（化学工程专业论文）垂直管内降膜吸收与蒸发过程研究.pdf

北京化工大学硕士研究生学位论文 垂直管内降膜吸收与蒸发过程研究 摘要 吸收器和精馏塔提馏段是氨水吸收式g a x 循环中最重要的能量耦合 单元设备之一，两者的性能对整个系统的制冷系数起关键作用。降膜式吸 收、蒸发具有传热效率高、传热温差损失小、无静压头引起的沸点升高及 物料停留时间短等特点。因此，研究降膜式吸收、蒸发的规律，可以给 g a x 循环的吸收和再生单元的设计提供指导，对g a x 循环的实现并达到 具有较高制冷系数的目标有十分重要的作用。 本文介绍了垂直管内降膜吸收和蒸发的研究背景和发展现状，从降膜 吸收、蒸发的基本原理出发，利用实验室现有条件，搭建了一套垂直管内 降膜吸收一蒸发的实验室规模间歇操作的实验系统。 进行了垂直管内降膜传热过程实验研究，在可选择的实验参数范围 内，通过实验考察了降膜雷诺数和管外热媒进口温度变化对降膜传热效果 的影响。所得实验结果与理论分析一致，即随着降膜雷诺数增大总传热系 数和降膜侧传热系数增大，且增幅十分明显。 进行了垂直管内降膜传热蒸发实验研究，在光管降膜蒸发实验中，以 降膜液入口温度、降膜雷诺数为变化量，考察降膜侧传热系数在这两个变 量影响下的变化规律，并回归得到降膜雷诺数在一定范围内的竖直光管降 膜传热膜系数准数关联式，平均误差在4 6 以内。 对螺旋线的规格进行了优化选择，分析了在螺距、丝径和降膜雷诺数 变化条件下的降膜侧传热系数的变化规律，并回归得到竖直管内插螺旋线 北京化工丈学磺士研究生学位论文 降膜传热膜系数准数关联式，平均误差在1 4 8 以内。 建立了氨水溶液降膜吸收的传热模型，考虑了吸收过程中氨水溶液的 物性变化和膜厚变化，模拟计算值与实验值总体吻合较好。选取四个水平， 考察了管外对流换热系数、吸收管内径和管内喷淋密度对液膜平均温度及 液膜浓度的影响。吸收效果对各因素表现出不同的依赖性：管内喷淋密度 改变的影响大于管外对流换热系数改变的影响大于吸收管内径变化的影 响。 关键词：降膜，吸收，蒸发，传热强化，氨水溶液 i i i n v e s t i g a t i o n so na b s o r p t i o n a n d e v a p o r a t i o np r o c e s sw i t h f a l l i n g - f i l m i nav e r t i c a lt u b e a b s t r a c t t h ea b s o r b e ra n dt h ee v a p o r a t o ro fa m m o n i a - w a t e r a b s o r p t i o ng a xc y c l e i st h em o s ti m p o r t a n te l e m e n to fe n e r g yc o u p l i n ge q u i p m e n t , w h i c hp l a y sa k e yr o l eo nat o t a lp e r f o r m a n c eo ft h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m c o e f f i c i e n t f a i l i n g f i l m a b s o r p t i o n ，e v a p o r a t i v eh e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y , s m a l lt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo fh e a tl o s sa n dn oh y d r o s t a t i ch e a do fh i g h e rb o i l i n gp o i n ta n d s h o r tr e s i d e n c et i m ew e r et a k e na st h ec h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo f f a l l i n gf i l ma b s o r p t i o na n de v a p o r a t i o nc a l lp r o v i d eg a l i d a n c e0 nt h ed e s i g no f g a x a b s o r p t i o na n dr e g e n e r a t i o nc y c l et oa c h i e v eah i g h e rc o e f f i c i e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds t a t u so f t h ev e r t i c a lf a l l i n g f i l m a b s o r p t i o na n de v a p o r a t i o n w ee r e c t i o no fav e r t i c a lt u b e f a