（制冷及低温工程专业论文）鼓泡蒸发冷却换热性能及阻力特性.pdf

辱庆人学坝j j 学位论史 卜璧 摘要 本文针对目前在制冷装置中冷凝器的冷却方式，冷却水另需冷却塔进 冷却， 不仅能耗大，而且设备庞大，提出了一种新的冷却方式，即鼓泡蒸发冷上，将玲 凝过程与冷却水的冷却合二为一，对鼓泡蒸发冷却过程的换热性能和g 鼠力特灶边 行了实验研究。 出于目的国内外对鼓泡蒸发冷却过程在换热方面的关注和研究较少，水文 0 、 同空塔速度、不同堰高、不同热流密度、多孔板的不同几何尺、j 对换热系数及z 7 ， 气流动过程阻力的影响进行了实验研究及理论分析，总结了本史验条仆卜掀：m ；戍 阻力的实验关联式。 实验采用的多孔板的有效鼓泡面积均为1 6 0 4 0 0 r a m ，板厚5 r a m 。四块扳帕扎 径分别为4 r a m 、4 r a m 、3 r a m 、6 r a m ，丌孔率分别为7 1 3 、36 】、4 3 7 、813 ；堰商在3 0 r a m 、6 0 r a m 、8 0 r a m 及1 0 0 r a m 之叫变换：空塔速度的范幽魁0 2 9 9 m i s 1 0 5 6 n g s ：| 加热管有四排，共十根管：热流密度从几百( w m 2 ) 到两干( w m 2 ) 之 变化。 实验验证了多孔板上两相流的几种转变，并对影响漏液的闽素进行了探讨。艾 验结果表明，多孔板的孔径、丌孔率越小，堰商越低，宅塔速度越大，越小动 现漏液。空气流动的附力主要山孔板阻力和液层阻力组成，孔扳j j f = f j 安一逻彩州 板的几何尺寸及空塔速度的影响，空塔速度越大，孔板附力越人 爻验数她边 行回归分析得出的实验关联式为： p d = t 0 4 x 1 0 8 ( w a sb ) 2 9 公式适用范围：0 5 ，0 2 9 9 r r g s u 1 0 5 6 r n i s 。 而液层阻力主要受堰高的影响，堰高越高，液层阻力越大，与空塔速度和孔板的 几何尺寸无关，对以往的公式进行修正后得到实验关联式如下： p l = 3 9 1 1 z 本文刺加热管外壁与冷却水之问的换热系数进行了分析，认儿l 板的儿纠l 、 寸、堰高、空塔速度以及热流密度均会影响换热系数。堰高越高，换热系数越人； 在鼓泡范围内，空塔速度越大，换热系数越大；在本实验条件f 、- ，热流密度在 l o k w ( m 2 附近换热系数达到最大值。实验数据经回归分析得到l 号管及2 号管坩爻 验关联式： n u = 8 8 5 6 2 r e o ” n l l = 2 0 0 6 6 r e o 2 公式适用范围：0 2 9 9 m s - u 1 0 5 6 m s ，3 6 1 0 8 1 3 。 关键词：鼓泡，孔板阻力，液层阻力，换热系数 重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n ti nt h ec o o l i n gm o d eo fc o n d e n s e ri nr e f r i g e r a t i o nd e v i c e s ，t h ec o o l i n g w a t e rn e e d st ob ec o o l e di nc o o l i n gt o w e r n o to n l yt h i st a k e sm o r ee n e 唱yb u ta l s ot h e s e t t i n g sa r es ol a r g e ，t h i sp a p e rb r o u g h tf o r w a r da n e wc o o l i n gm o d e b u b b l i n g e v a p o r a t i v ec o o l i n g t h i sm o d em a k e st h ec o n d e n s a t i o na n dt h ec o o l i n go fc o o l i n g w a t e rb e c o m i n go n ep r o c e s s a n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e a n dp r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o c e s so fb u b b l i n ge v a p o r a t i v ec o o l i n ga r e c a r r i e d a st h e r ea r es ol i t t l ea t t e n t i o na n ds t u d i e so nt h ep r o c e s sb u b b l i n ge v a p o r a t i v e c o o l i n ga b o u th e a tt r a n s f e ri nt h ew o r l da tp r e s e n t ，t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h e e f f e c t so ft h ed i f i e r e