（化工过程机械专业论文）凹凸变化壁面降落液膜的流动与传热.pdf

l i i l l l l1i 1 1 1i ii l l ii i i i l l y 17 9 7 4 3 0 天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集 体已经发表或撰写的成果内容。对本文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后果由本人承担。 作者签名考竹融为易，、 日期：弛7 年弓月7 日 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天 津科技大学所有。 作者签名：剖 识到本声明的法律后果由本人承担。 醐一脚 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权天津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 1 ( 请在方框内打“v ”) ，在年解密后适用本授权 书。 本学位论文属于 作者签名 导师签名： 纠研文 请在方框内打v ”) 。 日日 o 价 月月 ；弓 年年 磷做 期期 f 。 关键词：芹菜汁；传热系数；传热性能；凹凸变化壁面；流动性能 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec o n c a v e - c o n v e xc h a n g e dw a l ls u r f a c ei sa p p l i e dt of a l l i n gf i l m e v a p o r a t o r t h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e sh e a t - t r a n s f e rp r o p e r t ya n dt h ef l o wp r o p e r t i e s o ft h ec e l e r yj u i c eo nc o n c a v e - c o n v e xc h a n g e dw a l ls u r f a c ei nt h ep r o c e s so fe v a p o r a t i o n c o n c e n t r a t i o n i th a se s t a b l i s h e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e x i tm o d e lo ft h ec o n c a v e c o n v e x c h a n g e dw a l ls u r f a c eo nt h eb a s i so fp r e d e c e s s o r sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm o d e l ；f i l m d i s i n t e g r a t i o np h e n o m e n o ni sa n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h em a t e r i a lf l o w i n gp r o c e s s ；a t t h es a m et i m e ，i nt h ee x p e r i m e n t , d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o nh e a t t r a n s f e rp r o p e r t yi s s t u d i e d b yc h a n g i n gv a p o r i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，h e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ， m a t e r i a lc u r r e n tc a p a c i t y , m a t e r i a ll i q u i ds o l i ds h a p ec o n t e n ta n dt h ep r e d i c t e dv a l u ea n d t h ea c t u a lv a l u et a l l i e si sg o o d ；t h ea c c u r a t en u m b e rc o n n e c t