l l i n g f i l m a b s o r p t i o n e v a p o r a t i o n o ft h e l a b o r a t o r y - s c a l ee x p e r i m e n t si n t e r m i t t e n t o p e r a t i o no ft h es y s t e mf r o mt h eb a s i cp r i n c i p l eo f f a l l i n gf i l ma b s o r p t i o na n d e v a p o r a t i o nw i t ht h ee x i s t i n gl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s i no r d e rt ok n o wt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f v e r t i c a lf a i l i n gf i l m , w ec o n s i d e r st h ei n f l u e n c eo ft h ef a i l i n gf i l mr e y n o l d sn u m b e ra n d t u b eh e a t m e d i u m t e m p e r a t u r e w i t ht h ef e a s i b l e e x p e r i m e n tp a r a m e t e r s t h e e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa r ev e r yc o n s i s t e n t ：t o t a lh e a tt r a n s f e r 1 1 1 北京化工大学硕士研究生学位论文 c o e f f i c i e n ta n df a l l i n gf i l m s i d 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 sv e r y o b v i o u s l y w i t ht h ei n c r e a s eo f t h ef a l l i n gf i l mr e y n o l d sn u m b e r av e r t i c a lt u b ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o rh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t sw e r ea l s o p e r f o r m e d w ec o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fi n l e tt e m p e r a t u r eo fl i q u i dm e m b r a n e a n df a i l i n gf i l mv a r i a t i o no ft h er e y n o l d sn u m b e ro nf a l l i n gf i l ms i d eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dr e g r e s sv e r t i c a l ，t u b e s f a i l i n g f i l m h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ta s s o c i a t e dw i t hr e y n o l d sn u m b e ri nac e r t a i nr a n g e t h ea v e r a g e e r r o rw a sl e s st h a n4 6 w e o p t i m i z e d t h eh e l i x s p e c i f i c a t i o n s a c c o r d i n g t o a n a l y s e s a f a l l i n g - - f i l m - s i d e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fv a r i a t i o nu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n so ft h ep i t c h ，s i l ka n df a l l i n gf i l mr e y n o l d sn u m b e r , w er e g r e s s e d v e r t i c a lt u b e sf a l l i n gf i l mh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nt h ei n s e