n tb a r et o w e rv e l o c i t y , w e i rh e i g h t ，h e a tf l u xd e n s i t ya n dp l a t e p e r f o r a t i o ng e o m e t r i e so r t h eh e a ti r o n s f e rc o e m c i e n ta n dt h ep r e s s u r ed r o po ft h e p r o c e s so fa i rf l o w i n g i ts u m m a r i z e dh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p e x p e r i m e n t a l r e l a t i n ge q u a t i o no nt h e s ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h ep l a t ed i m e n s i o n sw e r e 4 0 0 xl6 0 r a mb y5 m mt h i c kt h ea p e r t u r e so ft h ef o u r p l a t e sa r e 4 r a m 、4 r a m 、3 r a ma n d6 m m ，a n d t h ea p e r t u r er a t i o sa r e71 3 、36 l 、43 7 a n d8 1 3 ；t h ew e i rh e i g h tc h a n g e si n3 0 r a m 、6 0 r a m 、8 0 m ma n d1 0 0 r a m ；t h e b a r e t o w e rv e l o c i t yr a n g e sf r o mo2 9 9 m st o10 5 6 m s ：t h et o t a lh e a tt u b e sa r et e na n df o u r l i n e s ；t h eh e a tf l u xd e n s i t yc h a n g e sf r o ms e v e r a lh u n d r e dw m 2t oo v e rt w ot h o u s a n d w m 2 t h ee x p e r i m e n tv a l i d a t e ss e v e r a ik i n do ft r a n s f o r m a t i o no ft w o p h a s ef l o wo nt h e p e r f o r a t e dp l a t ea n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fl e a k a g ew e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rt h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tw i t ht h ed e c r e a s i n go fp e r f o r a t e dp l a t ea p e r t u r e 、a p e r t u r er a t i oa n d w e i rh e i g h ta n di n c r e a s i n go fb a r et o w e l v e l o c i t y ，t h el e a k a g ei sh a r d l yt oa p p e a rt h e p r e s s u r ed r o po fa i r f l o wc o n s i s t i n go fp r e s s u r ed r o po ft h ep e r f o r a t e dp l a t ea n d l i q u i d l a y e ri sm a i n l yi n f l u e n c e db yt h ep l a t ed i m e n s i o na n db a r et o w e rv e i o c i t y , w i t h t h ei n c r e a s i n go fb a r et o w e rv e l o c i t y , p r e s s u r ed r o po ft h ep e r f o r a t e dp l a t ei n c r e a s e s t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r eu s e dt od e v e l o pac o r r e l a t i o na sf o l l o w s ： p d = 1 0 ：4 x 1 0 “( w d sb ) 2 9 t h i sc o r r e l a t i o ns h o u l db eu s e dw h e nb 5 ，02 9 9 m s u l ，0 5 6 