（化工过程机械专业论文）带螺旋线的管内降膜蒸发器传热性能研究.pdf

河北工业人学硕上学位论文 带螺旋线的管内降膜蒸发器传热性能研究 摘要 本文以水为工作介质，研究了降膜蒸发管内插入螺旋线对降膜蒸发侧传热性能的影 响。采用插头式布膜器，对8 种不同结构参数的螺旋线进行了恒壁温实验。结果表明，液 体的初始分布可以影响传热系数；同时讨论了传热温差、液膜雷诺数、蒸发温度和螺旋线 结构参数等对降膜蒸发侧传热性能的影响；实验条件下2 、5 号螺旋线为强化传热效果最 好f 门螺旋线，可以提高传热系数达2 0 ，并且获得了实验条件下的最佳螺旋线参数的范围； 利用实验数据拟合出了光管降膜蒸发和管内捅入螺旋线降膜蒸发的关联式，其亡1 算结果与 实验值误差在1 0 以内。 本文使用f l u e n t 6 0 进行了数值模拟。模拟结果显示，模型的无因次传热系数h + 与液 膜雷诺数r e 。呈明显的线性关系，且模型值比实验值偏低2 8 左右。模型基本反映了实验 的规律。 关键词：降膜蒸发，蒸发器，强化传热，螺旋线插入物，传热系数 带螺旋线的管内降膜蒸发器传热性能研究 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nh e a tt r a n s f e r c ap a b ll ，r yo ff a l l i n gf i l me v a p o r a t o ri nt h e v e r t i c a lt u b ew i t hs p r l n gi n s e r t s a b s t r a c t w h e nw a t e rw a su s e da st h em e d i u m ，t h ei n f l u e n c eo ft h es p r i n gi n s e r t si nt h ev e r t i c a lt u b e t ot h eh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo ff a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n 、, v a ss t u d i e d i nt h ee x p e r i m e n t ，t h e i n t e r p o s i t i o nd i s t r i b u t o rw a su s e d s p r i n gi n s e r t so fe i g h td i f f e r e n tp a r a m e t e r sw e r ea d o p t e di n t h eu n i f o r mw a l lt e m p e r a t u r e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eh e a tc o e f f i c i e n tc a nb ei m p r o v e db y a m e l i o r a t i n gd i s t r i b u t i o ns t a t u s a tt h es a m et i m e ，t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ，r e y n o l d s n u m b e ro ff i l m ，a n dv a c u u md e g r e ee t c t ot h eh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo nt h ee v a p o r a t i o ns i d e w a ss t u d i e d n o 2a n dn o 5s p r i n gi n s e r t sw e r et h eb e s ts p r i n gi n s e r t sf o re n h a n c i n gh e a t t r a n s f e ra n dt h eh e a tc o e f f i c i e n tc a nb ei m p r o v e dn e a r l y2 0p e r c e n t si nt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n t h eo p t i m u ms p r i n gi n s e r tp a r a m e t e rr a n g ew a sa l s oo b t a i n e do nt h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lf o r m u l a so ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to nt h ee v a p o r a t i o ns i d ei nt h es m o o t h t u b ea n di nt h ev e r t i c a lt u b ew i t hs p r i n gi n s e r t sw e r et i t l e db yt h ee x p e r i m e n td a t a t h ee l t o r b e t w e e nt h ep r e d i c a t e dh e a tt r a n s f e re o e f f i c i e mt h r o u g ht h e s et w of o r m u l a sa n dt h ee x p e r i m e n t v a l u ew a s b a s i c a l l yu n d e r1o t h en u m e r i c a ls i n m l a t i o nw a su s e db yf l u e n t 6 ，0i nt h ep a p e r t h er e s u l to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a ti tw a sl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ez e r od i m e n s i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ta n dt h er e y n o l d sn u m b e ro ff i l m t h ee r r o rb e t w e e nt h en u m e r i c a lv a l u ea n dt h e e x p e r i m e n tv a l u ew a sb a s i c a l l yu n d e r2 8 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc h a r a c t e r i z e dt h e e x p e r i m e n t a l1 a w k e yw o r d s ：f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n ，e v a p o r a t o r ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e ，s p r i n gi n s e r t s ，h e a t t r a n s f e re o e f f i c i e n t 河北丁业大学硕l 学位论文 英文字符 c ，待定常数，无量纲。 c 2 一待定常数，无量纲。 c 3 一待定常数，无量纲。 c t 一待定常数，无量纲。 c p 一料液的定压比热，k j ( k g k ) 。 d 一换热管直径，m 。 e 内能，j 。 r体积力，n 。 h l 。一汽液焓差，j k g 。 i 一湍动强度，无囚次。 k 一总传热系数，w ( m 2 - k 1 。 l 。一有效加热氏度，i n 。 m 一待定常数，无量纲。 n 一待定常数，无量纲。 p r 一普朗特数，无囚次。 q 一单位质量吸收的热量，j k g 。 r e t液体雷诺数，尤因次。 r e v 一蒸汽雷诺数，无田次。 r i 一管内液体侧垢层热阻， ( m 2 - k ) ，、v 。 蒸发管内半径，m l n 。 r管外侧垢层热阻，( m 2 k ) w 。 蒸发管外半径，m m 。 s 一有效换热面积，m 2 。 s 。一质量源项，k g ( m 3 s 1 。 & 一 体积源项，无量纲。 s h 能量源项，j ( m 3 - s 1 。 符号说明 r 一降落液膜的平均温度，k 。 t b 一液膜主流温度，k 。 一传热管 = ! i f 壁平均温度，k 。 t 蒸发管外肇甲均温度，k 。 a t 一降落液膜与内壁面温差的甲均值，k 。 t w 一换热管的内壁平均温度，k 。 ir 一料液在蒸发压力f 的沸点温度，k 。 u 一甲均速度，m s 。 v 。一时间t 内冷凝液的体积，由实验测得，i l l 3 。 v 一二次蒸汽的流率，k g s 。 x l 一流动发展段长度，m 。 “一支持条件和振动模式决定的常数，无量纲 d 一螺旋线外径，1 1 1 。 f 螺旋线弹性系数，n m 。 g 一重力加速度，m 2 s 。 h 一降膜侧传热系数，w ( m l m 。 h r蒸发在液膜表面进行的传热系数， w ( m 2 - k 、。 h + 一无因次传热系数。 