i o nt y p ei se s t a b l i s h e da n dt h e a c t u a lv a l u ea n dt h et h e o r e t i c a lv a l u ei sw e l l ；a tt h es a m et i m e ，t h em o s ts u p e r i o r c o m b i n a t i o nv a l u e so ft h ef o u rf a c t o rt h a ti n f l u e n c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti so b t a i n e db y t h em e t h o do fv a r i a n c ea n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec o n c a v e c o n v e xc h a n g e dw a l ls u r f a c eh a s t h eg o o dh e a t - t r a n s f e rp r o p e r t ya n df l o wp r o p e r t i e s ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sh i g j aa n di s n o te a s ys c a l i n g ；t h e r e f o r e ，t h i ss t r u c t u r ei ss u i t a b l ef o rv a c u u me v a p o r a t i o nc o n c e n t r a t i o n o ft h ev e g e t a b l e sj u i c e sa n di th a sc e r t a i na p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef o o di n d u s t r y k e y w o r d s ：c e l e r yj u i c e ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，h e a t - t r a n s f e rp r o p e r t y , c o n c a v e - c o n v e x c h a n g ew a l ls u r f a c e ，f l o wp r o p e r t i e s 主要符号表 平壁的传热面积- 摩擦阻力系数 质量流量 光滑竖壁质量流量 凹凸壁面质量流量 强化因子 平均的传热系数 平壁总传热系数 平均的努塞尔特数 普朗特准数 平壁的传热量 对流传热速率 单位面积的传热热阻 斯坦顿数 截面平均温度 截面上某点处的温度 液膜平均流速 、 截面上某点处的流速 流过某固定截面的质量流量 液膜流经出距离蒸发掉质量 沿凹凸变化壁面横向距离 沿凹凸变化壁面纵向距离 平壁一侧的传热系数 k g s k g | s k g 沁 w l ( m 2 ) m 2 w m s m | s k g j 瞎 刀册 刀l 册 w ( m 2 ) 加 a c g q q h k 肌， n q 如 & 乙 r 搿 形棚 x y q 平壁另一侧的传热系数 w l ( m z ) 平擘一侧的污垢系数 平壁另一侧的污垢系数 壁面的阻力 液膜的运动粘度 液膜的动力粘度 液膜在壁面上的流动方向与竖 直向下方向的夹角 汽液界面处的切应力 汽液界面切应力的相对大小 液膜平均厚度 液膜厚度以无量纲形式 液膜暂时破裂临界状态膜厚 永久破裂临界状态时膜厚 层流液膜的厚度 紊流的液膜的厚度 局部对流传热系数 温度测量最大相对误差 流量计的最大测量相对误差 传热量最大的相对误差 传热面积最大的相对误差 平均温差最大的相对误差 总传热系数的最大相对误差 w ( m 2 o c ) w ( m 2 o c ) m 2 s l c g | m s w ( m 2 c ) 吃 气 屯 y 肛 9 册 撇 撇 黼 以吼痧 广 跏 跏 知 跏 哪 办 阳 明 咖 巩 目录 1 前言1 2 文献综述：；一j k 3 2 1 强化传热技术概述。3 2 2 强化传热元件的研究4 2 2 1 波纹板壁5 2 2 2 波纹管：j 8 2 3 凹凸变化壁面强化传热机理8 2 3 1 平壁面强化传热的手段8 2 3 2 凹凸变化壁面强化传热机理：9 2 4 降落液膜的流动和传热特性1 0 2 4 1 液膜的传热传质1 1 2 4 2 液膜流体动力学特性1 2 2 4 3 液膜的破裂特性1 2 2 5 凹凸变化壁面降膜蒸发器浓缩蔬菜汁概况1 4 2 5 1 蔬菜汁浓缩技术。