水平異形管降膜蒸發(fā)流動(dòng)與傳熱強(qiáng)化機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著能源供應(yīng)局勢(shì)的緊張，高效傳熱強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)成為節(jié)約能源及提高能源利用效率的重要途徑之一。水平管降膜蒸發(fā)器因其傳熱系數(shù)高溫差小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于海水淡化、化工石油、制冷空調(diào)和食品加工等領(lǐng)域。本文提出了采用異形截面管改善流動(dòng)條件強(qiáng)化降膜蒸發(fā)，并對(duì)其流動(dòng)傳熱特性及強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行了深入的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先對(duì)水平管降膜蒸發(fā)的管間流型、滴柱狀流下的分離間距（降膜波長(zhǎng)）、液膜厚度及液膜破裂等流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，整理并分析了水平管

2、降膜蒸發(fā)傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式及降膜蒸發(fā)傳熱的影響因素，通過(guò)理論分析給出了本文研究所需的光滑管降膜蒸發(fā)的流動(dòng)和傳熱數(shù)理模型。通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，降膜蒸發(fā)一般處于層流狀態(tài)，其對(duì)流換熱的熱阻主要存在于壁面附近以及液膜的熱阻，必須改善壁面附近的流動(dòng)及減薄液膜以強(qiáng)化傳熱。光滑異形截面管特殊的弧形壁面能夠在增強(qiáng)壁面與膜內(nèi)液體對(duì)流換熱的同時(shí)減薄液膜，降低過(guò)程熱阻并強(qiáng)化降膜蒸發(fā)。
　　基于VOF(Volume of Fluid)方法詳細(xì)模擬研究了蛋形管

3、和滴形管兩種異形管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。結(jié)果表明異形管的特殊弧形壁面的確能夠有效地引導(dǎo)管外流體的流動(dòng)分布，使流體微團(tuán)受到沿壁面切向向下的重力分力增大，液膜流動(dòng)加快而變薄。蛋形管周向130°附近其流速在靠近壁面附近可高出圓管30％左右，而在汽液界面也高出4％。膜內(nèi)液體流動(dòng)加快，一方面顯著增強(qiáng)了流體與壁面的對(duì)流換熱，另一方面使液膜減薄的同時(shí)增強(qiáng)了液膜波動(dòng)效應(yīng)，促進(jìn)了液膜傳熱，加快了流體內(nèi)部的熱量向汽液界面的傳遞。蛋形管和滴形管的液膜厚度最小值出現(xiàn)

4、的周向位置較圓管靠后且比其值分別小9.8％和2.0％。分析發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)無(wú)量綱過(guò)余溫度θ隨布液高度和噴淋密度的增大而降低，隨周向角度的增大而增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)蛋形管和滴形管的θ小于圓管，具有較薄的熱邊界層厚度，且兩異形管的膜內(nèi)溫度梯度均大于圓管膜內(nèi)梯度。對(duì)其進(jìn)行場(chǎng)協(xié)同分析發(fā)現(xiàn)蛋形管、滴形管和圓管的膜內(nèi)對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同余弦值依次增大，表明蛋形管膜內(nèi)溫度梯度方向與速度矢量方向夾角優(yōu)于其余兩種，也證實(shí)上面的數(shù)值模擬是可靠的。對(duì)比發(fā)現(xiàn)蛋形管的傳熱性能確實(shí)最

5、好，滴形管次之，表明異形截面管可有效強(qiáng)化降膜蒸發(fā)傳熱。
　　為進(jìn)一步優(yōu)化蛋形管的強(qiáng)化傳熱，在噴淋密度為0.29kg/(m·s)和布液高度為9mm時(shí)模擬分析了六種不同截面形狀蛋形管的降膜流動(dòng)及傳熱特性。結(jié)果表明半軸比增大導(dǎo)致膜內(nèi)液體流動(dòng)加快，液膜厚度降低，膜厚最小值點(diǎn)的周向位置靠后。半軸比大于4的蛋形管降膜特性傾向于豎直平板降膜，熱邊界層得到較充分的發(fā)展而變厚，導(dǎo)致無(wú)量綱過(guò)余溫度增大，溫度梯度減小，相應(yīng)的傳熱性能減弱。比較發(fā)現(xiàn)半軸比

6、在2-3時(shí)的蛋形管具有較小的無(wú)量綱過(guò)余溫度和較大的溫度梯度，傳熱性能較好。通過(guò)擬合數(shù)據(jù)得到半軸比為2.4的最優(yōu)蛋形強(qiáng)化管結(jié)構(gòu)。表明通過(guò)合理優(yōu)化水平降膜管的截面形狀改善管子表面液膜分布促進(jìn)傳熱性能提高的技術(shù)路線是正確的。
　　搭建降膜流動(dòng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，使用高速攝像技術(shù)觀測(cè)了蛋形管及圓管管間降膜流型及流型間轉(zhuǎn)變并測(cè)量了降膜流動(dòng)數(shù)據(jù);自制電導(dǎo)探針并測(cè)量了不同Re數(shù)和管間距時(shí)周向液膜厚度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):蛋形管及圓管管間流型均隨Re數(shù)增加依次呈現(xiàn)

7、滴狀流、滴柱狀流、柱狀流、柱片狀流和片狀流等流型;在管間流型在向滴柱狀流和向柱狀流過(guò)渡時(shí)，蛋形管的轉(zhuǎn)變Re數(shù)稍小于圓管，向片狀流過(guò)渡時(shí)明顯小于圓管，而從柱狀流向柱片狀流過(guò)渡時(shí)小得更多，約40％。因此蛋形管的柱片狀流型區(qū)域擴(kuò)大，即所跨度的Re數(shù)范圍增大，此區(qū)降膜流動(dòng)工質(zhì)的流量消耗較片狀流時(shí)小但其對(duì)液膜的沖擊效應(yīng)并來(lái)明顯減弱，有利于降膜蒸發(fā)傳熱。降膜波長(zhǎng)隨Re數(shù)增加而變短，在Re＞400后變化趨于平緩;隨管間距的增大而變長(zhǎng)，但當(dāng)管間距大于一

8、定值后其基本不發(fā)生變化。相較圓管，滴、柱狀流時(shí)蛋形管降膜波長(zhǎng)平均降低6.66％。測(cè)量發(fā)現(xiàn)管間距增大使液膜厚度變薄的影響在管子頂部較為明顯;液膜厚度隨著Re數(shù)增加而增大。電導(dǎo)探針實(shí)測(cè)膜厚值與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，表明文中所用的數(shù)值模擬方法是可靠性的。通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了蛋形管和圓管各自降膜波長(zhǎng)和膜厚最小值的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，表明管間距對(duì)降膜流動(dòng)特性的影響不能忽略。
　　設(shè)計(jì)制作了水平管降膜蒸發(fā)器并測(cè)驗(yàn)了蛋形管和圓管各自構(gòu)成的單列管和管束

9、的降膜傳熱性能，在分離總傳熱系數(shù)后得到了管外降膜表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蛋形管的特殊弧形壁面結(jié)構(gòu)的確促進(jìn)了管外降膜蒸發(fā)傳熱，強(qiáng)化傳熱效果明顯，相對(duì)于光滑圓管，單列管和管束時(shí)蛋形管外的降膜表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別增加了13.4-16.1％和11.9％-13.6％。水作為降膜工質(zhì)，在200＜Re＜3500的范圍內(nèi)，圓管和蛋形管的降膜表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h均隨Re數(shù)增加呈增大的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度逐漸減緩。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨噴淋溫度和管間距增加均呈增大