانع می شود و باعث ایجاد اختلال می شود و تغییر فاز به راحتی رخ می دهد و جمع می شود. در عین حال ، یک گرداب در زاویه مقعر موج وجود دارد که به احتمال زیاد یک هسته گازدار تشکیل می شود و فاز گاز نیز در اینجا به دام می افتد و جمع می شود. با افزایش زمان ، دما به دیواره فوقانی منتقل می شود ، انتقال فاز هنگامی اتفاق می افتد که دمای سیال که در نزدیکی دیواره فوقانی جریان می یابد به دمای بحرانی می رسد.

مشاهده می شود که هسته گازی شده در نزدیکی سطح دیوار در طول جریان جوش تشکیل می شود. فاز گاز در کانال به آرامی به سمت خروجی حرکت می کند و در امتداد دیوار جمع می شود و کسر حجمی فاز گاز افزایش می یابد. ریزگردهای فاز گاز در گوشه محدب به طور قابل توجهی بیشتر از آنهایی که در دیواره مستقیم بودند ، و کسر حجمی بالاتر از مناطق دیگر بود.

شکل 7 توزیع بردارهای سرعت در عبور جریان لحظات مختلف را نشان می دهد. همانطور که از شکل مشاهده می شود ، هنگامی که t = 1/4t ، لبه های شدید در یک محدوده کوچک در گذرگاه جریان رخ می دهد ، و سرعت جریان در ناحیه اصلی جریان کم است. هنگامی که t = 1/2T ، دامنه لبه های خشونت آمیز در عبور جریان بزرگتر می شود و سرعت eddies بزرگتر می شود ، و لبه ها به تدریج به سمت خروجی حرکت می کنند. علاوه بر این ، سرعت جریان در منطقه اصلی جریان به طور قابل توجهی بالاتر از زمان T = 1/2T است. هنگامی که t = 3/4TT ، دامنه لبه های خشونت آمیز در قسمت فوقانی کانال کوچکتر می شود و مرکز به سمت خروجی نزدیک حرکت می کند. در این مرحله ، سرعت جریان در منطقه اصلی جریان اساساً به ثبات می رسد. هنگامی که t = t ، هیچ ادی خشن در قسمت فوقانی کانال وجود ندارد ، و کل فیوژن به طیف بزرگی از ریفلاکس با سرعت پایین تبدیل می شود.

3. 2قانون تغییر پارامترهای مقدار میانگین سیال

شکل 8 منحنی n u ¯ و ϕ ¯ را در دیوار تبادل گرما با زمان نشان می دهد. همانطور که از شکل مشاهده می شود ، روند تغییر n u ¯ و ϕ ¯ در دیواره تبادل گرما اساساً سازگار است. در فرآیند زمان t = 1/5 T-3/5T ، زیرا اختلاف دما بین مایع گرم و سرد با افزایش زمان کاهش می یابد و انتقال حرارت کاهش می یابد ، مقادیر این دو پارامتر متوسط همچنان کاهش می یابد. بین T = 3/5 T-4/5T یک فرورفتگی وجود دارد ، زیرا اختلاف دما قبل از فرورفتگی زیاد است و تبادل گرما شدید است. هنگامی که زمان از بین می رود ، فاز گاز به آرامی افزایش می یابد و به مقدار مشخصی جمع می شود و گرمای نهان انتقال فاز شروع به تأثیرگذاری بر انتقال حرارت می کند. هنگامی که t = 4/5t ، n u ¯ و ϕ ¯ شروع به پایداری می کند ، و اختلاف دما از مایعات سرد و گرم در هر دو طرف دیواره تبادل گرما به تدریج کاهش می یابد و انتقال حرارت در حین تغییر فاز نیز وارد یک پایدار می شودحالت. در ابتدا تبادل گرما شدیدتر است ، حباب ها کمتر تولید می شوند ، ضریب انتقال حرارت بزرگتر است و تعداد نوسلت و شار گرما بزرگتر است. سپس حباب به آرامی افزایش می یابد و یک فیلم بخار بر روی دیوار تشکیل می دهد تا مقاومت حرارتی ایجاد شود. با گذشت زمان ، حباب های بیشتر و بیشتری در طول دیوار ایجاد می شود ، فیلم بخار ضخیم می شود ، مقاومت حرارتی افزایش می یابد ، ضریب انتقال حرارت همرفت کاهش می یابد و تعداد نوسپت و شار گرما کاهش می یابد. هنگامی که انتقال حرارت به مرحله پایدار می رسد ، ضخامت فیلم بخار دیگر افزایش نمی یابد ، مقاومت حرارتی دیگر تغییر نمی کند و تعداد نوسلت و شار گرما تغییر نمی کند.

