（化学工程专业论文）含大量不凝气的蒸汽冷凝传热实验研究.pdf

摘要 蒸汽冷凝传热中，不凝气的存在将导致传热过程的严黛恶化，所以研究不凝 气对冷凝睫蕊数影弼，羼寒受爨麓税。毽是邀去豹磺突太多只涉及极少爨或擞量 不凝气f 菌题，而实际应用中这种情况常有突破。本文工作系“低位热能麟点蒸发 淡化技术研究”课题的基础研究部分，该过襁系在不凝气含量高达5 0 - - - 9 0 的条 件下进行变温冷凝传热。研究禽大量不凝气的冷凝传热闯题，探索改善传热、提 高话热系数豹途径，楚一令梗爨攘藏往静潆越。 谯本课题中，影响传热过程的因素主要谢空气含量、冷却水流量、冷却水温 度及混合气气速。本文建立了含大量不凝气熬汽冷凝传热研究的实验装箴和相应 熬谤黪执数撂采集系统。通过调节于空气与卷滢蒸汽夔滚爨雾珏配魄，改变冷帮承 流量和进口温度，分别考察了备稀操作条彳牟对蒸汽冷凝传热过程的影响。台不凝 气蒸汽冷凝传热过程中，在管程方面，传热篱内壁上存在潜温度边界展；壳程方 面，传热管夕 壁上会附着一层冷凝液膜，在汽一液界匿与气棚主体之闯会存在气 一汽扩敬层，蒸汽只有逶遥扩鼗稻鼹滚窘过该扩鼗层才穗农冷凝管上冷凝。各耱 操作祭件只有影响到管程的温度边界层或壳稷的冷凝液膜层和气一汽扩敞层，才 能强化或恶化传热过程。在各种影响因素中，不凝气含量对传热过程的影响最大； 嘉滠操作毒裁予提麓费热效率，毽不裂于提藏产零率；提麓冷却痰流量熊明显提 高液侧对流传热系数，但对气懊对流传燕系数几乎没有影响，因此提高冷却水流 量无助于提高总传热系数；在不凝气含量一定的情况下，溉台气气速越搿，越有 利予健热边界层的破坏，总传热系数越大。将液侧对流传热系数的实验值与 d i t t u s - b o e l t e r 关联式菝溺篷终了隗较，淤冀验 歪7 我稍诗簿方法懿合琏毪。 研究不凝气存在下蒸汽冷凝对流传热的规律，就是为了寻求强化对流传热的 途径。研究表明，强化对流传热的途径主要包括：降低混合气中不凝气台量；提 嘉掇穆渥疫；璞大瀵含气渡速。兆羚，臻扶冷凝降渡、粮璇鹃冷凝器嚣秘冷却承 闯歌操作等，也能对台不凝气蒸汽的冷凝传热强化超到重袋作用。 关键弼；露点蒸发海水淡化不凝气蒸汽冷凝传热系数 轰b s 零袋轰c 警 i nt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，t h ep r e s e n c eo fn o n c o n d e m a b l eg a s g r e a t l yd e t e r i o r a t e st h eh e a tw a n s f e re f f i c i e n c y t h ef o r m e rs t u d i e so r d yd e a l t 满纽 p r o b l e m sw i t hl i t t l en o n e o n d e n s a b l eg a s ；b u ti nf a c t , t h es i t u a t i o nw i t hag r e a td e a lo f n o n c o n d e n s a b l eg a si so f t e ne n c o u n t e r e d t h i sw o r kd e a l sw i t ht h ec o n d e n s a i l o nh e a t t r a n s f e ri nt h ec o n d i t i o n st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fn o n c o n d e n s a b l eg a sr e a c h e s 5 0 - 9 0 , w h i c hi gt h eb a s i cr e s e a r c hp a r to fd e w v a p o r a t i o nt e c h n o l o g yf o r s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n i ti sas u b j e c tw i t hc h a l l e n g et o s t u d yt h ee f f e c to f n o n c o n d e n s a b l eg a so nc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ra n dl o o kf o rt h e e f f e c t i v e a p p r o a c h e st oi m p r o v e 氇eh e a tt r a l 】s f e re f f i c i e n c y i nt h i sa r t i c l e ，t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so nc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ri n c l u d e a i rf l o wr a