r t e ds p i r a lv e r t i c a l t u b e t h ea v e r a g ee r r o rw a sl e s st h a n1 4 8 am o d e lf o rf a l l i n gf i l ma m m o n i as o l u t i o na b s o r p t i o no fh e a tt r a n s f e ri s p r e s e n t e db a s e do nt h ep r o p e r t i e so ft h ea m m o n i as o l u t i o na n df i l mt h i c k n e s s s i m u l a t e dd a t aa r ev e r yc o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a w ei n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo f t h eo u t s i d eo f c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，a b s o r p t i o nt u b e d i a m e t e ra n dt u b es p r a yd e n s i t yo nt h ef i l mt e m p e r a t u r ea n dt h ea v e r a g e c o n c e n t r a t i o no fl i q u i df i l m t h e s ef a c t o r ss h o w e dad i f f e r e n td e p e n d e n c e ： t u b e s p r a yd e n s i t y h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i n n e rt u b ed i a m e t e r k e y w o r d s ：e v a p o r a t i o n ，f a l l i n g f i l m ，a b s o r p t i o n ，h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t ，a m m o n i a - w a t e r 北京化工大学硬士研究生学位论文 符号 4 c p c l d i 岛 g g h 足 南 坍 m p q r e r o r 州 t r 工 ) ， 希腊字母 6 p ， 符号说明 意义 总传热面积 比热容 液体的比热 蒸发管内径 氨气相扩散系数 重力加速度 液体的质量流量 降膜侧传热系数 总传热系数 液相的导热系数 降膜管长 降液密度 被吸收气体的摩尔分子质量 压力 从冷流体取走或加给冷流体的热量 液膜的雷诺数 降膜管半径 通用气体常数 冷流体温度 热流体温度 氨水质量分数 水在空气中摩尔分率 变化量 厚度 粘性系数 密度 汽化潜热 n l j ( t o o l k ) k k k j k g 对椰 鼢瞄心 培陂 一。吖 甜d 靴一叭删 m觚毗啪叭叭m叭蜘h槲 s h m 鼢蚴 北京化工大学硕士研究生学位论文 降膜侧传热促进因子 喷淋密度 液体表面张力 冷却水 最小 相界面 液相 氨气 v i i i k ( m s ) k g f m 口r盯隔。i：， 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 北京化工大学顼士研究生学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章综述 近年来，随着世界经济的飞速发展，人类已面临着日益严重的全球气候变暖和能 源枯竭的威胁。为此，对太阳能、地热和工业废熟等低品位能源的利用已越来越成为 人们关注的焦点。经济愈发达，生活水平愈高，能源需求就愈大。在我国，能源利用 率远比发达国家低，浪费大，产品能耗商，随着国民经济的快速发展，能源供应已越 来越紧张。为此，必须开源节流地发展能源利用技术以实现我国的可持续发展。针对 我国能源利用效率低的特点，发展“节流”方面的能源利用技术，有效地利用低品位 能源具有重要意义和广阔前烈“2 1 。 氨水吸收式g a x ( g e n e r a t o ra b s o r b e rh e a te x c h a n g ec y c l e ) 循环是采用以氨水 为工质对，以及基于发生器与吸收器之问的高效热量交换的先进吸收循环。相比于其 它传统循环，g a x 循环有许多优点：首先，g a x 循环具有较高的热效率；其次，由 于此循环可以低品位热驱动，间接地减少了化石燃料消耗，能够减少c 0 2 的排放量。 因此，作为新世纪能源利用系统中不可缺少的重要组成，g a x 循环具有十分重要的 研究与开发意义n4 1 。 在g a x 循环的能量耦合设备中吸收器和发生器是g a x 循环中最重要的单元设 备，其性能对整个系统的制冷系数c o p 起关键作用。