r r g s a n dt h ep r e s s u r ed r o p & l i q u i d - l a y e ri sm a i n l yi n f l u e n c e db yw e i rh e i g h tw i t ht h e i n c r e a s i n go fw e i rh e i g h t ，t h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s e s a n di ti si n d e p e n d e n to fb a r e t o w e rv e l o c i t ya n dp l a t ed i m e n s i o nt h ec o r r e l a t i o nb e f o r ew a sc o r r e c t e da sf o l l o w s ： p l = 3 9 1 1 z t h i sp a d e ra n a l y z e dt h eh e a tt r a n s f e rc o e 塌c i e n tb e t w e e nt h eo u t e rw a l lo fh e a t t u b e sa n dc o o l i n gw a t e ra n di tw a sc o n s i d e r e dt h a tp l a t eg e o m e t r i e s 、w e i rh e i g h t 、b a r e t o w e rv e l o c i t ya n dh e a tf l u xd e n s i t yw o u l da f f e c tt h eh e a tt r a n s f e rc o e 衢c i e n tw i t ht h e i n c r e a s i n go fw e i rh e i g h t ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ；i n t h e r a n g eo f b u b b l i n g ，w i t ht h eb a r et o w e rv e l o c i t yi n c r e a s i n g ，t h ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ；a tt h e s e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ec o e f f i c i e n tg e t sm a x i m u mw h e nt h eh e a tf l u xv e l o c i t yg e t s 1 0 k w m zt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r eu s e dt od e v e l o pt w oh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n so f n ola n d n o2 t u b e sa s f o l l o w s ： 垂庆入学坝 1 学位论文 n u = 88 5 6 2 r e o 。1 n u = 2 0 0 6 6 r e o 2 t h e s ec o r r e l a t i o n ss h o u l db eu s e dw h e n02 9 9 m s u 1 0 5 6 m s 3 6 1 b d 。 2 ) 决定小孔处是否漏液的条件是根据孔口处的力平衡来决定的。当气侧压 差大于液层静压和表面张力之和时，孔口处为气体，当液层静压大于气侧的压差 与表面张力之和时，液体流过孔口漏下。 3 ) 当气侧压差大于最大的液层静压值与表面张力之和时没有漏液。 理论模型的推导： 设液层中静压波动规律为 h t = a o s i n ( 2n r ) + h 。( 11 0 ) 液层中有两种波动，1 ) 是在从低气速到高气速都存在纵向脉动，其频率与气 速无关，f 为2 4 h z ，2 ) 是仅在高气速下存在的横向脉动，其频率为【3 17 h z ， 这时已远离漏液状态，此处仅考虑前一种脉动，且忽略几何参数的影响，近似取f 等于3 h z 。 因为液层的波动是由于气流通过孔板对液层的强烈扰动引起的，波幅随着穿孔 气速的增大而增加，但当气速超过定值后，波动幅度的增加就不显著j 7 。波动 幅度大小受液层深度的限制，可以近似地认为波幅a 与液层当量深度h 。成正比。 扰动的大小和单个气泡的大小有关，可近似认为波幅与气泡的直径成正比，则 生生：r f 生1i 、 d 。l pj ” 作为气泡尺寸的特征值，用仅有浮升力和表面张力作用下的最大气泡的大小作为 气泡的特征尺寸，则 鲁= 睨； 液层的当量深度不同于液层静压，可用薄壁堰溢流公式计算： 即州黟 ( 11 2 ) ( 11 3 ) 虽然已对波动幅度与穿孔气速的关系作了定性的描述，但无因次函数f ( h + p ) 的形式还是具有很大的任意性，为简单起见，取： f ( h 丫p ) = a 2 ( h p ) 2 6 ( 11 4 ) 则a d = a h2 暖( h a p ) 6 其中a ，b 为由实验决定的经验常数。 