t e ，c o o l a n tf l o wr a t e ，c o o l a n ti n l e tt e m p e r a t u r ea n dm i x e dg a sv e l o c i t y b y a d j u s t i n gt h er a t i oa n dr a t eb e t w e e nd r ya i ra n ds t e a mm a da l t e r i n gt h e 毙础r a t ea n d t e m p e r a t u r e , w ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to f v a r i o u sm a n i p u l a t i o n so nc o n d e n s a t i o nh e a t t r a n s f e rp r o c e s s i no r d e rt og a i no u re n d s ，w es e tu pa p p r o p r i a t ee x p e r i m e n t a l e q u i p m e n ta n dd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m t h ep r o c e s so fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ri n t h ep r e s e n c eo fn o n c o n d e n s a b l eg a s e si sb r i e f l ys t a t e d 嚣f o l l o w i n g a sc o n d e n s a t i o n t a k e sp l a c eo u 招i d et h ec o n d e n s e rt u b e ，ac o n d e n s a t ef i l mf o r m s n o n c o n d e n s a b l eg a s , u n a b l et op a s si n t ot h ew a t e r , a c c u m u l a t e sa tt h el i q u i d v a p o ri n t e r f a c e ，f o r m i n ga g a s v a p o rd i f f u s i o nl a y e rt h r o u g hw h i c ht h es t e a mm u s tp a s sb yd i f f u s i o na n d c o n v e c t i o n ，毒。b ec o n d e n s e d ，m e a n w h i l e , t h e r ee x i s t sat h e r m a lb o u n d a r yl a y e ro nt h e w a l ls u r f a c eo fc 0 0 ls i d e w h e nr a t i o n sm a n i p u l a t i o n sd i s t u r bt h et h e r m a lb o u n d a r y l a y e ri n s i d eo rt h ec o n d e n s a t ef i l ma n dg a s - v a p o rd i f f u s i o nl a y e ro u t s i d e ，t h eh e a t t r a n s f e re f f e c tw i l b eb e t t e ro rb e 、：v o l s eo f f a m o n gv a r i o u sf a c t o r s t h ee o n c e n 锺a t i o n o fn o n c o n d e n s a b t ei st h em o s ti m p o r t a n t 。h i g hc o o l a n tt e m p e r a t u r ea v a i l si n c r e a s i n g h e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c y , b u ti n v i e wo fc o n d e n s a t e p r o d u c t i o n ，h i g h c o o l a n t t e m p e r a t u r e i st m f a v o u r a b l e t h e i n c r e a s i n go fc o o l a n tf l o wr a t eb e n e f i - c st h e i n c r e a s i n go fi n s i d ec o n v e c t f v oh e a tt r a n s f e r e 攮c i e n t s , b u tj th a sn oe