1 4 2 5 2 管式降膜蒸发器浓缩蔬菜汁的优点及性能1 4 2 5 3 板式降膜蒸发器浓缩蔬菜汁的优点及性能1 5 2 6 本文研究的内容1 6 3 理论研究1 7 3 1 凹凸变化壁面传热系数模型1 7 3 1 1 凹凸变化壁面的型线的拟合1 7 3 1 2 凹凸变化壁面( 波纹管壁) 局部传热系数的推导2 2 3 2 凹凸变化壁面降落液膜流动特性理论分析2 5 3 2 1 凹凸变化壁面降落液膜膜厚分析。2 5 3 2 2 凹凸变化壁面降落液膜破裂理论分析2 7 4 实验装置及实验方法3 1 4 1 实验原理o 。3 1 4 2 实验装置3 2 4 2 1 实验流程3 2 4 2 2 降落液膜蒸发器3 3 4 2 3 布液装置3 5 4 2 4 实验所采用变化壁面的拟合曲线。3 5 4 3 实验步骤3 6 4 ：4 测量系统3 6 4 5 真空系统o o o o o j 。4 0 4 5 1 不凝性气体4 1 4 5 2 二次蒸汽4 1 5 实验结果及其分析讨论。4 2 5 1 最优水平与显著性分析4 2 5 2 物料的物性参数o 4 5 5 2 1 料液的粘度。4 5 5 2 2 料液的比热和导热系数4 5 5 3 料液流经凹凸变化壁面的流动分析4 6 5 4 液膜破裂特性的研究。4 9 5 4 1 液膜破裂现象4 9 5 5 影响传热性能的主要因素分析。5 0 5 5 1 传热温差对传热系数的影响j 5 0 5 5 2 流量对传热系数的影响5 1 5 5 3 固形物含量对传热系数的影响。5 2 5 5 4 蒸发温度对传热系数的影响：5 3 5 5 5 总传热系数与实验各因素的关系式5 4 5 5 6 液膜侧传热系数准数关联式“ 5 6 局部努谢尔特数的变化趋势5 6 5 7 加热功率对换热特性的影响“5 6 5 8 传热性能的比较5 7 5 8 1 波纹管与光管传热性能的比较5 7 5 8 2 凹凸变化壁面和平壁的传热性能的比较。5 8 5 9 实验的不确定度分析。5 8 5 9 1 温度测量误差5 9 5 9 2 流量测量误差5 9 5 9 3 总传热系数误差。5 9 6 结论6 0 7 展望。6 1 8 参考文献6 2 9 攻读硕士学位期间发表论文情况。6 6 1 0 致谢j 。6 7 l f t 录6 8 天津科技大学硕士学位论文 1前言 对流传热的强化技术因为其广泛的工业应用背景而受到重视，并且成为国内外传 热学界研究的热门课题。利用复杂几何形状的传热表面改变流动结构，引发二次流和 方向流，使得流体产生扰动，是目前强化传热研究的热点之一。 液体在重力作用下以薄层形式沿着壁面向下流动，称为液体薄膜流，又叫作降膜 流动。液膜流也是一项强化传热传质的技术。液膜降膜流动具有小流量、小温差、高 传热系数、高热流密度、结构简单、动力消耗小等独特优点，在化工、能源、航天、 石油、制冷、电子等许多工业领域得到了广泛应用。 随着高科技的发展，利用液膜的独特优点，解决高热流密度下的传热受到人们越来 越多的关注。要充分发挥液体薄膜强化传热传质的优势，一个至关重要的问题就是要 弄清其内在的流动过程和传热传质机理，维持薄膜稳定流动。 热交换研究的问题之一是创立高性能的传热面积和提高传热系数，即以最小的传 热面积和最小的传热温差传递最大的热量。传热设备如何以更小的体积、更少的材料 消耗获得更高的传热效率，一直是研究者和制造者的追求目标。传统传热设备的研究 主要集中在两个方面：一是开发新型蒸发器；二是对传统的蒸发器采用强化措施提高 传热性能，例如：用各种高效异形强化元件取代普通传热元件，用凹凸变化壁面代替 平面等。 适用于降落液膜蒸发的降膜蒸发器按照结构的不同可分为管式和板式两种，液膜 在板式外流波纹表面上流动，液膜有波纹，湍流程度大，液膜流速大，液膜薄，故物 料停留时间短，挂料量少，传热系数高，蒸发程度大，同样蒸发量所需传热面积小。 液膜在波纹管降膜蒸发器中沿着连续交替的曲线波纹向下流动的过程中，连续不断的 改变压力和流速，导致湍动的产生和液膜边界层的减薄，从而强化传热。 目前来讲，降膜蒸发器按照壁面的情况可分为非凹凸变化壁面和凹凸变化壁面， 常用的变化壁面结构有很多，最常用的是凹凸变化的通道和凹凸变化的壁面。由于传 热表面的凹凸周期性变化，使得流体总是处于规律性的扰动状态，使得管内或者板片 内，管外或者板外的流体的温度、密度径向均匀分布，强化了传质和传热过程；当然 也可以用流体流动方向周期性的突然改变来解释凹凸变化壁面的强化传热。 i ：h ：l , f i 变化壁面上由于存在表面张力效应而将凸处( 波峰) 两侧的凝结液膜拉薄，导 热热阻减小，使得传热强化；同时由于凹处内的凝结液积聚增快，从而使得凹处液膜 的流态容易变成湍流或者从传热面上脱离或飞溅并加快凝结液排出。