由于降膜式吸收具有传热效率 高、传热温差损失小、无静压头引起的沸点升高及物料停留时间短等特点。因此，研 究降膜式吸收的规律，可以给g a x 循环的吸收单元的设计提供指导，对g a x 循环的 实现并达到具有较高制冷系数c o p 的目标有十分重要的作用。 1 2 文献综述 1 2 1 吸收和蒸发过程的研究现状 降膜式吸收、蒸发具有传热效率高、传热温差损失小、无静压头引起的沸点升高 及物料停留时问短等特点，广泛应用于化工、轻工、化纤、食品加工、海水淡化和医 北京化工大学硬t 研究生学位论文 药等工业部门，在吸收式制冷机组中的应用也非常普遍。在吸收式制冷机组中，吸收 器和发生器的传热传质性能对整个机组经济性的影响很大，因此应用降膜式吸收、 蒸发来强化传热传质过程一直是国内外有关研究的主要着眼点之一1 5 一。 s d i r n i n 给出了填料式吸收器中，溶液和气体混合物之间的界面传热传质模型。模 型在液相和气相方程中使用了克分子传热传质系数，溶液界面克分子浓度，界面蒸汽 克分子浓度。为完善模型，导出溶液和气态混合物的热力学和物理性质的数学关系式。 作者编制了计算机程序来证明模型能够预测填科床中不同运行环境下界面的气体吸 收速率，预测了在给定运行条件下的界面处的质量流率。 s s a 8 磕过实验验证了氨水溶液吸收氨气时的界面质量流率，测量了在两个不同的 压力下液体和气体的温度变化，观察了氨水溶液进口浓度对传质速率的影响。过热氨 蒸汽进入测试空问被吸收，吸收时测量的压差通过理想气体方程转化成氨气吸收量。 传质速率通过界面热量流率的大小来估计，而热量流率应用热传导反问题解法求得。 得出了随着氨水溶液进口浓度的增加，传质速率下降。在进口浓度大概6 0 时，几乎 就不吸收了。在气液界面上吸收氨气所放出的相当比例的吸收热传递到气相侧。 w 酗s 饥g e f 【9 】给出了氨水降膜吸收器的热质传递和动量传递模型，以及氨水溶液和 汽相逆向流动时的传热传质结果。如果扩散与对流的比率不能忽视( 气体通道小于5 m m ) ，顺流吸收要强于逆流吸收。 k w o n 【1 0 1 分析了吸收器中降膜吸收的传热传质受周围制冷剂蒸气的流动影响。使 用降膜螺旋吸收器研究了蒸气流动方向对传热传质的影响。测量了顺流和逆流时的传 热传质系数。得出了在逆流中，如果溶液蒸气的分压力很大的话，传热传质将恶化； 随着溶液浓度的上升，蒸气流动方向的影响将减弱。不考虑蒸汽流方向时。总传热速 率随着溶液流速和温度而上升。逆流时，蒸汽流速过高，降膜热传递恶化。界面剪切 力引起的降膜不规则流动降低了吸收器的传热传质系数。尽管降膜处于层流区域，流 速增加还是会加大传热系数的。 n e 弘y i 研究了波状壁面上的层流降膜，对降膜流经竖直波纹板的流体流动形式 和传热传质特性进行层流数值研究。为了直接在传热传质速率里包含流动参数，数值 模型分成两个部分，第一部分有自由表面的降膜的流动充分发展，第二部分传热传质 与流场结合在一起。结论是表面波导致在波谷产生回流区。雷诺数增加，则回流区在 大小和强度上都增加。回流区的产生表示了膜厚的增加，对传热传质产生了很大的影 响。 北京化工大学琢士研究生学位论文 【雒一1 2 】对带有增强表面的平板热交换器中氨水降膜吸收过程进行了实验分析。考 虑了溶液和蒸汽的流动特性，溶液的进口局部冷却和进口浓度差对传热传质性能的影 响。溶液进口浓度选定为质量比5 ，1 0 和1 5 ，同时进口蒸汽的浓度从6 4 7 变 化到7 9 7 。较低的进口溶液湿度和较高的进口蒸汽温度可以得到较高的n u 和s h 数。n u 和s h 数是降膜雷诺数r e l ，蒸汽雷诺数r e v ，进口局部冷却温差和进口浓度 的函数，分别有1 5 和2 0 的误差范围。所有这些研究表明。氨水吸收式制冷系统 的研究正为世界学者所关注。 c h u n 和s c b a n ”l 对垂直管电加热内降水膜的传热性能进行了详细的研究，通过测 定热流量、壁温、饱和蒸汽压确定传熟系数，得到了实验关联式他们的数据是目前 最常引用的数据，很多研究者在验证理论模拟的准确性时也多以c h u n 和s e b a n 的实 验数据为准，在纯组分降膜蒸发器设计计算时，也常常推荐使用c h u n 和s e b a n 的实 验关联式。但是它忽略了二次蒸汽的影响。 中国科学技术大学的程文龙f l q 等对风冷垂直管降膜吸收器及其传热传质问题进 行了研究，提出了风冷吸收器的设计方案，建立了风冷吸收器降膜吸收过程中传热、 传质耦合问题的物理数学模型。并在此基础上，对风冷垂直单管内溴化锂水溶液吸收 过程的传热、传质问题进行了数值研究，得出了一些基本结论。这些结果对于垂直管 降膜吸收过程的研究以及风冷吸收器的设计具有一定的指导意义。 大连理工大学的徐士鸣【i5 】等对垂直管内t f e n m p 降膜吸收过程中热质传递进 行了试验研究，建立了单根管吸收试验台以研究t f e ，n m p 降膜吸收过程中热、质传 递规律。在不同t f e n m p 溶液流量和不同冷却水流量条件下，测得两组试验数据。 分析了溶液流量和冷却水流量对r e 、传热系数和传质系数的影响。 降膜蒸发器在1 9 世纪末己经出现，进入2 0 世纪，降膜蒸发的使用与研究才多了 起来。