f f e c to no u t e r o n e s ，s o i ti s h e l p l e s s t o i n c r e a s i n go v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s a st h e c o m p o n e n to fi n l e tm i x t u r ei sf i x e d ，t h eh i g h e rm i x t u r ev e l o c i t yi s ，t h eb i g g e ro v e r a l l 囊e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa r e 确eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fl i q u i ds i d ep r e d i c t e db y t h ed i t t u s - b o e l t e r c o r r e l a t i o n 雠c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a l v a t u e s t h e c o m p a r i s o nr e s u l tp r o v e st h ea d o p t e dc o m p u t a t i o nm e t h o di sr e a s o n a b l e w es t u d yt h el a w so fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r 巅氇n o n e o n d e n s a b l eg a s e sj u s t t os e e kt h em e t h o d so f i n t e n s i f l y i n gh e a tt r a n s f e r f r o mt h ei n v e s t i g a t i o n , s e v e r a lp a t h s t oi n t e n s i f yh e a t t r a n s f e rc a r lb ea p p l i e d ，s u c ha sr e d u c i n gn o n c o n d e r t s a b l eg a s c o n c e n t r a t i o n ，h i g h e rc o o l a n tt e m p e r a t u r ea n di n c r e a s i n gm i x t u r ev e l o c i t y o t h e r w i s e 。 d r o p l e tf a i l i n gc o n d e n s a t e ，c o a r s ec o n d e n s a t i o ns u r f a c ea n di n t e r m i t t e n tl i q u i df e e d a r ea l s oi nf a v o ro f h e a tt r a n s f e r k e y w o r d s ：d e w v a p o r a t i o n n o n c o n d e n s a b l eg a s c o n d e n s a t i o ns e a w a t e rd e s a l n a t i o n h e a tt r a n s f e rc o e 插c i e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 王互国 签字f 1 期： 印，年 ，月上同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：玉立回 1 f 导师签名： 爿 签字日期：弘_ o ，年f 月2 日签字日期：z p o f 年，月日 第一章殳献综述 第一章文献综述 1 1 海水淡化技术及其研究现状 本课题服务于露点蒸发海水淡化技术，因此本节将简要评述海水淡化技术的 重要性、方法与分类以及国内外的发展现状，同时还将介绍露点蒸发海水淡化技 术。 i 1 i 发展海水淡化技术的重要性 关于“水“是一个水远也说不完的话题。政治家说“世界未来争夺资源的战 争将会由水引发”；科学家说“水是不可替代的”，“水是永远也做不完的科学命 题”；经济学家预言“能源危机之后，下一场危机将轮到水源危机”。水资源一旦 耗尽，经济的发展，各种生态系统以至人类的健康与生存都将受到威胁“。 进入2 l 世纪，淡水危机日益影响着许多国家的生产和发展。联合国不止一 次地向世界各国发出警告，除非各国政府采取有力措施，否则到2 0 2 5 年，世界 上就将有近l 3 的人口( 2 3 亿) 无法获得安全的饮用水。而事实上是，人类的生 活用水量每年正以接近5 的速度递增。世界银行也把海水淡化作为2 i 世纪的 一个重要议题束考查。“。 人类缺水情况越来越严重芳非是因为地球缺水。