这些都会增强液 膜内的扰动，提高凝结传热系数。另一侧，冷却水在凹凸变化壁面( 波纹通道内) 的 流动也能够得到强化，因而凹凸变化壁面可提高总传热系数。 对于凹凸变化壁面的传热过程，可以先将其简化为竖壁问题，然后考虑凹凸变化 壁面对于强化传热的影响。因此，降膜蒸发器在食品和饮料工业中的应用十分广泛， 1 前言 尤其适宜于蔬菜汁和果汁等热敏性物料。 本文在接近工业实际生产的条件下，将凹凸变化壁面传热元件用于芹菜汁的蒸发 浓缩。首先，本文应用样条拟合的方法，拟合出凹凸变化壁面横向与纵向的关系式； 在此基础上，建立凹凸变化壁面液膜流动的层流和湍流膜厚关系式和液膜破裂膜厚关 系式；同时，把凹凸变化壁面的横向与纵向的关系式代入前人研究的平板传热系数模 型，得到凹凸变化壁面传热系数模型，并分析其与平壁相比的强化传热因子；通过实 验分析，得出总传热系数与各个影响因素的关系式和液膜侧传热系数准数关联式；最 后采用方差分析的方法分析了实验中各个影响因素影响总传热系数的最优水平a 以期为凹凸变化壁面在蔬菜汁浓缩过程中的工业化提供参考依据。 图2 - 1 历年发表的传热强化的文献数目 f i g 2 1l i t e r a t u r e sp u b l i s h e du pt o2 0 0 0a b o u th e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o n 强化传热的方法很多，其目的不外是提高系统的经济性和确保设备的安全性。在 进行强化传热研究时，人们往往追求尽可能高的设备或系统热效率，应用场合的多样 性和实际模型的复杂性促使传热强化技术如雨后春笋般涌现并持续不衰。 强化传热技术分为主动的和被动的，也称为无源技术和有源技术。如表2 - 1 所示。 有源的强化传热技术在国内应用的不是很普遍，而国内普遍应用的主要是无源的强化 传热技术。无源的传热技术主要有扩展表面强化传热技术、介质添加剂强化传热技术、 扰流强化传热技术等。其中，扩展表面强化传热技术是通过在传热表面上镶嵌翅状的 附加传热面的办法来提高传热效果。有的在传热管内表面，有的在传热管外表面，形 状有环形翅片状、针形翅片状、螺线翅片状、直翅片状、锯齿翅片状等等。 扰流强化传热技术是利用扰流促进物使得传热面边界层减薄，并且促进中心流体 的扰动，强化传热过程。常见的扰动促进物有螺旋线、螺旋带、螺旋沟槽、横纹沟槽、 2 文献综述 变截面传热管等。与扩展表面强化技术相比，扰流强化传热技术是一种更为使用的技 术，其制造简单，具有一定的抗结垢能力，传热效果一般情况下提高显著。 而研究凹凸变化壁面的强化传热技术是近几年才开始的。在众多的研究中，根据 扩展表面的布置方式、结构尺寸不同，对强化传热的效果各不一样，并且影响较为复 杂，以异形传热管为例，其传热系数与光滑管相比可提高传热系数3 0 7 0 不等，并 且取得了以下规律： 1 随着r e 数的增加，异形传热管的传热性能都趋于光滑管； 2 在较低的r e 数范围内，异形传热管的传热性能均比光滑管好； 3 异形管的凹凸壁面的变化尺寸对于传热效果有着较大的影响； 表2 1 传热强化技术的种类 t a b l e2 - 1k i n d so fh e a tt r a n s f e rs t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y 2 2 强化传热元件的研究 蒸发器作为一种传热设备是工业生产中不可缺少的设备。据统计，在现代石油化 工企业中，蒸发器投资占3 0 4 0 。 在强化传热设备与元件的研究中，采用复杂的传热表面是最为常用的有效的强化 手段之一。因为正如上面所说，复杂的表面是一种无源的强化传热传质技术。复杂表 面的强化传热技术广泛的应用在动力、核能、冶金、船舶、化工、石油乃至微电子、 医疗、航天、航空等国民经济许多的领域中。 近十年来，世界面临着能源短缺的局面，因此采用先进的节能技术，降低能源消 耗，提高能源有效利用率势在必行。具有复杂表面传热元件的蒸发器是合理利用与节 天津科技大学硕士学位论文 约现有能源、开发新能源的关键设备。 现在，对传统蒸发器设备强化传热研究主要集中在三大方向上： ( 1 ) 开发新的蒸发器品种，如板式、螺旋式、振动盘管式、板翅式等等，这些蒸 发器的设计思想都是尽可能的提高传热效率； ( 2 ) 对传统的蒸发器采取强化措施。具体的来说，就是各种异形管取代原来的光 管，用各种异形的板取代原来的平板，现在较常用的有螺旋横纹( 螺纹管) 、横螺纹 管、波纹管、内翅管及管内插入强化物质； ( 3 ) 传热设备的强化与耗能系统的优化组合，就是说按照能量的品味逐级利用， 使耗能流程处于最合理的搭配状态，降低能耗实现全系统的节能。 ， 无论是在壁面增加粗糙表面还是利用插入物来强化传热技术，虽然传热效果有了 很大的改进，但是这些方法有许多的缺点，例如传热元件的加工制作复杂，增加金属 消耗量从而增加蒸发器的重量，又易于造成传热元件的堵塞，传热能力增强的同时， 阻力也相应的增大许多等等。因此，它们在强化效果、加工造价、流道通畅、壁面情 况、使用寿命和流动阻力等方面都尚待改进，尤其在上述诸性能的综合性能上参差不 齐，需要探索更合理的方式。在工业领域中，许多的流动通道和壁面沿流动方向呈周 期性变化。在这种呈周期性交化的通道或壁面上的流动和传热称为周期性充分发展的 流动与传热，这个概念是p a t a n k a r 等人于1 9 7 7 年首先提出来的，周期性充分发展流 动与传热问题受到很多的研究者的关注。近年来，通过诱发流动的自发振荡，引发流 动不稳定性，促进流体扰动和混合的传热表面和周期性充分发展的流动与传热成为新 的研究热点。一种是降膜蒸发器的蒸发元件采用双面纵槽管，其断面为锯齿形。溶液 经过管子入口分配器后成为膜状沿槽面流下，下流的溶液趋向于槽谷流动。在加热时 不仅槽峰的液膜沸腾，槽谷内的液膜也沸腾。槽谷液体沸腾时引起的液膜飞溅，保持 了槽峰的湿润，使得槽峰可以继续起沸腾面的作用而不至于蒸干，而槽谷却能使沿壁 面流下的液膜均匀分布，液膜很薄、从而提高了传热的速率。但是蒸汽冷凝侧槽谷处 冷凝液膜会较槽峰处厚，热阻也较大。一种是采用缩放壁面，缩放壁面是由多节渐缩 与渐扩段构成，扩张段容易产生正负反压引起回流，因此在壁面处产生较大的湍动， 达到提高传热效果。而收缩段则对湍动起阻尼作用，流体的湍动的减少，但是由于压 力能转化为动能使流体的流速提高从而使传热得到强化。 目前应用范围最广的强化传热元件就是波纹板壁和波纹管。 2 2 1 波纹板壁 陈亚平1 4 l 根据波纹板壁面与凝结液间的表面张力使液膜较薄的强化凝结传热的机 理监理数学模型，计算了波纹板槽道谷底和波峰两侧液膜传热的综合效果与当量竖直 平壁相比较的传热结果。波纹板壳式蒸发器是一种近年来受到国内外广泛关注的新型 蒸发器【5 6 1 。虽然波纹板通道对单相介质或两相流强迫传热已有较多报道，但是由于 受到板式蒸发器原有应用范围的限制，对波纹板上膜状传热等其它过程的强化传热研 2 文献综述 究较少。根据对直管挂线、螺纹槽管、c 管等等凝结强化传热的元件所进行的相关理 论与实验研究1 7 1 ，可以推论，竖直布置的波纹壁面上由于存在表面张力效应而将波峰 两侧的凝结液膜拉薄，导致热阻减小，强化传热。对于波纹板表面的膜状凝结的过程， 陈亚平将其简化为竖直平板问题，然后在考虑波纹对强化凝结传热的效应。由于竖直 平板上的膜状凝结问题已有公式可以求解【羽，因此，陈亚平等人主要讨论了波纹板槽 道对强化凝结传热的效应，没有讨论波纹板槽道对强化液膜传热的效应。 陈亚平p j 根据连续性方程、液膜厚度与传热系数的关系，分析了液膜控制体的表 面张力与壁面摩擦阻力的力平衡关系，建立了计算模型。陈亚平将槽道谷底和波峰两 侧液膜传热的综合效果与当量竖直平板相比较，得出波纹板的强化凝结传热的效应 1 1 0 ) 。结果证明波纹板比平板的传热系数增强2 0 3 0 。 ，黄秀琴等人【1 1 j 把板壳式蒸发器应用于强化凝结和液膜传热。主要是考虑到板式蒸 发器的优点：流体的流动方式则因为板外通道是敞开的而比较灵活，既可以强迫流动 传热，又可以实现液膜的传热传质过程。并且由于波纹板自身的波纹可吸收热膨胀应 力；因而有较长的寿命和较低的维修费用。现在曲折的通道或壁面对于流体强迫对流 传热的强化作用已经得到一致肯定。但是板式蒸发器内不能够实现液膜传热传质过 程，因此有关波纹板对液膜传热传质的研究成果几乎仍然是空白。 自由流竖板降膜蒸发器是7 0 年代发展起来的一种新型的蒸发传热设备。它适用 小温差的传热情况，而且薄膜蒸发器传热系数大。国外有关自由流竖板降膜蒸发器的 研究成果均属于专利内容，发表的有关文献都是有关降膜的流动和传热的理论研究。 为了促进我国自行生产这种新型高效的蒸发设备，顾传宝1 1 2 j 等人对竖直平板和波纹板 进行了流动和传热的实验研究。研究分为两部分：先对竖直平板和波纹板降膜作了流 动实验，得出了无量纲膜厚度口与r 的关系式，然后对竖直平板降膜的传热特性进行 研究，找出无量纲传热系数与r 。的关系式。 、 由于实际降膜蒸发器中板的尺寸较大，蒸发器的刚度问题就显得非常重要，所以， 降膜传热面往往设计成波纹板。波纹板可以增强刚度，减少蒸发器总体的振动，并可 诱发湍流，使传热效率得到增强。为了解决波状板对降膜流动的影响，国内顾传宝等 对板式外流蒸发器式降膜蒸发器的传热进行了实验研究。