降膜蒸发器的研究分为两个方面：一是对降膜侧传热系数的理论求解以及在实 验的基础上利用实验数据得到经验或半经验的试验关联式 1 6 - 1 9 】；二是从蒸发系统本身 入手，改进蒸发器的性能和改善工艺流程来得到尽可能大的传热系数和完善的操作条 件，借此达到节省设备投资和减少运行费用的目的，即对蒸发系统进行优化啪- 2 4 。 对降膜蒸发传热的理论研究始于d u i k e r l 2 5 1 ，他将满管的边界层理论移至降膜蒸发 液流中，在不考虑界面波和泡核沸腾的影响下，计入二次蒸汽对流动和传热的影响， 提出了降膜流动的模型，并认为降膜中没有真正的层流和湍流之分，应同时考虑这两 种因素的影响。他在近壁区采用d e i s s l e 方程，在远壁区采用k a n n a n 方程来确定涡流 3 北京化工大学硕士研究生学位论文 扩散系数，对降膜的动量、质量和能量衡算基本方程在计算机上用数值方法求解，得 到了液膜局部传热系数、平均传热系数、液膜厚度及无因次速度与液膜雷诺数的关系， 并以无因次剪切力鼻和普朗特数为主要参数绘成了一系列图表。d u l k e r 的理论分析后 来被许多研究者作为理论研究的基础。 目前，对降膜式吸收、蒸发器传热、传质性能的实验研究很多，也锝出了很多实 验关联式，但是其结果没有普遍性，可用于降膜式吸收、蒸发器实际设计的通用关联 式较少。 1 2 2 强化传热方法及研究进展 强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传 热元件。改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低。以达到 生产的最优化早在1 8 世纪初就提出让风吹过物体表面强化对流传热。但该技术真 正引起人们重视是在2 0 世纪6 0 年代后，由于生产和社会发展的需要，强化传热技术 在3 0 多年来得到了广泛的发展和应用。迄今为止，强化传热技术在动力、核能、制 冷、石油、化工乃至国防工业等领域中得到广泛应用，国内外公开发表的论文和研究 报告超过6 0 0 0 篇，获得了数百项专利，已发展成为成熟的第二代传热技术。 由于科学技术的飞速发展和能源的严重短缺，不断向强化传热提出了新的要求， 因此强化传热研究的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，世界各主要工业 国都对此进行了大量的研究开发工作。目前，华南理工大学教育部传热强化与过程节 能重点实验室和清华大学负责，联合西安交通大学等国内8 所著名高校，实现了传热 界的强强联合，共同承担国家重大基础研究9 7 3 项目“高效节能中的关键科学问题”， 力图建立强化传热新理论，并在新理论的指导下，开发第三代传热技术【2 6 l 。 具体到换热设备传热过程的强化就是力求使换热器在单位时问内，单位传热面积 传热达到最多。不同的工艺对强化传热具体要求也不相同，归纳起来，应用强化传热 可以实现以下目的【2 7 】： ( 1 ) 减少设计传热面积以减少换热器的体积和质量； ( 2 ) 提高现有换热器的换热能力； ( 3 ) 使换热器在较小的温差下工作； ( 4 ) 减小换热器阻力以减小换热器的动力消耗。 4 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 1 强化传热方法 强化传热技术可分为有功强化传热技术和无功强化传热技术两类【嚣j 有功强化传 熟技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的；无功强化传热技术则无需应用外部 能量。有功强化( 亦称主动式强化) 传热技术包括：机械强化法、振动、电场、磁场、 光照射、喷射冲击等。无功强化( 亦称被动式强化) 传热技术包括：表面特殊处理法、 粗糙表面法、扩展表面法和扰动流体法等。 在实际应用中，有功强化由于需要外部能量来达到目的，所以在工程技术上实施 有困难，工程实际上考虑到技术和成本的因素也阻碍其推广和应用。相比无功强化技 术不需外部能量，技术实旆上也比较简单，利于设备改造，在实际应用中大多属于此 类方法。强化传热按过程性质分类，传热可区分为有相变及无相变传热两类。下面主 要针对工程上应用最广的管壳式换热器传热强化的研究及方法进行阐述。 有相变强化传热较多以有机介质作为研究对象，这是由于各种有机介质的沸腾和 冷凝传热系数较低的缘故。沸腾传热的主要形式可分为管外池沸腾、管外( 或管内) 膜沸腾及管内流动沸腾三类。强化沸腾传热管类型很多，主要有烧结成型的表面多孔 管、机加工成型的表面多孔管、t 型翅片管及它们的改进型，它们都能有效地降低沸 腾传热温差，可用于管外池沸腾或膜沸腾的强化传热犯。3 0 l 。 无相变管壳式换热器的强化，可分为管程强化和壳程强化，现在也有不少强化传 热管可以同时强化管内与管外传热。国内外对管内传热强化迸行了大量的研究工作， 并取得了较多的成果。管壳式换热器各种强化管结构虽有不同，但其强化传热机理却 大同小异 2 8 j 1 1 ：为了强化对流换热以获得较大的单位热流q ，必须设法增大近壁处边 界层内流体的脉动和紊流热扩散率、增强流体的混合、减薄边界层尤其是滞流底层的 厚度，通常可通过对管壁进行各种细微的加工使管壁上形成有规律或无规律分布的凸 起物，或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋等来达到目的。