世界上的水对人类的应用来 说，似乎发生和存在于错误的时间、错误的地方和错误的质量。这是指降水都集 中在雨季，而大量流逝；绝大多数水都存在于大海，其次是冰山：至于水质，大 海总共约合1 3 8 1 0 9 k m 的水，都不能饮用。地球表面的7 0 被水所覆盖，但 其中只有3 是淡水，而人类能够享用的又只是其中的0 3 ，其余2 7 的淡 水难以为人类所利用。解决淡水缺乏的惟一出路在于把极为丰富的海水变为淡 水。事实上这已经确定无疑地成了全世界的必然趋势”1 。 我国是贫水国家，人口占世界总人口的2 2 ，而淡水资源占有量仅为世界 淡水资源总量的8 ，人均淡水资源占有量则为世界人均值的1 4 。我国的淡水 资源既患贫，又患不均，人均水量既少时间和地域分布上又很不均匀。根据 2 0 0 0 年中国水资源公报，我国北方城市缺水情况极为严峻，一些大城市出现丁 建国以来最为严峻的缺水局面。招统计，全国6 1 0 个中等以上城市中，不同程度 缺水的就达4 0 0 多个其中3 2 个百万以上人口的大城市中，有3 0 个长期受缺水 第一章文献综述 的困扰。环渤海经济圈，包括京、津、沈等城市及辽东半岛和山东半岛，人口高 度集中、经济高速增长，缺水问题已经成了这些城市经济增长与持续发展的制约 因素，对个别城市甚至是持续生存的关键。在全国范围来说，我国会因人口增长、 工业化和城市化而日益缺水。可见，海水淡化在我国既有紧迫需求，又有广阔市 场“1 。 1 1 2 海水淡化方法 1 1 2 1 传统淡化方法 至今海水与苦咸水淡化方法已经出现了数十种，主要包括蒸馏法、膜法、冷 冻法等“。 1 蒸馏( 蒸发) 法 其原理是显而易见的，即加热一蒸发一冷凝。但设备型式有多种，可分为三 大类。 多效蒸发( m e ) 分为浸没管单效和多效蒸发( s t e 或s t ) 、竖管多效蒸发( v t e ) 和水平管多效蒸发( h t e ) ，当前称作高温和低温多效蒸馏( m e d ) 的也属此类。 闪蒸( f l a s h ) 分为低温单级闪蒸( s s f ) 和多级闪蒸( m s f ) ； 压汽蒸馏( v c ) 分为机械压汽蒸馏( 胛c ) 和热力压汽蒸馏( t v c ) 。 实际上，按蒸发器型式分还有很多种，如多效蒸发中又有长管升、降膜式， 自然循环与强制循环式等；而多级闪蒸中，又有水平式、竖管式、沸腾床式、横 管式与长管式等。 2 膜法 用于海水和苦咸水淡化的膜法，从过程原理上分，主要有三种：反渗透( r o ) 、 膜蒸馏( m d ) 和纳滤( n f 或膜软化m s ) 。 3 电渗析法 电渗析法是以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性而脱除水中离 子的淡化过程。但为了防止因浓差极化而引起的膜面结垢，采用频繁自动倒换电 极极性的电渗析，被称为频繁倒极电渗析( e d r ) 。e d 和e d r 主要用于淡化苦成水。 4 冷冻法 将海水冷冻到冰点以下，淡水结冰、分离，再融化为淡水的过程。冷冻法有 利用天然冰和人工冷冻法两种，但二者都尚处于研究中。 1 1 2 2 露点蒸发淡化技术 露点蒸发淡化( d e w v a p o r a t i o n ) 技术是一种比较新型的海水淡化方法，它由 2 第一章文献综述 美国亚利桑那州大学的j r b e c k e m a n 最先提出，现已被世界各国学者所认可。 露点蒸发淡化的原理与蒸馏法和膜法都不同，它是以空气为载体，通过用海水或 苦咸水对其增湿和去湿来制得淡水。露点蒸发淡化的主体装置淡化柱被传热壁分 为蒸发室和冷凝室两部分( 如图卜1 ) ”1 。载气从蒸发室的低端引入，原水预热后 从塔顶( z = h ) 引入，润湿传热壁：载气从塔底( z = o ) 引入，从表面形成水膜的传热 壁间流过并被增湿。 图1 - 1 露点蒸发过程 1 1 3 世界海水淡化技术发展现状 海水淡化是实现水资源利用的开源技术，也是世界各国竞相开发的朝阳产 业。5 0 年代以来，世界海水淡化市场一直以每年1 0 以上的速度扩大。目前， 法国、美国、日本在这项技术中处于世界领先地位。只要有能源、电力和资金， 人类完全可以依靠淡化海水保障自身的淡水供应”。 目前，几乎一半的海水淡化的装机容量在中东及北非。沙特以占世界2 4 的容量位列第一，美国以1 6 位列第二。沙特的海水淡化机组大多数为海水蒸 馏法，而美国则大多是苦咸水的反渗透法。目前中东一些国家淡化海水已占淡水 总供应量的8 0 9 0 。 关于海水淡化成本问题，准确地说出海水淡化的成本是困难的，但就总体趋 势而言，海水淡化的成本是下降的。而海水的淡化成本是苦咸水淡化的3 5 倍。 以美国1 9 9 9 年为例，规模在4 0 0 0 4 0 0 0 0m 。d ，苦咸水淡化成本为o 6 0 2 5 u s $ m “，而海水淡化成本为3 o 7 5u s $ m 3 。而如果将蒸馏和反渗透技术结合起 第一章文献综述 美国亚利桑那州大学的j rb e c k e m a n 最先提出，现已被世界各国学者所认可。 露点燕发淡化的原理与蒸馏法和膜法都不同，它是以空气为载体，通过用海水或 苦成水对其增湿和去湿来制得淡水。