شکل 9 منحنی میانگین دما در خروجی مایع گرم و سرد با زمان و منحنی حداکثر کسر حجمی بخار اشباع مرطوب در خروجی گذرگاه تغییر فاز با زمان را نشان می دهد. خروجی 1 خروجی مایع سرد است و خروجی 2 خروجی مایع گرم است. میانگین دمای خروجی مایعات سرد 406 K-420 K و میانگین دمای خروجی مایعات گرم 366 K-390 K. در روند زمان t = 1/5 t-3/5t ، میانگین دمای سرماخوردگی استخروجی سیال به سرعت افزایش یافت ، میانگین دمای خروجی مایعات گرم به سرعت کاهش یافت و کسر حجمی فاز گاز فقط کمی افزایش یافت. پس از T = 3/5T ، میانگین دمای خروجی مایعات گرم و سرد شروع به تثبیت کرد ، در حالی که کسر حجمی فاز گاز به شدت افزایش می یابد. در این زمان ، دمای بیشتر مناطق سیال در گذرگاه سرد از دمای انتقال فاز بالاتر است و مایع در امتداد سطح دیواره در معرض جوش و تبخیر خشونت آمیز قرار می گیرد. تعداد فازهای گازی متصل به سطح دیواره افزایش یافته و تعداد فازهای گازی که به خروجی همگرا ، که بر تنش دیواره غلبه کرده است ، افزایش یافته است. سرانجام ، کسر حجمی فاز گاز 1 و مجاورت سطح دیواره خروجی همه فاز گاز بود. هنگامی که مایع گرم و سرد پایدار است ، میانگین اختلاف دما در دو رسانه شبیه به میانگین اختلاف دما در حالت اولیه است. شکل 7 و شکل 8 به طور متقابل نشان می دهد که روند انتقال حرارت در طی تغییر فاز در PHE به حالت پایدار پس از T = 3/5T تمایل دارد.

3. 3قانون تغییر دمای خروجی سیال

به منظور تأیید جهت انتقال حرارت ، تغییر توزیع دما از خروجی سیال مورد بررسی قرار گرفت. شکل 10 توزیع دما از خروجی مایع سرد در طول جهت Y را در لحظه های مختلف نشان می دهد. شکل 11 توزیع دما از خروجی مایع گرم در طول جهت Y را در لحظه های مختلف نشان می دهد. در ابتدای جریان سیال ، انتقال حرارت بین مایع گرم و سرد بزرگتر است و در نتیجه شیب دمای بزرگتر در خروجی ایجاد می شود. درجه حرارت در یک انتهای خروجی مایع سرد در تماس با دیواره تبادل گرما بالاتر از آن در انتهای دیگر دیواره تبادل غیر گرم است. با افزایش زمان ، دمای کلی در جهت Y خروجی مایع سرد در حال افزایش است ، در حالی که دمای کلی در جهت Y خروجی مایع گرم در حال کاهش است و گرادیان دمای هر دو در حال کاهش است. اختلاف دما بین دیواره تبادل گرما و دیواره تبادل غیر گرم در حال کاهش است. در طول جریان ، در جهت Y کانال ، گرما از پایین به بالا ، از میدان سیال با درجه حرارت بالا به میدان سیال دمای پایین منتقل می شود.

3. 4تغییر قانون تغییر پارامترهای سطح دیوار تبادل گرما در طول مسیر

از تغییر پارامترهای میانگین مقدار و دمای خروجی سیال ، زمان رسیدن به ثبات در PHE و جهت انتقال گرما می توان به دست آورد ، اما وضعیت تبادل گرما سطح دیواره بین مایعات سرد و گرم را نمی توان منعکس کرد. شکل 12 توزیع دما را در امتداد دیواره انتقال حرارت صفحه راه راه در لحظه های مختلف نشان می دهد. همانطور که از شکل مشاهده می شود ، دمای دیواره تبادل گرما در کل فرآیند در امتداد X-axis نوسان و افزایش می یابد و نوسان دما با نقطه عطف صفحه راه راه مطابقت دارد. تاج دما در زاویه مقعر ساختار صفحه راه راه قرار دارد و فرورفتگی در زاویه محدب صفحه راه راه است. هنگامی که t = 1/3 t ، توزیع دما از بخش های دوم و سوم صفحه راه راه سازگار است. از آنجا که گرداب برای اولین بار به زاویه مقعر بین موج ها در بخش های دوم و سوم رخ می دهد ، لایه مرز دما لاغر می شود و انتقال حرارت در بخش سوم سریعتر می شود. با افزایش زمان ، دمای کلی دیواره انتقال حرارت راه راه کمی کاهش می یابد. درجه حرارت در انتهای عقب قبل از آن به حالت پایدار رسید و در قسمت جلوی آن ، و گرادیان دما در قسمت ورودی و خروجی به طور قابل توجهی بزرگتر از حد میانی بود که به دلیل انتقال شدید حرارتی ورودی و خروجی بودسیال و تغییر عالی دمای سطح دیوار.