这些传热面上的各 种形状的凸起物，即成为无源扰动的促进体，又起到断续地阻断边界层发展的作用。 换热管强化换热的方法大体分为两种，一种是尽量扩大它的有效传热面积例如 使用翅片换热管，促使流态变为紊流，以提高换热性能，但同时也增加了流动阻力； 另一种方法是改良换热表面的性能，使之既符合传热机理的要求，又能充分发挥其优 点。其具体的强化传热方法有螺旋槽纹管、横纹管、缩放管、内波纹外螺纹、波纹管、 北京化工大学硬士研究生学位论文 旋流管、内插物、花瓣形翅片管、锯齿形翅片管、表面多孔管和纵槽管等。其中采用 管内壁粗糙肋、管内翅片及管内插入物等已经应用于工程实际中。 管内壁粗糙肋有利于减薄管内湍流流体在壁面形成的层流底层，提高管内介质到 管壁的换热系数，同时降低管壁温度，因此是强化湍流传热的一种较好的方法【2 7 1 以 前国内内肋管的研究和使用比较多，但是内肋管只能强化管内流体。目前国内研究和 使用较多的是横向轧槽管和螺旋轧槽管。这两种管型的轧制均较方便，并且可以同时 强化管内与管外的传热，但由于各研究者使用的实验管轧槽形状等差异，目前尚未得 到可供设计使用的通用关联式 3 2 l 。 管内翅片有高低两种，管内高翅片可较多增加传热面积，一般用于强化层流或过 渡流传热，管内低翅片可增加一些传熟面积，同时也可破坏壁面附近流体的层流底层， 多用于强化湍流传热【2 刀。 最常用管内的插入物有纽带、静态混合器、螺旋线圈及其它形状的插入物。扭 带是一种结构简单而有效的旋流发生器，由薄金属片扭转而成。扭带的扭转程度以全 节距日与管子内直径d 之比表示，称为扭率。也有文献以半节距h 2 与内直径d 表 示的试验表明，较佳的扭率在5 左右。对层流及过渡流情况下扭带传热强化比较有 效，因为它能有效地促进管中心到管壁流体的混合，在湍流情况下，流体传热阻力主 要集中在近管壁处较薄的层流底层中，因此不宜采用扭带来强化传热【2 7 1 。 静态混合器由一系列串联布置的左、右扭转1 8 0 0 的短扭转元件组成。它本来是用 于管内多种流体的混合。但也能用于管内高粘度流体的强化传热【2 7 1 。这种插入物能更 好的促进管内流体的混合，因此强化层流传热比扭带效果更好，但流体阻力也更大。 螺旋线圈是把金属丝以一定的螺距绕在一根轴心上加工而成，这是一种早期应用 予强化湍流传热的管内插入物1 3 3 , 3 4 1 。其强化传热的机理：插入管中后可起到破坏近管 壁处流体层流底层的作用，同时使流体边界层得到扰动而产生二次流，促进湍流核心 流体与边界层内流体的混合。主要结构参数有螺旋线外径d ，螺旋丝径j 和螺距l 螺 旋线圈制造简单、成本低廉、其金属耗量比纽带和螺旋片低：易于拆装，特别适于现 有设备的改造工程。用螺旋线强化管内对流传热，使对流换热系数提高，在其实验范 围内，换热系数是光管的1 5 2 8 矧 】。 1 2 2 2 管内插入螺旋线强化传热研究状况 6 北京化工大学埂士研究生学位沦文 管内螺旋线插入物强化传热方面的研究和应用已有几十年的历史。尽管如此直到 2 0 世纪9 0 年代仍不断有新的研究成果见诸报道，包括强化传热方面的权威学者 b e r g , l m 也还在做这方面的研究这反映出管内螺旋线插入物强化传热技术的应用进一 步拓展，对其基本特性的认识仍有待缝续深化。 c h i o n ( 蚓首先进行插入螺旋线圈时轻质发动机油传热与流阻的研究，但由于没有 测定壁温，也就没有得到相应的关系式。 k u m a t a a 7 等人用丝径j 为1 3 2 i 8 8r f l i f t 的三种黄铜弹簧插入直径为1 2 2i n i n 的 不锈钢管内，组成d d = 0 1 0 8 0 1 5 和5 ，a = - 6 7 9 2 的租糙管，以水作为传热介质获 得的最大换热强化比为2 8 倍。 国内早在2 0 世纪8 0 年代就对管内插入物进行强化传热进行了研究，后来马义伟 侧等人进行了内肋管、滴形管内插入螺旋线圈时对变压器油的强化传热试验研究，研 究中对内肋管插入定节距螺旋线圈，对滴形管内插入四种不同节距的螺旋线圈进行实 验，并运用三种不同的准则数组合关联式对实验结果进行了分析，发现了传热与阻力 随节距变化的规律。 刘晓华、李淑平p ”等人采用 2 5 x 2m m 的紫铜圆管，实验段长1 6 8m ，管内走水， 管外走水蒸气，进行传熟实验。实验研究了内插螺旋线圈的水平圆管内水的对流强化 传热及流阻特性探索了螺旋丝径不变，螺距变化对传热及流体阻力的影响：螺距不 变，螺旋丝径变化对传熟及流体阻力的影响。采用( n u 。刀忆) 。，( 们作为评估传热与流 阻性能的综合判据，实验结果表明：在实验范围内，( l b n u ) 35 ，的值在1 2 1 0 7 之间。大于i 说明插入螺旋线圈有效地强化了管内传熟。 姚毒广、周根名等人在不同工况试验的基础上针对不同结构尺寸的螺旋线圈 管，对测量数据迸行综合处理得到管内对流传热系数值和阻力系数值，并进一步采用 多元线性回归得到试验范围内的准则关系式。在试验范围内，传热增强1 2 0 2 4 0 ， 阻力系数增加达1 5 0 6 8 0 。并从能量综合利用的角度出发，用多目标数学规划方 法研究了这种螺旋线圈强化传熟元件结构尺寸的最优化问题。