考虑到液层的波动，引用小孔出流公式计算瞬态的流量。 q x = 幽厕 ( i15 ) ( 1 1 6 1 由于漏液是不连续的，而且板上是气液两相，而不是纯液相，所以h ( t ) 的 计算与水力学公式p r i m ，但水力学中计算小孔出流公式的基本思想是可取的，则 h ( t ) = a o s i n ( 2 z f t ) + h o 一p j = ) s i n ( 2 z f t ) 一p ( 11 7 ) 8 重庆大学硕士学位论文 绪论 把上式代入( 11 6 ) 式，在h ( t ) 0 的条件下对时间积分，可求出平均的漏液量。 筛板上的液层是波动的，漏液量受筛孔动能因子、孔径、清液层深度等因素的 影响。文献指出，定义漏液量为总液流量l 的点为漏液点是较恰当的，筛孔板 的水力不均匀性较大，板两端容易发生漏液，气负荷低于平均负荷，使负荷不均。 1 2 3 塔板持液量分析 塔板上的持液量是塔板计算的一个重要参数，塔与塔板上气液两相的接触时 间、液相在塔板上的停留时间及塔板的总板压降均直接有关。各种常崩塔板的持 液量或清液层高度计算方法，文献多有报道，但出入颇大，较早推荐的是以堰高h 和堰上液头h o w 来计算清液层高度，即 h l = h + h o v , ( 11 8 ) 该公式常用于工程计算。由于塔板上实际存在的是气液两相的鼓泡层，上式的结 果显然是不准确的。文献1 2 0 l 对目前工业上通用的四种塔板的清液层高度进行了实 验测定和关联，并与其他文献中若干公式进行比较，其实验是在直径为1 2 m 的圆 形塔中进行的。应用空气一水系统，测定了工业上通用的f 1 浮阀板和中47 筛板以 及两种孔径导向筛板的持液量。塔板参数见表1 2 。塔板堰长为o7 9 m ，两堰间距 为09 m ，实验工况为h w = 00 2 8 0 0 5 m ，l 。= 27 8 x 1 0 。o0 1 m 3 ( m s ) ，f = o9 27 m s ( k g m 3 ) d 5 。 表1 2 t a b l e l2 名称孔径m孔间距m 开孔率板厚m f 1 浮阀板 00 3 900 7 5 00 81 6300 0 3 币47 筛板00 0 4 7 0 0 1 8 5400 0 2 中5 导向筛板00 0 50 0 1 863o0 0 2 中1 0 导向筛板 oo l 0 0 2 3 5 1 4200 0 2 针对较大直径塔板上液体流动不均匀的特点，将塔板分为五个区：进口区、出 口区、中心区和两个弓形区。数据显示，塔板上各区清液层高度是不相同的，其 规律都是进口区的清液层高度较出口区高，此差值即为塔板的液面落差。但导向 筛板的这一差值小得多；两弓形区清液层高度也稍高，塔板中心区的清液层高度 最低。 需要指出，连通管的液位读数h 。并不真正表示塔板某点的清液层高度h 。，严 格的讲应以下式计算： b b p p 版，( 一暇f ) 2 0 - rl10 、 l 一” pl g pl g ym 上式右端第二项是对气体动量变化的修正，但气速较小时可以忽略，气速较大 时还应考虑；而第三项是玻璃管读数因液体表面张力的修正，通常可以忽略。 根据实验，在一定的堰高h 和液流强度l w 下，孔速增加将导致清液层高度 h l 下降，因孔速增加，塔板上鼓泡层高度明显增加，堰高定的情况下，鼓泡屡 含气率增加较大，实际清液层高度反而减小了。导向筛板由于有鼓泡台和导向孔 的设计，气体有推动液体流动的作用，故孔速增加时，清液层高度下降夏更明显 一些。f 1 浮阀板的情况有些特殊，在气速w o 较高时，清液层高度h l 又增加， 重庆丸学硕士学位论文 绪论 这是由f 浮阀板的气流是由浮阀四周喷出的，这显然增加r 液相流过塔板的阻力， 从而导致塔板持液量上升。 由于四种筛板的开孔率不同，故在同样的空速w o 下，孔速w g 差别很大，若 以同样的w 。来比较四种塔板的清液层高度，可以看出两种导向筛板的h l 要低， 这可以解释导向筛板压降较小的原因。浮阀塔板的h l 在w o 较小时m 47 筛板的h l 要小。但当w e 或w o 增大后，它的h l 就变褥较大了。 显然，液流强度l w 越大，因塔板流动阻力和堰上液头h o w 增大，清液层高度 h l 也越大；同样，堰高h w 增加时，h l 也将增大。 对所有数据进行多元函数拟台，可得h l 的计算关联式，经过分析与试算，将 h l 与有关工况参数表示成如下形式： h l 要c 。十c l h w 05 + c 2 l 。+ c 3 f 0 2 十c 4 f o ( 12 0 ) 四种塔板的数据均能达到较好的拟和精度，只是它们的常系数各不相同，见表1 3 。 由此可计算在一定工况下各种塔板的清液层高度或持液量。 表l3各常系数数值 1 铀l e l3t h ed a t ao f t h ec o n s t a n tc o e f f i c i e n t 名称c o 1 0 3 c l c 2 c 3 1 0 3 c 4 1 0 3 误差 f 。