k 料液的导热系数，w ( mk 1 。 k l 一液相的导热系数，w ( m k ) 。 k 。一不锈钢管热导率，w ( m k 1 。 1 一螺旋线螺距，m 。 p 一压力，p a 。 6 p 一与a f 相对应的握力差，p a 。 g一通过戥面的平均热通量，w ，m 2 。 带螺旋线的管内降膜蒸发器传热性能研究 s螺旋线丝径，1 1 1 。 q 一相数。 t 一冷凝时问，由实验测得，s 。 i l 液膜速度，m s 。 w 湍流液膜流动速度，m s 。 希腊字符 a 。一蒸汽的冷凝对流传热系数，w ( m 2 k ) 。 口：一对流换热系数，w ( m 2 k ) 。 口。一第q 相流体的容积比率，无量纲。 汽一液界面的膜传热促进因子，无因次。 螺旋线的旋绕比，无量纲。 6 甲均液膜厚度，i n 。 v 一水的汽化潜热，k j k g 。 y 一螺旋线的同有频率，h z 。 p 水的密度，k g m 3 。 p 。一水蒸汽的密度，k g m 3 。 l l 一粘度，p as 。 u 。二次蒸汽的动力粘度，_ p ds 。 o 一表而张力，n m 。 u 液体运动粘度，m 2 s 。 u -液相粘度，p as 。 1 、一单位周k 上液体的质量流量，k j ( i l ls ) 。 l 义扩散系数。 蒸发管内径，n l n l 。 上标 +无困次符号。 下标 l液膜。 v二次蒸汽。 洲北工业大学硕士学位论文 第一章综述 蒸发是使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。 被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶剂的溶液，而实际生产中以蒸发水溶液为主，蒸山的蒸汽 为二次蒸汽，所采用的设备称为蒸发器。蒸发过程的实质是传热面一侧的加热介质与另一侧被蒸发溶液 间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属于热量传递过程，所以蒸发设备属于换热设 备。目前使用的蒸发器有多种型式，如中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、列文蒸发 器、强制循环蒸发器、升膜蒸发器、降膜蒸发器等，其中降膜蒸发器以其独特的优点越来越广泛地应用 于化上、轻工、医药、冶金、食品加工、海水淡化及污水处理等行业中“2 。 1 - 1 降膜蒸发器的特点 降膜蒸发是溶液在重力、离心力、界面剪力的作用下，沿蒸发管壁呈膜状向下流动，在下降过程中 被加热蒸发。与其它蒸发器相比，降膜蒸发器有以r 特点”：( 1 ) 高的传热系数，即使在小温差下传 热系数仍较高；( 2 ) 在降膜蒸发器中，物料在蒸发管内一次通过，在蒸发管内的停留时间很短( 几秒至 十几秒) “，所以适用于热敏性物料；( 3 ) 传热温差损失小，易于实现多效操作；( 4 ) 汽化面积大，二次 蒸汽中的雾沫夹带少，因此物料损失小，适用于处理易起泡的物料；( 5 ) 蒸发过程中不易结垢；( 6 ) 降膜 蒸发器适宜蒸发粘度较大的物料，料液的粘度范围可达5 0 4 5 0 e p 。但不适于处理易结晶、结垢和粘度 很人的溶液，发生上述情况将破坏溶液在管甓成脱，从而使传热效率降低：( 7 ) 为了使溶液沿每根换热 管均匀分配，并使溶液进入换热管内均匀布膜，需在换热管的顶部设置液体分布器和料液成膜装置，保 证液体的均匀分布是降膜蒸发器正常工作的关键。 由于降膜蒸发具有上述特点，降膜蒸发器越来越广泛地应用于化t 、轻r 、化纤、食品加工、海水 淡化、医药、污水处理及原子能等各个工业部门，是目前被j 泛使用的高效蒸发设备。1 。例如，尿素t 业的气提和高乐甲胺冷凝、氯碱工业中的盐酸制备、苯乙烯的生产、果糖的浓缩、表面活性剂生产r i 十 一烷基苯的磺化反应、氧化铝的蒸发及污水处理等，国内乳制品行业也已有定型产品”1 1 。在蒸馏过程 中，出于节能和热敏性物料分离的要求，也常常采用降膜式再沸器”。但足国内应用的降膜蒸发器在 处理量、效率及设计水平方面与国外相比尚有较大差距，应用领域也较窄，主要原因之一在于降膜蒸 发传热的研究还很不充分，冈而了制约降膜蒸发器更广泛的应用。 带螺旋线的管内降膜蒜发器传热性能研究 1 2 降膜蒸发器研究现状 降膜蒸发器出现在1 9 世纪末，进入2 0 世纪降膜蒸发器的使用与研究得到j 。泛发展。剥降膜蒸发 的研究主要在理论研究和实验研究两个方面。在理论研究方面，主要是研究液膜的流动状态和液膜流动 的机理“。“1 ，从而对降膜侧传热系数理论求解，并在实验的基础上利用实验数据得到经验或半经验的 实验关联式“1 ；在实际应用领域，主要是对降膜蒸发设备及系统进行优化，采用各种各样的节能工 艺和流程“92 “，提高降膜蒸发器的传热系数，研究高效的降膜蒸发器。 降膜蕉发是溶液在重力、离心力、界面剪力的作用下，沿加热管内壁呈膜状向f 流动，同时由丁 受热蒸发而产生二次蒸汽，在加热管内形成气液两相共存的流动状态，属于气液两相流动。