从优化结果看又螵旋线 圈大直径、小螺距和较小雷诺数是内插螺旋线圈的最佳尺寸和运行参数。所得结果可 为螺旋线圈管的工程应用提供设计依据。 张锁龙，张琳【4 1 1 采用自行设计的套管传热实验装置。其中，套管采用q ) 3 2 2m i l l 的钢管，换热管采用0 2 3 x 2m m 的钢管，有效长度5 1 0 姗，管内为冷却水，套管内 是 1 0 c 的饱和蒸汽，套管外侧有2 0 呦厚的保温层。换热管内依次放置长度为2 9 0 北京化工大学硕士研究生学位论文 i l l m 、3 8 0 m m 和5 2 0 锄的弹簧，弹簧直径分别为1 2 姗、1 4 舢和1 6 5 姗；弹性 系数分别为k l - - - 9n m 、妨：7n m 和k 3 = 9n m ，实验研究结果表明，换热管内置螺旋 弹簧时总的传热系数k 值比无弹簧时要大，说明内置弹簧可提高换热效果，且弹簧振 动时，传热系数达到最大；在相同当量流量情况下，换热管内置弹簧可明显增加管内 阻力降，且阻力降受弹簧刚度和长度影响，但弹簧振动时阻力降趋于一致；弹簧与换 热管内壁的摩擦可缓解管内壁结垢，实现换热器的长期高效运行 朱冬生，卜穗安1 4 2 】用计算机模拟管内加弹簧插入物流体流动的传热和流动阻力问 题，通过二维椭圆方程的数值计算预测流体阻力和传热特性，并根据预测的结果讨论 雷诺数和弹簧的线径、螺距对流体摩擦系数和换热系数的影响，对进一步确定实验范 围和实验条件及工业应用具有一定的指导意义。 此外，董珊嗍、张至英叫、孟祥春【翰、何世民f 删等人对管内插入螺旋线强化传热 的性能进行了大量的实验研究，并且研究成果已经应用到了工程实际当中。这些大量 研究表明，螺旋线强化传热的作用是不可否认的，而且螺旋线强化传热有着广泛的应 用前景。 螺旋线处于运动的状态时，除了可以强化传热之外，还具有在线防垢的作用。螺 旋线的这个作用对于强化易结垢物料传热具有重要意义。目前，对螺旋线在线防垢和 自清洁的研究也得到了普遍重视，取得了很多研究成果和专利，应用前景看好。 法国的埃尔夫阿奎坦公司曾开发过种名为s p i r e l y 的螺旋形弹簧换热器。它是 在换热器内装入螺旋形弹簧，弹簧在流体流动力的驱动下，在管内做伸缩振动运动， 可破坏管内侧的积垢，达到长期高效运作的目的1 4 刀。 湘潭大学的俞秀民 4 3 1 等进行了自动旋转螺旋线传热技术的试验研究。旋转螺旋线 传热技术是指列管式传热设备的每根传热管内置一转动螺旋线来刮扫内壁污垢的刮 面式传热技术。作者研究的自洁高效自旋转螺旋线传热技术有两个显著的特点，一是 无需外部动力驱动及其复杂的传动装置。而改为直接利用管程流动液体的动能带动， 并且使工作元件，即螺旋线本身兼作动力元件，从而使结构得到大大简化；二是功能 强化，旋转螺旋线同时呈横向随机振动和轴向游动，使除垢防垢消耗的机械能可以用 来强化管内液体的对流传热，达到自洁、高效传热的双重目的。经过与流态化法、球 洗与刷洗法等除垢方法对比，自动旋转螺旋线传热技术在功能方面、成本费用方面、 适用范围的广泛性方面都具有显著的优势。 姚寿广，陈宁( 4 9 l 等入针对管内螺旋线圈插入物强化传热技术的研究现状及发展进 北京化工大学硬士研究生学位论文 行了评述，并依据管内流动特点对内插螺旋线圈强化传热管的强化传热及抗积灰机理 进行了较为深入的探讨和分析。实验结果表明：螺旋线圈具有较强的强化传热和抗积 灰能力是因为插入物改变了管内流动结构，使流动具有分离与再附、漩流两个特征： 这些流动特点使管内壁受到周期性的扰动，加强了壁面的剥蚀作用，增强了近壁区湍 流脉动，导致了管内换热系数的提高，有利于减少腐蚀积垢。 综上所述，移动( 或转动) 螺旋线插入物是一种有效的强化传热技术，同时具有 在线防垢和自清洁的功能，具有广阔的应用前景。 1 2 3 管内降膜流动的研究概况 在g a x 的各部分中，大量的传质、传热过程通过制冷剂的相变过程系统地进行， 形成循环。应用降膜过程，对于气一液相界面间平衡压力能够维持稳定。使之相对于 在平衡状态下进行热一质传递。已有两种降膜方式，水平管上的降膜和垂直管降膜， 后者由于能够有效地利用空间而被广泛应用 1 2 3 。1 液膜流动 液膜流动是一种两相流。薄层液体沿某种形式的固体壁面流动，与液膜相接触的 另一相是气体或与液膜不互溶的液体。气体或处于静止状态，或相对于壁面运动( 并 流或逆流) 。这样的膜式流动，在化学工业及其他工业中，应用颇广，如垂直冷凝器、 膜式蒸发器、湿壁塔、填料塔和膜式气液反应器等。了解液膜流动的特性，对于分析 这些设备冲的工艺过程极为重要。 薄层流体在重力作用下沿倾斜或垂直壁面运动，在开始的一段距离内，运动是加 速的，速度分布沿流动方向发展着，和管流时一样，也可称这一段为进口段。经历这 一段以后，速度分布恒定，沿流动方向，流动特性不再变化。液膜流动是有自由面的 运动，了解这种流体运动的主要困难在于， 膜流动的许多特性又都和自由面有关。 不能预先准确地确定自由面的位置，而液 由于自由面的存在，膜内运动可以有多种不同的状态，而不像流体在管内的流动 仅存在层流及湍流。膜内流动状态的基本类型可以概括为层流、波动层流、湍流及波 动湍流等。 