以水作为传热介质，传热元 件为长1 7 米，宽0 5 米的板式外流蒸发器片，采用低电压大电流直接加热，通过改 变热功率来改变热通量，实验得出不同条件下的传热关联式： 当加热负荷为2 5 0 0 0 w m 2 时： 3 9 2 0 r e 1 0 3 3 0h - 0 。0 0 1 5 1 r ：脯 式中：( | i i ：= h l x ，矿2i g ) 为无量纲液膜侧传热系数。 当加热负荷为6 4 0 0 0w m 2 时： ( 2 - 1 ) 天津科技大学硕士学位论文 4 7 6 0 r e 1 4 7 4 0吒一0 0 0 0 9 2 r 嘶1 当加热负荷为1 0 0 0 0 0w m 2 时： 7 9 1 0 r e 1 4 7 4 0h ：| 0 0 0 0 6 6 r ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 把所有的实验数据回归处理后统一得出饱和液膜无因次蒸发传热系数关联式： 3 9 3 0 r 。 1 4 7 4 0h ：| 0 0 0 1 7 7 r 攀( 2 - 4 ) 在实验当中，当加热负荷小于1 0 0 0 0 0w m 2 时，饱和液膜基本上是表面蒸发。 罗立庵【1 3 】对水蒸汽在竖直波纹板内冷凝传热进行研究，得出蒸汽完全冷凝的无因 次传热分系数： 3 5 0 r , 1 0 0 0缸一0 0 3 4 3 1 r n 缁( 2 - 5 ) 1 5 0 r 。 3 0 0- 5 1 4 3 6 r 舶1 2 ( 2 6 ) 式中：彬为无量纲蒸发侧传热系数。 宋继田【1 4 1 异形竖板降膜蒸发器的传热进行了研究。以水为传热介质，以长2 o 米， 宽为o 5 米的板片为传热元件，研究了传热壁面分布产生“干壁 的条件和传热性能。 在锅炉蒸汽压力达到0 2 m p a ( 表压) 时分别改变进料量、蒸发空间真空度和加热蒸 汽温度，得出了板式外流传热元件无因次降膜蒸发传热分系数准数关联式： r 。 8 0 0h 工- 0 9 2 4 r 。删 1 0 0 0 r e 9 5 3 2 吒- 0 0 1 1 3 r 删圮c o 删 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 同时还得出了传热元件板式外流蒸发器片内无因次蒸汽冷凝分系数的关联式： 层流区：r e 3 0 0b - 0 0 0 6 2 1 r 蝴 ( 2 - 1 1 ) 宋继田的研究还表明这种板式外流传热元件与竖直平板式或圆管式传热元件相 比其降膜蒸发侧传热强化不多；腔道的凝结传热强化很高【1 4 1 。另外，王贵芳、田玮、 2 文献综述 杨宗到1 5 1 7 】分别以不同的物料对异形竖板外流降膜蒸发器进行了研究。 2 2 2 波纹管 管壳式蒸发器是应用较为广泛的传热设备，而光管由于加工方便，成本较低，是 管壳式蒸发器中应用最为广泛的，但由于其传热面积较小，传热能力较差，因此如何 强化光管的传热一直是十分重要的研究课题。 不同形状的内翅片，人们已从实验和数值计算的角度进行了很多的研究【堋。在国 外，对波纹形通道的研究较多，均发现波纹形通道的传热能力比平直通道的要好，但 是对波纹形管道的研究却不多。其实波纹形管道也是凹凸变化壁面的一种。在国内已 有学者对波纹管强化传热式蒸发器进行了研究【1 9 】，发现采用波纹管作为传热表面的蒸 发器综合性能有显著的提高，但迄今为止，还未见到对波纹管单管内流动规律的研究。 梅宁【2 0 】等人研究竖直螺旋槽管壁面液膜形成及流动特性，建立了单组单流体的物 理和数学模型并得出解析解，并分析了壁面几何形状对薄膜流动特性的影响。结果表 明，液膜的形状主要受表面张力影响，在表面内弯处液膜较厚，而在槽道起始部液膜 较薄。相对于光滑直管，竖直螺旋槽管壁面液膜具有均匀的厚度分布和更好的传热传 质性质。由于表面张力的作用和液体在光滑管壁上的流动特征，初始形成的液膜产生 收缩而不能形成覆盖全表面的液膜，使管的传热效率下降。在这种情况下，工程上多 用增加管数以增加传热面积来解决。 螺旋槽强化传热管壁是利用竖管管壁表面的刻槽产生的液体表面应力平衡的改 变和流体在越过槽间边界时的流体交汇，使得液体在管表面得到最大程度的润湿以得 到外管壁上覆盖全表面的液膜。 2 3 凹凸变化壁面强化传热机理 强化传热的方法和理论层出不穷，从流动机理上讲，湍流换热强度远远大于层流， 这是由于湍流加强了流体的扰动和混合，增强了传热强度。利用复杂几何形状的传热 表面改变流动结构，引发二次流和方向流，使得流体产生扰动，也是基于同样的原理 提出并且广为采用的强化传热的有效方法。在介绍凹凸变化壁面的强化传热机理之 前，有必要先介绍一下普通壁面的强化传热手段。 