露点蒸发淡化的主体装置淡化柱被传热壁分 为蒸发室和冷凝室两部分( 如图卜1 ) ”。载气从蒸发室的低端引入，原水预热后 从塔顶( z - h ) 引入，润湿传热壁；载气从塔底( z = o ) 引入，从表面形成水膜的传热 壁间流过并被增湿。 图卜l 露点蒸发过程 1 1 3 世界海水淡化技术发展现状 海水淡化是实现水资源利用的丌源技术，也是世界各国竞相丌发的朝阳产 业。5 0 年代以来，世界海水淡化市场一直以每年1 0 以上的速度扩大。目前， 法国、美国、日本在这项技术中处于世界领先地位。只要有能源、电力和资余， 人娄完全可以依靠淡化海水保障自身的淡水供应。 目前，几于一半的海水淡化的装机容量在中东及北非。沙特以占世界2 4 的容量位列第一，美国以1 6 位列第二。沙特的海水淡化机组大多数为海水蒸 馏法，而美国则大多是苦成水的反渗透法。目前中东一些国家淡化海水已占淡水 总供应量的8 0 9 0 。 关于海水淡化成本问题，准确地说出海水淡化的成本是困难的，但就总体趋 势而占，海水淡化的成本是下降的。而海水的淡化成本是苦咸水淡化的3 5 倍。 以美国1 9 9 9 年为例，规模在4 0 0 0 4 0 0 0 0m 1 d ，苦咸水淡化成本为0 6 o 2 5 u s $ m ，而海水淡化成本为3 0 7 5u s $ m 3 。而如果将蒸馏和反渗透技术结台起 u s $ ，而海水淡化成本为3 0 7 5u s $ m 。而如果将蒸馏和反渗透技术结合起 第一章文献综述 寒，蜀大大簿甄海承淡证兹藏零。髓c o r r a d os o m 1 a r i v a ( 莓舔海拳淡纯辏会董 事，m o t tm a c d o n a l d 咨询公司海水淡化组的负责人) 认为，9 0 年代每溉方米淡化 水成本为1 4u s $ ，而现在如粜每立方米淡化水成本超过0 8u s $ ，那么在国际 市场上是缀难有竞争力的。 赣全球海承淡倪装置瑟言，多缓阿蒸窥茨渗透的瘫嗣羧广。多级闲蒸翡总容 量目前在海水淡化领域仍属第一，而反渗透技术由于具有滗相变、节省能源的特 点，发展速度最快，淡化成本也降得最快，其在海水淡化领域的总容量已经接近 多缀闵蒸懿窑量爨凝。瑷在，热法海瘩浚耽正在由m s f 囊m e d 转移；热法襄貘法 的复含法越来越多她应用：双豳的海水淡化即水电联产也锯受重视。锶耗、成本 和操作费用是影响海水淡化的燕要因素“。 实际应用过程中选蠲何秘淡亿方法，需考虑多方面的鞭素。淡化装燮嫂模不 霭、簇承承质静藏弹、承电需求增长、产茹零袋量、霞胡场耩、雏源爨粥及气候 条件锩的变化最终决定了淡化方法的选取。因此各国家、城区选用的淡化方法不 尽相间。图卜2 为1 9 9 1 2 0 0 1 年间世界各地区采用的淡化方法比较，很明显， 其中瓣多级阂蒸绥蹩中衷匿家豹营选，其次蹩菠渗透露曩汽蒸馏。 带 盛 一譬量蛰昔一譬遗翳| 卜嚏呈星一谣一划卜窒一 篓簧 摹娶 囊鬻萋委 攀蓑蚕羹篓 圈卜21 9 9 1 2 0 0 1 年间世界各地建设的不同海水淡化方法容蘸对比 掰在世界其它地区( 南美除终) ，反渗透市场份额则尤为突出。欧洲熬海水淡 纯主甏采用静是爱渗透法，耍灏麓舞本瑶鸯淡亿承，主产瞧主簧采蠲反渗透法。两 美国程处理苦成水( 地表水) 方厕反渗透技术臌用最广。2 0 世纪8 0 年代后期，微 滤、纳滤和超滤技术以较快的速度在海水预她理中采用，臌然微滤、纳滤和超滤 不l 麓予妻接殛鏊，或者篪藏率较羝，壅嗣予海瘩颈赴蓬粼保汪了反渗透海承浚 化装鬣长期稳定的迸行”3 ，。 1 1 。4 我国海水淡纯技术发震理状 我国的海水淡化事业起步较晚，现在的规模还不大，采用台数最多、技术最 4 蛳茹篡怒蛳。 黾n#蕾8l|x文糕扎料 第一章文献综述 或熟戆算是毫渗糖法，其次是爱渗透法；壤一瓣较丈型蒸镶法海农淡纯工程太 港电厂) 采取的愚簪 进技术和设备。我国的电渗析海水淡他技术已经接= i 疆世界先 进水平，能够国产化；我国的反渗透海水淡化技术还不理想，性能优良的关键件 还需黉矫购；我国谯多级阂蒸帮低温多效海水淡纯方面还缝子并发研究输段，还 不暴蠢独立的技术耱审l 造麓力；述有处于醑究开发阶段豹太阳能法和囊空沸薅法 等。 我国海水淡化技术是在政府支持和国家科技攻关项目推动下发展越来的。 l 6 7 1 9 6 9 年，麓家秘委委托溷家海洋爨缀缓了全国海拳滚纯会黢，舅建了毫 渗桥、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化方法的研究，为海水淡化方法的研究和海 水淡化事业的发展奠定了基础。此后，我国成功地建设了一批海水淡化的典型工 程。 1 9 8 1 年，秘产2 0 0 蘸毫渗辑海东淡纯滚在嚣诊永兴麓建成授产； 1 9 9 0 年，硼沙永兴岛电渗析淡化装鬣在修建西沙机场时，又扩建为日产 6 0 0 吨； ，1 9 9 7 年，我瓣第一壅塞行没诗毒l 造豹瓣产5 0 0 建蔽渗透海隶淡魄港在滤 江蝾山建成； 2 0 0 0 年，谯山东省长岛嫩区，国内酋廒日产1 0 0 0 吨海岛高硬度游咸水淡 讫示范工程建成； 2 0 0 0 年，奁大连长海建戏鼙产1 0 0 0 穗麓海拳淡纯滚； 2 0 0 0 年，舟山市被国家科技部确定为众国最大的同产4 0 0 0 立方米海水淡 化示范工程建设基地，其第一期工程日产1 0 0 0 吨大规模反渗透海水淡化示 菝工糕，曩藏已套渗汪省繇涩萎建藏出求； 2 0 0 0 年，中国及至东南溅地区最大的半海水( 苦咸水) 淡化工程鹾产 1 8 0 0 0 吨的苦咸水淡化项目在河j b 沧州建成； 2 0 0 4 年，天浮日产1 0 0 0 心反渗透海水淡化示范工程在天津泰达建成”。 