9 北京化工大学硕士研究生学位论文 在低雷诺数下( r e 3 0 5 0 时，产生了波动的流动状态，在液膜中除了前进运动外，还出现 波动。表面出现波动时。波峰处的膜较厚，该处可能变成局部湍流区域，波向下游移 动，较厚处膜的速度大于层流膜的速度，造成波中的扰动，波通过后，膜又回到层流 状态，不会发展或过渡到湍流。 当r e = 2 5 0 5 0 0 时，层流将转变为湍流湍流状态下，即使雷诺数比临界值大 很多，膜中相当厚的一部分仍将是非湍流的“粘性底层”。这可能是液膜内的层流一 湍流转变不像管内流动那么明显的一个原因。 1 2 3 2 垂直光管上的降膜 当垂直壁面上有液膜沿壁面下降时，离开始处不远就会产生表面波纹，并且不断 发展，波纹起伏变大，更加不规则。b r a u n e r 和m a r o n 5 0 1 通过研究发现，波纹的产生 位置与n u s s e l t 膜厚6 和膜雷诺数r c 有关： r e 5 0 0l = 5 0 0 d r e 5 0 0l = ( 3 5 0 + o 0 3r e ) 占 同时还受膜入口形状或布膜形态的影响。研究表明，波频率开始为5 0 1 0 0h z ， 随液膜下降，波频率也下降并达到稳定值，为8 l3h z 。 波的产生及其性质与r e 紧密相关。通过实验验证，在r e 1 6 0 0 范围内，平均膜 厚值与n u s s e l t 膜厚的理论值符合很好。其他人也得到了类似的结论，r e 1 6 0 0 时， 膜内液体趋于完全发展的湍流形态。而在小雷诺数值范围内，波流的产生还不是以影 响液膜内的流动形态，仍为层流。u e d a 和t a n a k a 5 1 1 得出结论，r e 3 0 0 0 或4 0 0 0 以上，液膜流动与满管湍流形式一致。 对于降膜为层流，平均液膜厚度公式有： n u s s e l t 无波稳态流：扩= 0 9 0 9r e 们 k a p i t z a 长波小振幅流： 伊= o 8 4 3r e l 胆 ( 其中伊：无因次膜厚j ( g v 2 ) 1 培) 对于受到重力或边界剪切力作用的湍流液膜； b r a u e r ：伊= 0 2 0 8r e 8 l s 1 0 北京化工大学硕士研究生学位论文 b r o t a ：伊= 0 0 6 8 2 r e p ” f e i n d ：伊= 0 2 6 6r e 舱 通过基于r a t a n k e r - $ p a l d i n g 的涡旋分布模型，h e n s t o c k 和h a a t 蜊导出了符合 层流、湍流二者的单一平均膜厚公式。a r a g 型i d e 5 3 1 等也从其实验结果中得出了同等的公 式。 有研究得到，再液体中加入表面张力f ，减少丁液膜表面的波纹生成，但对于平均 膜厚并无影响。当r 3 0 时 6 h ， 北京化工大学硬士研究生学位论文 液膜界面出现微幅波动，而且降膜流量增大，波动幅度也逐渐增大，波动效应能够大 大改善膜内的传热传质。 许多研究者对层流降膜吸收问题进行了研究，其中g 订9 0 r 州a 【6 2 l 的研究迈出了关键 的一步。1 9 7 7 年，他提出了溴化锂溶液沿绝热竖直板以光滑层流状态降膜吸收的模 型，给出一些假设条件，建立了简单的降膜吸收模型，并求解了能量和质量方程，得 到了膜内温度和浓度分布。该模型的计算结果与实际偏差较大，主要是假设速度在整 个膜内均匀分布而非抛物线分布。 g r o s s m a n l 6 3 1 提出了描述溴化锂溶液沿倾斜壁面层流的热质传递模型，与g r i g o r e v a 不同的是，膜内的速度分布根据层流边界层理论由n u s s e l t 分析解直接给出的，忽略 了膜厚变化和径向对流项，虽然求解比较简单，但并不舍理。 w 缸s c l l a a r 【9 l 的氨水降膜吸收模型则是从溶质角度出发，在相关假设条件下列出了 气体控制方程。考虑了气体与氨水溶液顺流和逆流的两种流动方式，采用有限元方法 对控制方程进行求解。缺点是忽略了膜厚变化和膜内径囱速度，气液界面处的边界条 件不适合降膜吸收的实际情况。 王建平f 删在大大简化吸收问题后提出了溴化锂垂直管外降膜吸收模型，模型中不 仅忽略了膜厚变化及径向对流项的影响，还忽略了惯性力作用，通过直接解法求解动 量方程和组分方程，再应用n u s s d t 降膜冷凝模型的求解，得出传热系数及传质系数。 毛雯萍f 酤j 提出了垂直管外溴化锂降膜吸收模型，该模型考虑了膜厚变化和径向对 流项影响，构建了微分方程组，引入流函数进行变量代换，然后对方程进行离散化求 解速度温度浓度分布。 由于降膜的不稳定性，使得液膜表面产生波动，研究表明波动会加强降膜吸收过 程的传热传质，但强化机理及强化程度众口不已。对于热传递来说，一致认为波动使 流体动量不稳定性增加，较慢的传热边界层被打破，降膜溶液对流混合作用加强，从 而导致传热系数增加。对于质量传递而言，通常情况下波动会使气液间接触表面积增 大，而且表面不断被更新，径向速度也增强了渗透扩散作用，最终使得传质系数增大。 降膜吸收器内部很少出现湍流，而且湍流结构的研究至今尚未取得令人信服的结 果，所以降膜吸收在湍流下的吸收机理研究较少。研究的主要思路是在不同的膜区选 取不同的扩散系数表达式，通过联立求解速度，能量及质量扩散微分方程求出速度， 温度和浓