2 3 1 平壁面强化传热的手段 冷凝器和蒸发器是重要的传热设备，它们的结构类型虽然很多，但是基本传热方 式大部分都是冷热两种流体被金属壁面隔开而进行相互传热，属于表面式传热设备。 根据热量传递机理1 2 1 】的不同，基本的热量传递方式分为三种，即热传导、热对流 和热辐射。传热设备的总传热系数k 为： 肚e 再1 = 倍 a 1 九 a 28 l 8 2 传热膜系 数才能够有效提高k ，而提高相对很大的膜系数对于k 几乎没有什么影响。据了解， 有相变化流体侧的传热膜系数一般的比无相变流体侧的传热膜系数大得多。 改善对流的措施有：提高流速；让流体横向冲刷传热表面；设法消除滞流区；增 强流体的扰动和混合；破坏层流边界层或者阻止层流底层的发展；改变传热表面的状 况等。传热的过程不同，采取的强化传热的方式也不同。 本实验强化传热过程的主要思路是使管壁面和板壁面上形成凹凸变化的壁面，促 进流体的流动。因为加大传热面积和提高平均温差都不是最佳途径，加大传热面积与 蒸发器的结构关系很大，如果只考虑增大传热面积势必会造成设备体积的庞大和成本 的增加；提高平均温差与流体进出口蒸发器的工况有关，从热力学来分析，若是选择 高温差必然会使得能耗大幅度的增加，因此这两种措施在工业实际上生产中都不是主 要的方法，因此一种理想的办法就是提高传热系数和增加一个凹凸变化的壁面，这样 使得边界层减薄，因为热阻主要来自边界层，所以边界层减薄了，就会降低边界层部 位的热阻。 据此，凹凸变化壁面能够强化传热的机理有以下几个方面： ( 1 ) 由于传热表面的凹凸周期性变化，使得流体总是处于规律性的扰动状态，使 得管内或者板片内，管外或者板外的流体的温度、密度、杂质含量沿径向均匀分布， 强化了传质和传热过程；当然也可以用流体流动方向的周期性的突然改变来解释凹凸 变化壁面的强化传热作用。最常用的有凹凸变化的通道和凹凸变化的壁面。流体沿流 动方向呈现凸( 波峰) 处流体速度低、静压增大，在凹( 波谷) 处流体速度增加、静 压减小的状态，流体的扰动是在反复改变速度及压力梯度下进行的，产生的漩涡冲刷 9 2 文献综述 着边界层，使得边界层破坏，并且延缓了污垢层的冲刷，提高了传热效果，强化了传 热性能；由于流体的运动惯性在凸弧侧发生分离后，流体就会产生涡旋；在凹弧侧发 生流体对壁面的正面冲击，能够使壁面边界层流体微团与主流区流体微团加强质量和 动量的交换和更替，所以在凸弧侧和凹弧侧都可以得到传热的强化。此外，由于周期 性的在传热壁面生成边界层，然后再使得边界层在随后形成的旋涡中消失。流体在曲 折的的壁面或者通道内的边界层得不到充分的发展，这样就可以利用边界层在起始段 厚度较薄，传热较强的特点来强化传热。传热热阻就会小的很多，变截面管传热系数 比光管的高得多，同理凹凸变化壁面的传热系数比起平板也高很多。流体在凹凸变化 壁面的流动是由沿凹槽流和和翻过波峰的脱体扰流组成的复杂的流动。凹凸变化壁面 能够使得流体在低雷诺数下由层流转变为湍流，从而使得传热增强。 ( 2 ) 增加流体的湍动程度，以减薄层流内层厚度，从而提高对流传热膜系数。首 先增加流体流速，流体的分为流速( 平均流速) ，即单位时间内流体质点在流动方向 上所流经的距离和质量流速，即单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。流量与 流速的关系：m 。一v i p u a o g a 。水及一般液体的流速为1 3 r i g s ，粘度较大的液 体的流速为0 5 - 1m s 。根据雷诺数的含义，对于同丁个物料，其密度和粘度几乎是既 定的，要想改变雷诺数，只有改变其流速。紊流一般相对“层流而言。一般用雷诺 数判定。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平 行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位， 流体呈紊流流动状态。改变表面的状况也能够增加流体的湍动程度，方法是通过对传 热壁面进行特殊处理，使得流体在流动中不断改变流速和流向。 ( 3 ) 凹凸变化壁面上由于存在表面张力效应而将凸处( 波峰) 两侧的凝结液膜拉薄， 导热热阻减小，使得传热强化；同时由于凹处( 波谷) 内的凝结液积聚增快，从而可 能使得凹处( 波谷) 液膜内流态容易变成湍流或者从传热面上脱离或飞溅并加快凝结 液排出。这些都会增强液膜内的扰动，提高凝结传热系数。另一侧冷却水在凹凸变化 壁面( 波纹通道内) 的流动也能够得到强化，因而凹凸变化壁面( 波纹壁面) 可提高 凝结过程的总体的传热系数。对于凹凸变化壁面的传热的过程，可以先将其简化为竖 壁问题，然后在考虑凹凸变化壁面对于强化传热的影响。 要补充的一点，试验的过程中应该注意传热表面材料的选用，理论上来讲，为降 低传热面导热热阻，应尽量选择导热系数大的金属材料作为传热面，并且在保证蒸发 器结构强度和腐蚀余量的前提下，尽量减小传热壁的厚度。