由于两相的 存在以及相间相对分布状况不同，两相界面之间也存在作用力，而且也因传质伴随动量传递和能量传递， 使连续、动量和能量方程更加复杂，这些因素给降膜蒸发的研究、分析和观察问题带来极大的困难。因 此，到目前为止，无论在理论上还是实验，其研究尚处于发展阶段，有待进一步探究。 1 - 2 1 实验研究 关丁液膜的流动，有关专家学者已经做了一定的研究。经过实验观察及分析表明，由t 自由面的 存往，膜内运动可以有多种不同状态，其基本类型可以概括为层流、波动层流、湍流及波动湍流等。而 区分流型的一般参数仍然是雷诺数r e 。： r e ，：p s u( 1 1 ) 。 ，z 其中韵特征尺寸是液膜厚度占，特征速度是液膜截面上的平均速度u 。当r e l 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。表面山现波动时，波峰处的膜较厚，该处可能变成局部湍流x 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c p 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 i = 2 5 0 5 0 0 时，层流将转变为湍流。在湍流状态下，雷诺数比临界值大 很多，但是液膜中相当厚的一部分仍将是具有层流性质的“粘性底层”。 对丁降膜蒸发器液膜侧传热性能的实验研究，很多研究者做过这方面的工作，并得到了不同的实 验关联式：c h u n 和s e b a n 、f u j i t a 和u e d a 、赵起、邓鸿等等。比较有影响的实验关联式是c h u r l 和s e b a n 得山的关联式1 。 c h u n 和s e b a n ”对垂直管电加热外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、 饱和蒸汽压确定传热系数，得到的实验关联式如下： 层流h + = 0 8 2 1 r e j o 2 2 r e l 3 2 0 0( 1 3 ) 以上：式是住电加热不锈钢垂直管外表面进行降膜蒸发传热得到的。实验管上部安装有烧缩金属 制成的多孔管式液体分布器以使液膜沿管壁均匀流下，实验管径为巾2 86 0i m m ，有效加热段长 2 9 2 m m ，热通量的范闱为8 - - 2 9 k w m 2 ，进口液膜霄诺数r e l 为3 2 0 2 1 0 0 0 ，料液水的饱和温度为2 8 3 1 0 0 。c ，实验中无泡桉沸腾发生，在式( 】2 ) 中考虑了汽液界面波动的影响。 由于此关联式是在蒸发量很小的情况f 得到的，因此该传热系数关联式不能用于蒸发量很大或液 膜内有泡核式沸腾的情况；另外，由丁此关联式未能考虑二次蒸汽的影响，所以在r e l 很大叫，计算值 比实验值低。 f u j i t aa n du e d a ”“2 2 1 等人也曾进行了电加热_ ：锈钢管外降膜蒸发传热实验，在进口段安装j ，7 0 r a m 长的多孔管液体分布器，液体从管内透过多孔管流到管外，从而沿管外壁环向均匀流r 。其管径为1 6 o9 3 m m ，管长分别为o 6 m 和1 m 。在热通量为3 0 7 0 k w m 2 范围内，对于大气压下的水也得到了与 c h u n 和s e b a n 相类似的结果： 层流h + = o 9 r e i 0 ” r e l r e v c ) ( 1 1 0 ) 但是，在吼6 0k w m 4 时，a b o u 和h u y h e 没有发现热通量对液膜传热系数的影响。a b o u 和h u y h e 解释这是由于不锈钢表面不易形成汽化核心，液膜中无核式沸腾产生的结粜。 由上述的研究结果可知，在液膜雷诺数较小时，大多数实验研究证明可以忽略二次蒸汽的影响； 在液膜雷诺数较大时，二次蒸汽对传热系数有一定影响，但足其影响机理还有待研究。其它的实验条件 及关联式见表1 ，此处不再赘述。 1 2 2 理论研究 对降膜蒸发传热的理论研究最早是n u s s e l t 提 b 米的，n u s s e l t 在1 9 1 6 年对光滑层流下降液膜进行 理论模拟，忽略界面波动和气相剪应力的影响，通过求解降膜动量方程和能量方程，得到液膜传热系数， 并得到了液膜厚度”。 b e n j a m i n 等人“在n u s s e l t 模型的基础上，考虑界面波动的影响，理论模拟的结果发现，该模颦得 到的膜厚与n u s s e l t 相比，膜厚下降。 4 河北i ：业大学硕士学位论文 对湍流下降液膜的理论模拟始于d u k l e r “5 。2 。他将满管流边界层的湍流模型移置于降膜蒸发液流 叶1 ，对y 。