w 觅我国酶海承淡往技术烹甏蠢绕着爰渗透法逶行斡。慈之，经避0 多年 的发展，我国不但缀建了一些专门科研开发机构，建立了海水淡化科研魑地，培 养和锻炼了专门人才，而且在海水淡化领域取得了令人瞩髓的成绩。在熬馏和反 渗透涎大技术领域，经过凡令五年诗翻豹攻关，多矮工程黪实蕺，已其蠢铰丰富 的经验，奠定了我豳在海水淡他领域的世界强豳地位。继荧、法、日、以等国之 后，我国已经成为研究和开发海水淡化先进技术的国家之。 缀然我国海水淡化的工程按术和主要经济技术指标疆瓣已达到国琢先进水 平，覆盖对于大多数的海承浚彳乏设备，我国爨釜了稠应懿鸯赫王嗣造髭力及质量傈 证体系，其设备制造成本比国外至少低3 0 左右，在国际市场上具有很强的价 第章文献综述 格竞争能力。但是，用于海水淡化的一些关键设备( 如：反渗透膜、高压泵及其 能量回收装置等) 还要依靠进口。而且与国际上比较而言，我国建成的一些示范 工程规模还相对较小。另外，现在国际上发包的海水淡化工程对融资能力的要求 比较高，而中国企业在这方面又恰恰是弱项“。 国内有关方面的技术专家评论：我国的蒸馏法海水淡化工程技术已经成熟， 已经可以在国内独立解决1 0 0 0 t d 以下的压汽蒸馏淡化水装置的技术和工程问 题，如果与国外工程公司联合设计可以进军国际大型海水淡化装置市场。一旦国 内形成产业化，国产淡化水装置的价格和工程费用可能比国外公司减少2 5 ， 造水成本可能下降1 5 ，这样在国际市场上就能具有较强的竞争力。在国内， 苦咸水淡化水2 4 元m 3 ，海水淡化水5 6 元m 3 将是比较合理的价位“”1 。 1 2 对流传热过程的基本概念 1 2 1 对流传热 传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。根据传热机理的不同， 热传递有三种基本方式：传导、对流和热辐射。流体流过固体壁面( 流体温度与 壁面温度不同) 时的传热过程称为对流传热。对流传热过程机理较复杂，其传热 速率与很多因素有关。根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类。 1 流体无相变的对流传热 流体在传热过程中不发生相变化，依据流体流动原因不同，可分为两种情况： 强制对流传热和自然对流传热。 2 有相变的对流传热 流体在传热过程中发生相变化，它分为两种情况：蒸汽冷凝和液体沸腾。 我们所做的工作是蒸汽在壳程冷凝、冷去日水在管程流动的有相变对流传热， 不过我们的实验过程更复杂，蒸汽是含不凝气的蒸汽。 1 2 2 温度边界层 当流体流过固体壁面时，若流体温度与固体壁面温度有差异，靠近固体壁面 的流体受壁面温度的影响产生温度梯度。将流体中存在温度梯度的区域定义为温 度边界层或热边界层。为研究方便，通常规定流体与壁面之间的温度差丁一瓦达 到最大温度差一l 的9 9 时，y 向距离为热边界层的厚度。显然，热边界层 厚度的定义与流动边界层厚度的定义相类似，热边界层厚度4 = 4 ( 工) ，也是流 6 第一章文献综述 动距离x 的函数。 当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成与发展与流动边界层相 似。如图1 1 所示，流体最初以均匀速度v 。和均匀温度t 。进入管内，因流体受 管壁温度的影响，热边界层厚度由进口的零值逐渐增大，经过一个x 的距离后， 在管中心汇合。流体由管进口至汇合点的轴向距离称为热进口段长度。超过汇合 点以后，管截面流体的温度分布形状变得越来越扁，管予长度足够大，则截面上 的温度最后变为均匀一致，并等于壁面温度瓦。 图1 - 1 流体流过管内的热边界层 1 3 含不凝气蒸汽冷凝传热的研究进展 1 3 1 含不凝气蒸汽冷凝传热的机理 气相主体向管壁的传热，既有显热的传递，又有潜热的传递，两者之和为总 的传热量。显热传递可用气体传热膜系数计算。潜热传递的计算比较复杂。当蒸 汽扩散至换热管壁，若管壁温度低于蒸汽露点，则蒸汽在管壁冷凝形成液膜。气 相主体的蒸汽分压与液膜温度对应的饱和蒸汽压之差即为传质推动力。蒸汽在冷 凝壁面上冷凝，放出潜热。显热与潜热再通过液膜、管壁、污垢、冷流体液膜传 至冷流体“。 蒸汽在冷凝壁面上发生冷凝，形成冷凝液膜。不凝气存在的条件下，不凝气 不能进入液膜，在液一汽界面上累积形成了气一汽扩散层，蒸汽只有通过扩散和对 流穿过该扩散层才能在冷凝壁面上冷凝。不凝气在边界层上累积降低了界面饱和 温度，使其低于主体饱和温度。纯蒸汽冷凝中，冷凝液膜是管内冷凝传热的主要 热阻。随着气一汽边界层的形成，主体混合气和冷凝界面的传质阻力会随着界面 附近不凝气浓度的升高而增加。如果不凝气浓度足够高，气一汽边界层会变成冷 凝传热的主要阻力。而且随着蒸汽的不断冷凝，不凝气含量越来越高，气一汽边 界层温度梯度越来越明显，传热阻力会越来越大。