شکل 13 توزیع NU را در امتداد دیواره انتقال حرارت صفحه راه راه میانی در زمان های مختلف نشان می دهد. همانطور که از شکل مشاهده می شود ، توزیع NU در امتداد سطح دیواره تبادل گرما برای نوسان در کل ، و به شدت در گوشه راه راه نوسان می کند. در زمان های مختلف ، روند تغییر منحنی توزیع Nu اساساً یکسان است ، با اختلافات محلی کوچک ، و میزان تغییر منحنی اساساً یکسان است. منحنی بخش ورودی مایع سرد به شدت از مقدار شدید می رود ، به آرامی در امتداد x-axis نوسان می کند و به شدت به مقدار شدید در خروجی می رسد ، که بیشتر از اوج بخش نوسان است ، اما کمتراز حداکثر مقدار ورودی. در ورودی مایع سرد ، ورود به مایع سرد منجر به تخریب لایه مرزی می شود ، جایی که گرما به شدت مخلوط و پراکنده است و شدت تبادل گرما ناگهان افزایش می یابد. در خروجی مایع سرد ، مایع سرد بیرون می آید و مایع گرم در داخل جریان می یابد ، شیب دما به شدت افزایش می یابد و ضریب انتقال حرارت در اینجا به حداکثر مقدار می رسد. با افزایش زمان ، مقدار شدید Nu در ورودی و خروجی کاهش می یابد ، زیرا اختلاف دما بین مایع گرم و سرد در کانال جریان کاهش می یابد ، که اثر قبلی را تضعیف می کند.

شکل 14 نمودار توزیع φ را در امتداد دیواره تبادل گرما صفحه راه راه میانی در زمان های مختلف نشان می دهد. همانطور که از شکل مشاهده می شود ، روند تغییر توزیع φ در امتداد سطح دیوار نزدیک به منحنی توزیع Nu است و تغییر کلی نوسان است که به شدت در نزدیکی گوشه راه راه نوسان می کند. منحنی بخش های ورودی از حداکثر مقدار به شدت پایین می آید ، که کمتر از مقدار شدید خروجی است ، زیرا شار گرما به اختلاف دما مربوط می شود و اختلاف دما بین مایع سرد و گرم در دیواره ورودی استکمتر از آن در دیوار خروجی. در زمان های مختلف ، روند تغییر منحنی توزیع شار گرما اساساً یکسان است و توزیع نوسان در بخش میانی با افزایش زمان کمی افزایش می یابد ، زیرا اختلاف دما در هر دو طرف با دیواره تبادل گرما کاهش می یابد.

4. نتیجه گیری

در این مقاله ، فرآیند انتقال حرارت در هنگام تغییر فاز در عبور جریان مبدل حرارتی صفحه راه راه ، قانون تغییر انتقال حرارت در طی تغییر فاز پارامترهای متوسط و پارامترهای محلی مرزی در لحظه های مختلف مورد بررسی قرار می گیرد و نتیجه گیری زیر ترسیم می شود:

(1) سطح دیواره تبادل گرما با زمان کاهش می یابد و به ثبات در T = 3/5T می رسد. میانگین دمای خروجی مایعات سرد با گذشت زمان افزایش یافته است ، در حالی که میانگین دمای خروجی مایع گرم برعکس بود ، اما هر دو در هنگام T = 3/5T به ثبات رسیدند. برای کسر حجمی فاز گاز ، قبل از t = 3/5t کوچک بود و سپس به طرز چشمگیری افزایش یافت.

(2) در معابر مایعات سرد و گرم ، توزیع گرادیان دما در وسط نازک و در هر دو انتها متراکم است. گرما از پایین به بالا ، از درجه حرارت بالا به دمای پایین منتقل می شود.

(3) برای دیواره تبادل گرما ، دما در امتداد x-axis نوسان می کند. مقدار اوج در زاویه مقعر ریپل است و دمای سطح دیواره در نیمه بعدی تمایل دارد که در مرحله اول ثابت باشد. برای مایع سرد ، انتقال حرارت در گوشه مقعر سطح دیواره تبادل گرما سریعتر است و هسته تبخیر آسان تر است.

(4) در مقایسه با مایع سرد ، توزیع دما مایع گرم در نزدیکی ورودی ابتدا به ثبات می رسد. تغییر سطح دیواره تبادل گرما در امتداد Nu و φ در اصل یکسان است و به حداکثر در ورودی و خروجی می رسد. بخش میانی در امتداد جهت موج ها نوسان دارد و مقدار آن با گذشت زمان کمی افزایش می یابد.

(5) مدل محاسبه ناپایدار ایجاد شد ، و فرآیند تغییر فاز گاز مایع بین مایعات با استفاده از مدل انتقال گرما و جرم تحقق یافت. قانون تکامل انتقال حرارت در هنگام تغییر فاز یافت شد. این روش خلاقانه است. مطالعه بیشتر در مورد عوامل تأثیرگذار انتقال حرارت در هنگام تغییر فاز در آینده مورد نیاز است.

کمک های نویسنده

مفهوم سازی ، H. S. ؛درمان داده ها ، C. H. ؛تجزیه و تحلیل رسمی ، W. Y. و Z. G. ؛روش شناسی ، G. W. ؛نرم افزار ، T. H. ؛نوشتن - پیش نویس Original ، H. S. و C. H. ؛نوشتن - بررسی و ویرایش ، C. H. همه نویسندگان نسخه منتشر شده نسخه خطی را خوانده و موافقت کرده اند.

منابع مالی

این تحقیق توسط [پروژه تحقیقاتی علوم و فناوری تحت کمیسیون آموزشی استان هوبی چین] شماره کمک مالی [Q20191208] تأمین شد.