4 2 0 区域选用d e i s s l e r 模型，y + 2 0 的区域选用v o n k a r m a n 模型确定涡流传递系数，然后联 立求解降膜动量方程年| | 能量方程，在不考虑界面波影响的情况下计入二次蒸汽列流动与传热的影响，但 是其理论预测值柏! 热通量较小、二次蒸汽速度不人时比实验值高4 6 。 表1 1 另外几种实验条件下垂直管内降膜蒸发传热系数实验关联式“” t a b l e1 1t h ea d d i t i o n a lf o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n gt h ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t m u r t h y 和s a r m a ”“的模型假定湍流p r 数等于1 ，认为气液界面间无阻尼。该模型最人的优点是 咀显式形式表示了传热分系数，但是没有考虑相界面间剪应力。 m i l l s 和c h u a n g ”2 1 采t f j 等膜厚模型，在近壁区选用v a n d r i e s t 模型，气液界面区选用l a m o u r e l l e 和 s a n d l e 从气体吸收实验中定义的涡流扩散系数，不考虑气液相界面问的剪应力，该模型与c h u n 和s e b a n 的实验数据相当吻台，但是该模型仍然有缺陷，那就是加热段的渐进传热系数太高，而且预计的热发展 段要远大于实验俩。 o c s a n d a l l ”等人在近壁区选用修正的v a n d r i e s t 模型，气液界面区选用c h u a n g 的气体吸收涡流 扩散系数，不考虑二次蒸汽剪应力，凌模型与c h u n 和s e b a n 的实验数据相当吻合，平均偏差为8 3 。 iam u d a w w a r 和mae 1 m a s r i ”在近壁区选用v a n d r i e s t 模型，液膜的主体区域的涡流粘度分布 s 带螺旋线的管内降膜蒸发器传热性能研究 选用u e d a 的实验测定结果，构造了统一的em v 表达式，该模型在湍流程度较小的时候，与实验结果 的吻合挥度较好，但是当湍流程度较大时，理论值与实际偏差比较火，而且没有考虑二次蒸汽剪应力。 s e b a n “”应用修止的v a n d r i e s t 式表达近壁区，而用从气体吸收实验得出的修正涡流传递系数表达 气液界面区，将整个液膜分成三个区，但是这一模型没有考虑气液界面剪应力，在pr = 57 剥与实验 数据差别较大。 栾善尔“”等人研究二次蒸汽对湍流i - 降液膜传热性能的影响，对于y + 6 + o 6 ，采用y i h 等人修 正的湍流模型，y 十6 + 0 ，6 ，采用他们自己利用降液膜传质结果推导得到的湍流模型，n b , t 采用了y i b 等人修j f 得到的适丁液膜表面存在剪切作用时的湍流普兰特数p r 。该模型较好的预测r 实验结果。 在近二十多年求解湍流液膜传递方程的努力中，首先为圆管引进的v a n d r i e s t 的e 。v 方程得到了 广泛应用，通过指数抑制函数修正湍流底层线性混合长函数，使混合长在壁面处等于零。但应凌指山， 这一模型仅适用于壁面区，列自由表面的涡流情况不给出任何信息。近年米有关湍流降膜传递的模拟主 要集中在被膜中间区域和自由表面区，在近壁区仍旧使用v a n d r i e s t 模型，但中间区和自由界面区用不 同的涡流粘度表达“，如l i m b e r g 直接用管道流中的涡流分布。但在c h u n 和s e b a n 的降膜蒸发数据发 表屙，发现以前的模型均过高估计了蒸发传热系数，这便产生了通过考虑自由界面区的涡流抑制来修正 液膜中的涡流粘度分布。m i l l s 等”。3 ”的模型中，通过与湍流液膜气体吸收传质扩散系数的比拟考虑自 由界面的阻抑，他们假定一个确定的湍流s c h m i d t 数，应用湍流降膜的气体吸收传质关联式。这样，完 整的涡流粘度分布由分别考虑近壁医和自由界面区的不连续函数组成。 从以上的分析中可以发现，在湍流下降液膜的理论模拟研究中，关键是确定液膜近壁区、中间区 域和自由表面区域的涡流粘度分布，对近壁区应用修正的v a n d r i e s t 模型已经得到大部分研究者的肯定， 但是对于中间区域和自由界面区的涡流粘度分布的认识差异较人，没有明确的结论。有关其它降膜蒸发 的涡流模型详见表1 2 。 1 - 2 3 应用研究 降膜蒸发在实际应用上，主要是提高降膜蒸发器的传热系数，研究高效的降膜蒸发器。从降膜蒸发 总传热系数训算式考虑”： 6 i 1 = 瓦1 + 妻十置+ 瓦1 + r ( 1 1 ) 式中：i 1 传热热阻，k 总传热系数， w ( m 2 k ) 一1 管外侧蒸汽冷凝的热阻，一般较小。瓯为蒸汽的冷凝对流传热系数，w ( m 2 k ) o 。 河北工业大学硕士学位论文 b 丑 r 1 。 a f r 。 