因此，不凝气存在的条件下， 第一章文献综述 冷凝传热系数会明显降低“。 1 3 2 国内部分 对不凝气存在条件下蒸汽冷凝传热的研究，国内主要从定性研究和理论计算 两方面柬进行的。 在定性研究方面，庄正宁、唐桂华、朱长新“”研究了不凝气体存在时水平管 束的冷凝换热特性，得出当有不凝气体存在时，冷凝换热系数最小值并不一定出 现在最低排管上，冷凝换热系数最小值与冷却水流量和不凝气体质量分数均有 关。 罗棣庵、黄良璧1 2 0 l 研究了含不凝气的蒸气在波纹槽道内凝结换热状况，得 到了如下结论： 含不凝气体的蒸汽在波纹槽道中的凝结换热是依靠两相三维湍流运动产 生蒸汽微团与凝结液直接混合来实现的： 不凝气对在波纹槽道中的凝结换热影响程度远小于对蒸汽在大空间内竖 板上凝结换热影响程度： 在波纹槽道中，随不凝气体含量的增加，换热系数将随之下降，但不凝气 对凝结换热的影响程度也随之减小： 在斜波纹槽道中不凝气体对凝结换热的影响程度比对在垂直波纹槽道中 的小。 沈子信“”研究了不凝性气体( 氮气、空气、氢气) 对直燃型溴化锂制冷机制 冷量的影响，得出当吸收器中不凝气体的质量分数达到9 1 0 时，制冷量几 乎下降5 0 ，井用吸收理论讨论了实验结果。 在理论分析、模型计算方面，高菱、刘兵【2 2 l 等计算管内冷凝传热系数时 采用了自行研究开发的“热阻分配法”，该法是把多组元物系的冷凝热阻分为气 帽热阻和液膜热阻两部分，两者之和为总热阻。气膜热阻和液膜热阻都分别受剪 力、重力控制，因此，分为重力控制冷凝过程与剪力控制冷凝过程两大类进行计 算；并给出了管内外空气侧膜传热系数的计算公式。 熊孟清、刘咸定、林宗虎【2 3 1 提出了不凝气体存在条件下蒸汽冷凝换热的计 算方法，并与a e k e r m a n n - c o l b u r m - d r e w 方法预测的有效换热温差作了比较，得 出作者的计算结果要低于a c k e r m a n n - c o l b u r m d r e w 方法的预测结果。作者还提 出了一个台不凝气体蒸汽冷凝换热系数的关联式，本人将在1 4 1 中详细阐述。 应于舟f 1 1 分析了含不凝气体的蒸汽的冷凝传热机理及传热计算方法，并将 其应用于换热器的设计。 第一章文献综述 舞努，扬予嚣纯静羚仁氛分辑了不凝气怼乙燎羝瀑贮存装置麴憝密，芳提 出了加入空气分离系统、完善琢有的工艺流稷等方法来消除不凝气的不嶷影响。 1 。3 3 蓬外部分 相对于国内，豳外一些学者在方法、仪器、手段还是研究领域上，裔更深入 的研究。下面我们将按四个研究领域对国外的研究状况分别介绍一下。 1 3 。3 1 不凝气存在下闽壁式蒸汽冷凝传燕豹磷究 h a s s o n 等脚】通过实验发现蒸汽冷凝时，即使1 的空气存在，平均传热系数 也会降低5 0 。 鼷班牙酶j ，l 。m t m o z - c o b o 露陶提出了不凝气存在下受管孛滚滚蒸汽冷凝匏 理论，计算冷凝膜脬不需迭代柬解经验式。他们的实验参数模型考虑剜了霹的形 成和波效果。 懿淫熬s 。k p a r k 等瑟 嚣磷突了毒露无不凝气存在条传下渡获葬嚣霹貘冷凝 的影响。他们测量瞬时液膜厚度；用不同的参数比如空气质蟹分数、混合气流速 和冷凝膜雷诺数关联出总传热系数：为了考察冷凝和扩散屡上表面波相飘影响而 引起瓣传热提高，从测量的总传热系数和膜侧传热系数中馈髯出了蒸汽铡传热系 数，莠与c o l h u m 鞍c h i l t o n c o l b u r n 平板冷凝模鳖佟了 二鞍。魄较显示蒸汽筏健 热系数明显随膜臀诺数的提高而提高，提高效架随混合气遽的增加而降低。 瑞士的a d e h b i 等1 2 9 1 研究了不凝气存在下烃直管冷凝模型。以前建立的模型 番毒瓣整湿度才嶷髅溺禺邦冷凝爨，理在熬模怒渡强浆据镑建一铡魏货熬寒黎蛰 这一缺憾。从考虑边界剪切力的动量守恒出发，得到了膜露度的n u s s e l t 型代数 式，它是流体本身和管路几何参数的函数。应用传热传质比拟关系式可推出蒸汽 在管臻上的冷凝量。最后，作者建立了强睾4 对流、自出对滚芹珏混合对流条件下总 传热濑戆模壅，躅鼗模垒可潮鳜不凝气含量、滋台气遘霹流遴、混台气莲力彝不 凝气分子量等因索对蒸汽冷凝的影响；该模型模拟了纯蒸汽和空气一蒸汽混合气 在垂敷管中的冷凝状况。模型拟和效果较好，它也提供了分析蒸汽中是磷存在空 气鲍蔹摅。爱瑟我锻搀谨缨套缝该模型。 菠国的s z k u h n 等1 3 0 1 研究了空气一蒸汽混合气在竖赢管中的冷凝状况。他 们用新型实验设备准确测量了局部热通量，得到了纯蒸汽、蒸汽一空气混合气和 蒸汽一氮气混合气冷凝传热的数掘库。分别袋髑因次分解法、扩教层理论和传质 横蝥掇出了三个不瓣的关联式。麓篱萃因次分解法褥到酶关联式己联褥了满意豹 工程准确性，然丽这种方法建立程简化的假设旗础上，并不能解释过程所涉及的 兮 第一章文献综述 复杂魏蓬琵象。蘩予扩教层理谂秘转囊模鹜，鼍褥銎l 蒸汽空气扩教器传热更准 确的数学关联式，从这两个桃域模型得到的关联式预测的总传热系数与实验值有 很好的一致性。 中强台湾的h a n - t a w c h e n 簿【3 谈拟了不凝气存在下蒸汽在竖直扳翅片上层 流膜妖冷凝的获潞。