实际上，大多数金属的导 热系数很大，薄壁金属传热面的导热热阻在总的传热热阻中所占比例很小，可以忽略 不计，所以在金属壁蒸发器换热的过程当中不必过多考虑材质对传热速率的影响。 2 4 降落液膜的流动和传热特性 随着高科技的发展，利用液膜的独特优点，解决高热流密度下的传热受到人们越来 越多的关注。要充分发挥液体薄膜强化传热传质的优势，一个至关重要的问题就是要 天津科技大学硕士学位论文 弄清其内在的流动过程和传热传质机理，维持薄膜流动稳定，使之均匀的润湿传热表 面；否则一旦液体薄膜发生破裂，传热表面出现干斑或干区，那样的话，就会引起各 种各样的严重的后果，诸如热敏性物料变味变质、非热敏性物料结焦、如果在传热管 中，很容易堵塞传热管，如果在传热表面，则会引起传热表面的温度急剧上升而过热 或烧毁。正是由于实际应用的重要性和迫切性，在液体薄膜流的水动力过程和传热传 质特性方面，近几十年来开展了大量的深入研究。 2 4 1 液膜的传热传质 - 陈亚平1 4 】指出：利用液膜进行传热传质已经成为动力、化工、制冷、轻工、食品 等工业中最重要的单元操作之一。随着高科技的发展，利用液膜的独特的特点解决高 热流密度下的传热也受到人们越来越多的关注。 师晋生【2 2 j 通过简化表面张力、蒸汽压力和液膜波动之问的关亲，用线性理论分析 了饱和液膜在等温竖壁上的流动稳定性，讨论了雷诺数、波数、壁面和液膜温差及流 体物性变化的影响。饱和液膜在下降过程中与竖直壁面存在热交换时，自由表面的波 动使各处的表面张力和蒸汽作用于液面上的压力发生变化，在液膜受热蒸发的情况 下，这种变化使液膜薄处更薄，厚处更厚，加快了扰动的增长，在液膜冷却而蒸汽凝 结的情况下，这种变化的作用相反，对扰动的增长起到阻滞的效果。b a n k o f f f 2 3 j ，u e i s a l 2 4 1 等人分别研究饱和下降液膜的稳定性、蒸发和冷凝的情况，但是都没有考虑到表面张 力因波动的变化。s p i n d l e r 冽针对饱和薄液膜传热的特点，用线性近似式表达液膜表 面张力、蒸发压力与波动之间的关系，探讨了这种情况下液膜稳定性的变化规律。杨 阳等人冽分析了降液膜高雷诺数区域传热系数随液膜长度的变化趋势，引出了临界长 度的概念。 。 “ 液膜的传热分为过冷液膜和饱和液膜的传热研究。对于过冷液膜，其表面蒸发速 度很低，由此引起的质量损失可以忽略不计，据此建立的模型和获得的传热特性关联 式( 经验公式) 可以满足实际应用的需要。目前，大多数传热研究集中于过冷液膜的传 热研究，在恒壁面热流密度条件下，蒋章焰等i 刎、g i m b u t i s 等【矧、s h m e r l e r 【2 9 】进行 了下降饱和液膜的研究。c h u ni 刈在壁面恒热流情况下，假定壁面上引入的全部热量 都用于界面上的蒸发，给出层流和紊流状态下的实验关联式，该关系式无论在恒热流 或者是恒壁温的加热条件下，同样应用得很好，而且层流范围内的关联式还包含了波 动影响，k u t a t e l a d z e 【3 1 1 ，h i r s h b u r g 3 2 1 给出了层流状态下的冷凝或蒸发液膜传热系数 的经验公式。f u j i t a 【3 3 】，m u d a w w a r1 3 4 给出了紊流状态下过冷和蒸发液膜传热系数的 经验公式。y t h 3 5 l 在v a nd r i e s t 模型的基础上，提出了改进模型，并考虑了界面切应 力的影响，其计算结果与实验数据符合较好。u 和t a o 3 6 1 对水平椭圆管外的传热进行 了理论分析和数值模拟。叶学民和阎维平等【3 7 3 叼对层流和紊流状态的波动液膜进行了 数值模拟，分析了波动液膜具有高传热特性的内在机理。总之，大多数的研究认为： 对于波动液膜的传热，由于表面波和孤立波内回流区的作用使得对流传热的影响加 2 文献综述 大，平均传热系数相对没有波动的情况增加约5 5 0 。由于影响液膜传热的因素较 多，包括过冷度、热流密度、流量和其他因素，对其认识也尚不统一。f l e t c h e r 等1 3 9 l 认为n u s s e l t 数随流量和热流密度的增加而增长，但是，c o n t i h o 发现n u s s e l t 数随流 量的变化不敏感，p a r k e n 纠4 1 l 发现随热流密度的变化不敏感。s c m a s 4 2 对p a r k e n 4 3 1 的实验数据( r e = 1 1 5 0 6 0 0 0 ) 重新进行了整理，得到了关联式。a r m b m s t ei 删对不同流 动条件下的管壁温度分布和测量手段进行了详细论述。h u 【