加热管壁热阻，b 为蒸发管擘厚， 为管壁材料的导热系数，w ( m 2k 1 管内液体侧垢层热阻，( m z k ) 厂、 管内液体对流换热的热阻，盘，为对流换热系数，w ( m 2 k ) 管外侧垢层热阻， ( m 2k ) w 。 表1 2 降膜蒸发传热理论预测的涡流模型 t a b l e1 2t h ev o r t e xm o d e l so f t h ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o nh e a tt r a n s f e rt h e o r yp r e d i c t i n g 蒸发管壁热阻与管子的材料和壁厚有关，一般管壁热阻较小，可忽略，冈而对总传热系数影响最 大的是垢层热阻、管外侧蒸汽冷凝热阻和管内液体的对流换热热阻。垢层的形成机理非常复杂，蒸发器 往往在运行一段时间后都需要进行除垢或者在溶液r 恸u 入微量的除垢剂，以阻止在传热面上形成垢层。 从以上分析可知提高管内、外液体刘流传热系数及减轻结垢是提高总传热系数的主要的途径。 7 带螺旋线的管内降膜蒸发器传热性能研究 通过实验研究及分析，影响降膜蒸发传热系数的因素为下几个方面：加热管内壁与液膜之间的 温差。液膜的蒸发温度。进液速度。热通量。进液温度。液体特性。液体分布器的形状、 特征尺寸、安装位置等。管子特征尺寸( 如管长、管径、厚度、管子材料、加工情况等) 。在实际应 用上，针对影响降膜蒸发传热系数的这些因素，对降膜蒸发系统进行优化，采用各种各样的节能工艺和 流程，提高降膜蒸发器的传热系数。 液体沿换热管分布的均匀程度是降膜蒸发器能否正常工作的关键因素之一。如粜各管子间液体分 布不均匀，会导致给料不足的管子结垢，而给料过剩的管子液膜过厚，从而影响传热。当液体不能均匀 分布在整根管子表面时，也会 h 现类似的现象。所以均匀分布不仅指液体均匀分配在全部管子上，还要 沿每根管子周边均匀分布，并在整根管子长度上分布均匀。为达到均匀布膜的日的，应在换热管上部设 置布膜器。布膜器的好坏，将直接影响液体能否迅速地在管内甓形成液膜。布膜器的结构一股可分为溢 流型、插头型、多层筛板型等。插头型分布器可存单根管子内壁形成均匀的液麒，但流动阻力火，易堵 管，安装检修不便，战适于处理清洁物料。溢流型分布器的加工精度和安装精度一般要求较高。这两种 液体分布器的共同特点是只能保证液体在单根管子内擘均匀布膜，不能保证往所有管子1 分配均匀，尤 其当管数很多时会因为大直径管扳上的液能差而破坏液体分布的均匀性。t q m b ，只适用于管数较少的情 况。由河北工业大学研制的多层筛板分布器”1 结构简单、加工、安装和检修都较方便。由于在管板上是 多点布判，所以管扳直径的大小对于分布效果的影响不明显，对于人型降膜蒸发器此种分布器取得了很 好的效果。 利用强化传热方法获得尽可能大的传热系数，也是降膜蒸发研究的一个主要方面。强化传热技术在 降膜蒸发上的应用，如有处理表面法、粗糙表面法、扩展表而法、流体旋转法及静电场法等，可以提高 传热系数，节约能源。所以强化传热技术在最近几年来得到的迅速发展。 1 - 3 强化传热方法及研究发展 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l t ，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，国内外公升发表的论文和研究报告超过 6 0 0 0 篇，获得1 r 数白项专利，己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，冈此强化传热研究 河北工业大学硕士学位论文 的深度和j 度日益扩大并向新的领域渗透和发展，世界各主要上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，联合西安交通人学等 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 项日“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f ，开发第三代传热技术”。 贝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间内，单位传热而积传热达到最多。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”“： 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f 工作； 4 、 减小换热器阻力以减小换热器的动力消耗。 1 - 3 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”。