在分析时，可谈为液一汽赛面酶空气联壁分数积溢菠是蘧片 的空间函数，并将边界层公式绐合相应的冷凝项边界条件，以及可忽略局部热损 失的一维翅片传热公式转换为獗量纲的形式。通过对边界艨公式的翅片和局部非 辐觳瞧避行有陵元分袄可爨鳝缮到楚方程缀。绥采显示翅片效率夔萋邂片一渡貘 热阻比n c 的增加而降低，蒸汽主体中少量的不凝气就对低n e 值时的翅片效率 有鼹著影响。另外，界面温度不等于垂直翅片的温度，局部传热系数也不相同。 以色列的r s e m i a t 等1 3 2 】磺究了多效蒸馏海水淡化塔巾不凝气对垂囊管癸蒸 汽冷凝传热酶影响。爰m i n k o w y e z 两辐边器瑟模型移管凌蒸发传热禳溅可戳箍 述单管热量和质擞传递过程。融知传热系数和冷凝流量是不凝气浓度的函数，在 此基础上，计算了单效管束不凝气浓度的分稚状况，也考察了浓度分稚对气体流 动方巍土铸熬系数鹣影麴。溺代数透钱彝嚣箨凝代码建交该模型。蒸汽馨压为 5 7 2 k p a ，不凝气质量分数为0 0 0 1 2 。锗间蒸汽流中不凝气浓度圈子由1 4 上升到2 ，这依赖于进口值，而总传热系数棚应地下降了1 0 ，整个过程冷凝水 产爨降低了5 0 。能明显影晌憩传热系数的不凝气浓度的最小值是0 。l 。 秘本酶n k m a h e s h w a r i 等释3 】黟 究了不凝气存在条俸下大范圈霉凑数癌的蒸 汽冷凝状况。作脊建立了空气蒸汽混合气在垂直管内流动时蒸汽冷凝局部传热 系数的理论模型。用具有管壁液膜和湍流空气蒸汽混合气主体的环流概念分析 瑟秘髂燕，强售热馋囊穗议蛙模攘空气臻；汽激台气主薅。篌型将n u s s e l t 公式与 m c a d a m s 修正项关联在一起：b l a n g e t t i 模溅用来计算膜传热系数，m o o d y 和 w a l l i s 关联式用来描述膜波对空气蒸汽边界层的影响效果。冷凝吸气、流体成形 和气槌性囊变化黔澎嚷也在考虑之捌。月不阁模型进行传热系数和蒸汽袋量流量 的j ( 雩院研究西 鬟擦述冷凝簇隰力稻糖糙度，镰鬃显示高雷潺数下冷凝传熬系数态 于膜传热系数。 1 3 3 。2 不凝气存农下直接接触式降膜冷凝传热熬砑究 希腊的t d k a r a p a n t s i o s 等【3 4 j 入主要研究了不凝气存程条件下直接镶触式降 膜冷凝状况。作者把冷凝液膜分为无热阻的波状区和具礴明显温度梯腹的底层 区，褥到转热系数不仅依赖予蒸汽浓度，还依赖于降膜绘水流量；通过双察降骥 层液豹毪质，眈鲡鼗著波静速度粒频率，发瑷冷凝只取凌予等溢液膜表瑟髟获的 微小改变；另外，传热系数对降膜给水流量的依赖影响了界面层与气相层，这可 1 0 旃一章文献综述 班逶避憋s h 与翻表援赛瑟矮豹无量缨参数a g 关联褥爨。 t d k a r a p a n t s i o s 等1 3 s 还研究了周期赧入冷却东对不凝气存在条件下袁接接 触式自由降膜冷凝的影响。实骏中蒸汽空气混合气处于拟稳态，由于窝气浓度 很高，气楣热阻占搬了传热热阻购绝大部分：间歇注入降膜绘水使传热擞提高了 一令数藿缀，蜀帮冷凝传蒸系数缀赖于降貘绘承滚模式鞠黪貘绘承浚蠹；关手菝 率范围，对称周期降膜给水对传热过程只有很小的影响，丽不对称间歇性降膜给 水对传热过程有更大的影响；局部膜厚波动的统计分析显示冷凝只取决于等温液 骥表露形捩兹墩，j 、敬变，这也谖鞠提亳滚俸浚速商助于界疆传递过程。 1 3 3 3 核反应器非能动安全冷却系统( p c c s ) 中蒸汽冷凝的研究 核设施中，核反应堆的冷却冷凝器中会裔不凝气存在，因此许多学者鄂对核 夏瘦赣兹箨能魂安念冷- 帮系统( 争e e s ) 震开了臻究。 两班牙的j l m t m o z c o b o 镣【3 6 】研究了e s b w r 反应嚣的非能动安全党冷却 冷凝器( p c c c ) 中自然对流与冷凝传热的相互作用。他们建立了几种模型柬计 算戳下祭传下约谨热系数：( i ) p c c c 孛不凝气存在下的冷凝；( i i ) 垂纛撞瑟自 然层流对流；( i i i ) 疆直柱面自然淌流对流。作者还研究了冷凝管内冷凝和管外 自然对流之间的关系。 美国的h l i u 釉n ，e 。t o d r e a s 等1 3 7 进行了核反应非能动安全冷却系统中合不 凝气蒸汽冷凝懿一系捌实验。德霞l 进行一系襄突验霜来译镳津戆魂安全冷蹿系统 的热消除能力，得到了总压2 4 8 x 1 0 5 5 1 0 5 p a ，空气质爨分数o 3 0 o 6 5 范 围内瓣宜光滑管上的冷凝传热系数。由蒸汽摩尔分数x 。，总压p 。，主体和壁面 瀑差d t 可想到黄热系数h 豹经验关联式，该必联式覆盖了2 0 豹数据点。蘑有 的数掇点与气吸扩散层模鍪的预浏值都有 聚辩昭一致往，大约是u c h i d a 传热关 联式得到结果的2 2 倍。通过测试管周围加覆旅物模拟管柬对径流的限制可得到 此时健热系数的降 鼹毽子约为0 , 6 。研究氦气在不凝气摩尔分数分别为1 5 、3 0 蛞秘6 0 牙，氦气辩簧燕系数戆影豌效栗，霹疆发凌将氮气雩l 灭不凝气爱，冷 凝传热系数降低。渴盖。正，比低于3 0 ，憨压少于4 5 5 1 0 5 p a