浮阀板 80 7 0 】5 4l2 9 01 5 435 5 ( 7 中47 筛板80 400 8 0 11 1 0 0 0 3 6o ( 7 由5 导向筛板 79 2o2 0 9l1 9oo 7 6( 1 0 中1 0 导向筛板 1 6 9 40 0 6 510 600 2 519 4( 1 0 筛板的清液层高度计算公式很多，由于实验条件各异，所得结果相差颇大。国 内常用的是a i c h e 较早得到的公式。h o f h u i s 用四种物系，对巾3 中1 0 的七种塔 板进行了筛板鼓泡层密度分布的研究，并通过积分运算给出了清液层高度计算式： !】! h l = 0 6 甲4 h 。i p 4 ( i2 1 ) 另外，c o l w e l l 又提出了一个计算公式： ( t ，；! 饥= 中。h 。+ o0 0 7 3 ( 1 0 0 0 l ) 3 ( 12 2 ) ld 式中，由。为泡沫的相对密度，c d 是一个由堰高和堰上液头高度决定的系数，并认 为，上式较式( 1 2 1 ) 具有更好的计算精度，但其计算过程颇为复杂。通过对比发 现，式( 12 0 ) 及式( 12 1 ) 的计算值均接近于实测值，而式( 1 2 0 ) 的计算更为 简洁；式( 1 2 2 ) 较大程度的偏离了实测值。 塔板上的清液层高度在本实验中主要由溢流堰来控制，这是一个重要的参数， 与文献【2 】不同的是本实验将在浅液层中进行。 1 2 4 雾沫夹带的分析 雾沫夹带在鼓泡过程中也是一个重要的影响因素，除了蒸发的部分冷却水外， 另有部分冷却水由于气体的扰动过程呈雾沫状随气体逸出，且这部分水量不在少 数，它对冷却水的补充量是一个重要的参数，故在本课题的实验研究中，应予以 重视。 重庆入学硕士学位论文 绍硷 早期，人们对雾沫夹带的研究并未注意刘塔板操作工况的不同，及由工况不同 而引起的雾沫夹带规律的改变。至七十年代中期，p i n c z e w s k ip o r t e r 等的研究发现， 雾沫夹带规律与操作工况有关，将泡沫工况下所得的规律外延至喷射工况会产生 较大的误差。此后，筛板喷射工况下雾沫夹带的研究受到人们的关注，并陆续有 研究成果发表。然而，由于对此研究历史不长，某些结果迄今未能取得一致。例 如，在液体流量对雾沫夹带影响的问题上，有的文献认为液体流量增加，雾沫夹 带减少；而有的文献结果显示，雾沫夹带量随液体流量的增大而增大。 在中3 0 0 m m 的有机玻璃塔内，设有孔径为l o m m ，三角形布孔筛板，实验扬系 为空气，水。实验中，透过有机玻璃塔壁，观察到测试筛板上泡沫和喷射两工况的 形态。泡沫工况下，筛孔板上存在明显的泡沫层，气体通过筛孔后在泡沫层内分 散，喷射工况下，筛板上有大量的液滴产生，液体呈分散相，板| 二液崖与液滴间 没有清晰的界面。 气速及液流量对雾沫夹带的影响是相互关联的，需联系起来考虑，按气速及液 流量的相对大小变化对雾沫夹带量的变化趋势，有以。卜 几种情况： a ) 气速低、液量小，板上为喷射上况。增加液流量，减弱了板上喷射的强度， 使雾沫夹带量下降。 b ) 气速低、液量大，板上为泡沫工况。增加液流量，增加了筛板上泡沫层的 高度，使雾沫夹带量有所增加。 c ) 气速高、液量大，板上为喷射工况。雾沫夹带量随液流量的变化同情况( a ) 。 d ) 气速高、液量小，板上处于强烈的喷射状态。此时喷射强度不因液量的增 加而产生较大的改变。液量增加因使气液接触更加充分，而使雾沫夹带量明星增 大。有文献称此种情况为完全喷射状态。此时，喷射强度不因液量的增加而产生 较大的改变。液量增加因使气液接触更加充分而使雾沫夹带量明显增大。有文献 称此种情况为完全喷射状态。 综上可见，雾沫夹带量的变化规律取决于板上的操作工况，喷射工况下与喷射 的强烈程度有关。实验表明，筛板上的喷射强度与气液流比数由= ( l s 厂u s ) ( 1 2i pg ) ”有关。巾越大，越不易喷射，喷射的强度降低。定义中。1 为喷射强度凶子。 为了对不同操作条件下的喷射强度作比较，以工况转变时的喷射强度因子小j 2 为基准，定义： x = ( 巾。) ( ( i ) - t )( 12 3 ) x 反映了喷射的相对强度，称为相对强度因子。当x i ，则为喷射工况，x 越大，喷射越强烈，将中。= ( u s ，l s ) ( p0 ，pl ) o 5 及由t 1 = ( u s l s ) ( p ( ；p l ，) o5 】l 代入式( j2 2 ) ，有 x - 【( u s l s ) ( p ( ，pl ) “7 】 ( u s l s ) ( pg pl ) o5 i ( i2 3 ) 式中，【( u s l s ) ( p0 ，pl ) 。1 从实际操作的条件参数计算，f ( u s l s ) ( pg pl ，) “】t 从相应于实际操作的条件下，发生工况转变时的参数计算，泡沫一喷射工况转 变的研究给出下式 c c 等，卜t 鲤号篙糍半一”2 2 6 、z s ， 由前面对雾沫夹带量e v 与喷射强度间的定性分析不难得知，喷射工况下e v 与x 有 关。 重庆大学硕上学位论文 坫沦 x 1 0 时，e 。随x 的增加呈降低趋势，为强烈喷射状态，其气液比超出常规操作， 实际碰到不多。 1 x 1 0 时，为般喷射状态，通常喷射操作多处于此范围，在1 x 1 0 范圜 内，数据点在双对数坐标一j j 呈线性分布，回归得 e v = k x u 8 5 5 ( i2 6