有功强化传热技术需要应用 外部能嚣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、屯场、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。两种传热技术与光管对比 结果见表13 ，表- i 一给出强化传热提高传热系数的倍数。 在实际席用中，有功强化由于需要外部能量来达到目的，所以在_ 程技术上实施有困难，上程实际 上考虑到技术和成本的因素出阻碍其推广和应削。相比无功强化技术不需外部能量，拉术实施上也比较 简单利j 设备改造，存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t 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 腾传热管类型根多，主要有烧结成型的表面多孔管、机加工成型的表面多孔管、7 1 、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，可用丁管外池沸腾或膜沸腾的强化传热”7 。”。”。 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进行了大量的研究工作，并取得1 广较多的成果。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”“：为了强化列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 足滞流底层的厚度，通常可通过对管壁进行各种细微的加上使管擘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 9 带螺旋线的管内降膜燕发器传热性能研究 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人体分为两种，一种足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 表1 3 强化传热与光管比较”7 1 t a b l e13c o m p a r i n gt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tw i t hn oe n h a n c e m e n ti nt h et u b e 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、旋流管、内插物、花瓣形翅片管、锯齿形翅片管、表面多孔管和纵横管 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”。以前国内内肋管的研究和使用比较多， l0 河北工业大学硕士学位论文 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u j 供设计使用的通用关联式“。 管| = f 翅片有高低两种，管内高翅片日j 较多增加传热面积，一般用丁：强化层流或过渡流传热，管内低 翅片可增加。些转热面积，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。”。 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“1 。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h ( 每扭转3 6 0 。的长度) 与管予内直径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f 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r ，流体传热阻力主要集中在近管壁处较薄的层流底层中，冈此不宜采用扣带来强化 传热”1 。 静态混合器由一系列串联布置的左、右扭转1 8 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 ! 王能用于管内高粘度流体的强化传热”“。这种插入物能更好的促进管内流体的混合，因此 强化层流传热比打i 带效果更_ f 【j ：，仍流体阻力也更大。 螺旋线圈足把金属丝以一定的螺距绕在一根轴心上加工面成，这是种早期应用于强化湍流传热的 管内插入物”7 。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s 和螺距p 。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，特别遁 。现有设备的改造t 程。用螺旋线强化管内对流传热，使对流换热系数提高，在其实验范同 内，换热系数是光管的1 5 2 8 倍”3 l 。 1 - 3 2 管内插入螺旋线强化传热研究状况 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 e s 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，刑其基本特性的认识仍有待继续深化。 c h i o n “”酋先进行插入螺旋线圈刚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 m 等人用丝径s 为1 3 2 18 8 m m 的三种黄铜弹簧插入直释为1 2 2 m n l 的不锈钢管内，组成 d d - 01 0 8 o15 和s a - 6 7 9 2 的粗糙管，以水作为传热介质获得的最大换热强化比为2 8 倍。 国内甲在2 0 世纪鲫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“”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甘距螺旋线圈， 1 1 带螺旋线的管内降膜蒸发器估热性自研究 对滴形管内插入四种不同节距的螺旋线罔进行实验，并运用三种1 ；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、李淑平等人“7 1 采用d p 2 5 x 2 m m 的紫铜圆管，实验段长1 6 8 m ，管内走水，管外走水蒸气， 进行传热实验。实验研究1 r 内插螺旋线圈的水平圆管| = | 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，螺旋丝径变化对传热及流体阻力的影响。采用 ( n u 。) 35 ( z f ) 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， ( n u s n u ) 35 ( a f ) 的值在1 2 1 0 7 之间，大于1 ，说明插入螺旋线圈有效地强化了管内传热。 姚寿广、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，对测量数据进 行综合处理得到管内列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，h j 多目标数学规划方法研究了这种螺旋线圈强化传热元件结构尺寸的最优化问题。从优化结 果看大螺旋线罔大直径、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j j 程应用提供设计依据。 张锁龙、张琳“”采用白行设计的套管传热实验装置。其中，套管采用m3 2 x 2 m m 的钢管，换热管 采用m 2 3 2 r a m 的钢管，有效长度5 1 0 m m ，管内为冷却水，套管内是1 1 0 。c 的饱和蒸汽，套管外侧有 2 0 m m 厚的保温层。换热管内依次放置长度为2 9 0 m m 、3 8 0 r a m 、5 2 0 m m 的弹簧，弹簧直径分别为1 2 r a m 、 1 4 r a m 、1 65 m m ；弹性系数分别为k 1 - 9n m 、k 2 = 7n m 、k 3 = 9 n 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 氏期高效运行。 朱冬生，h 穗安”“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儿有一定的指导意义。 此外，董珊”“、张至英”“、盂祥春“、何世民“”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_ 丁程实际当中。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白清洁的研究也得到了普遍重视，取 河北工业大学硕士学位论文 得了很多研究成果和专利，应用前景看好。 法国的埃尔大阿垒坦公司曾丌发过一种名为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，| ! ! l 二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“。 湘潭大学的俞秀民等进行了f l 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 管式传热发备的每根传热管内置一转动螺旋线来刮扫内擘污垢的刮面式传热技术。作者研究的自沽高效 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列比， 自动旋转螺旋线传热技术在功能方面、成本费用力面、适用范围的广泛性_ 方面都具有显著的优势。 姚寿广，陈。于等人”针对管内螺旋线罔插入物强化传热技术