（化工过程机械专业论文）波纹管降膜蒸发器流动与传热性能数值研究.pdf

摘要 为了描述波纹管降膜蒸发过程中涉及的液膜流动与传热现象，进而准确的预测传 热效率，本文对波纹管降膜蒸发过程的局部微观流动、气液两相传热机理、宏观气液 分布进行了初步研究。 采用v o f 法建立了二维气液两相分层流动c f d 模型：提出影响液膜流动的两个 重要动量源项：表面张力动量源项和界面剪应力动量源项：根据模拟结果讨论了壁面 结构、液相物性等参数对液膜流动的影响。模拟结果显示，增强界面的波动( 采用波 纹壁面结构) ，能够有效的提高降膜传热效果。同时分析了近壁面液膜旋流的形成机 理，并且讨论了旋流对液膜流动及传热的影响。建立描述波纹管降膜蒸发过程的计算 传热模型。考虑了液相流量，传热温差，蒸发温度，液相粘度等参数对传热效果的影 响，根据模拟结果给出了波纹管降膜蒸发器的流量可操作范围，并且拟合了波纹管内 降膜蒸发传热分系数的数学计算式，提出了粘度修正系数，模拟结果和实验数据比较 吻合。 。 本文所建立的方法只需给定气、液相物性参数和壁面结构，即可较为准确的估算 波纹管降膜蒸发器的传热效率，对蒸发设备的结构优化设计以及工艺优化设计提供了 一种方法和途径。 关键词s 波纹管；降膜蒸发；液膜流动：计算流体力学( c f d ) ；传热性能 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，i no r d e rt od e s c r i b et h ec o r r u g a t e dt u b ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o np r o c e s s i n v o l v e di nm u l t i s c a l ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rp h e n o m e n a , t h e na c c u r a t ep r e d i e t i o nh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c y , w cp r e l i m i n a r ys t u d yo fs o i i i i 暑q u e s t i o n st h a ta i r et h el o c a lm i c r o f l o w , t h em e c h a n i s mo fg a s l i q u i da n dt h em a c r o s c o p i cg a s l i q u i dd i s t r i b u t i o ni nt h ec o r r u g a t e d t u b ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o np r o c e s s t l l i sp a p e r 惦ev o fm e t h o dt os e tu pat w o - d i m e m i o n a lg a s - l i q u i dt w o - p h a s e s t r a t i f i e df l o wi nc f dm o d e la n db r i n gf o r w a r dt w oi m p o r t a n tm o m e n t u ms o l l r t e r mt h a t a f f e c tt h ef l o wo fl i q u i df i l m ：s u r f a c et e m i o na n di n t e r f a c es h e a rs t i c s s , a e e o r d i n gt o s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ed i s c u s s e dt h ep a r a m e t e r ss u c ha 3t h ew a l ls t r u c t u r ea n dt h ep h y s i c a l p r o p e r t i e so fl i q u i d - p h a s ea f f e c tt h el i q u i df i l mf l o w s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o we n h a n c i n gt l a e i n t e r f a c ef l u c t u a t i o n s ( u s i n gc o r r u g a t e dw a l ls t r u c t u r e ) ，ne f f e c t i v e l ye n h a n c l et h ee f f e c to f f a l l i n gf i l mh e a tt r a n s f e r a tt h es a m et i m e ，a n a l y z i n gs w i r l l l e l l tt h ew a l ll i q u i df i l m f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，d i s c u s s i n gi n f l u e n c eo ft h es w i r lo nt h el i q u i df i l mf l o wa n dh e a t t r a n s f e r , s c tu pm u l t i s c a l ec o r r e l a t i o nc a l c u l a t i n gh e a tt r a n s f e rm o d e l c o m i d i n g t h el i q u i d f l o w , h e a ti z 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 ，e v a p o r a t i o nt e r a p e r a t t t r e ，l i q u i dv i s c o s i t ya n d o t h e rp a r a m e t e r so nt h eh e a tt r a m f e re f f e c t , a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t sg i v ea c o r r u g a t e d t u b ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o ro ft h e r e f e r e n c eo p e r a t i o nr a n g e ，f i t t i n g a m a t h e m a t i c a le a l e u l a t i o na n db r i n gf o r w a r dav i s c o s i t yc o r r e c t i o nf a c t o rt om a k es i m u l a t i o n r e s u l t sc l o s e rt oe x p e r i m e n t a ld a t a i nt h i sp a p e r , t h em e t h o dw i l lp r o b a b l yo n l ys e tu pw i t hg i v i n gg a s - l i q u i dp a r a m e t e r s a n dw a l ls t r u c t u r e ，t h e nm o l ea c c u r a t ee s t i m a t e st l a ec o r r u g a t e dt u b ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n o ft h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y s o ，p r o v i d e sam e t h o da n dl l l c a n st od e s i gs t r u c t u r a lo f e v a p o r a t i o ne q u i p m e n t , a n dp r o c e s so p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：w a v y w a l lt u b e ，f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n , f a l l i n gf i l mf l o w , c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y m m i e s ( c f d ) ，h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s 主要符号表 料液的定压比热 换热管直径 内能 动量源项 体积力 气液界面摩擦系数 单向流过与计算域相同直径管子时的摩擦系数 液相分布壁面因子 重力加速度 沿竖直方向流动的液相流量 气相进口 气相出口 降膜侧传热系数 无因次传热系数 蒸发在液膜表面进行的传热系数 汽液焓差 气相总传质单元高度 持液量 相界面 湍动动能 总传热系数 料液的导热系数 不锈钢的热导率 湍动强度 液膜 有效加热长度 气液两相 液相进口 液相出口 质量流量 法向量 压力 大气压 p r a n d t l 数 k j ( k g k ) m j n m 3 n m s 2 m 3 s w ( m 2 目 w ( m 2 目 j k g m m 3 m 3 n m w ( m 2 目 w ( m 2 目 w ( m 2 目 无因次 m k g s p a p a p r = c p uk q d e f r q 2 f g g瓯h矿h断k i k k k k 。l k k k k m n p 单位质量吸收的热量 通过壁面的平均热通量 液体雷诺数 蒸汽雷诺数 螺旋线丝径 能量源项 液膜表面量 降落液膜的平均温度 冷凝时间，由实验测得 液膜主流温度 蒸发管外部平均温度 料液在蒸发压力下的沸点温度 换热管的内壁平均温度 平均速度 液膜速度 二次蒸汽的流率 体积分率 自由表面振幅比 接触角， 平均液膜厚度 n u s s e l t 液膜厚度 湍流耗散率 相界面曲率 蒸发管内径 粘度 r n gk - e 模型中的有效粘度 液相粘度 二次蒸汽的动力粘度 液体运动粘度 密度 水蒸汽的密度 表面张力 气液界面剪应力 自由表面相位角 n m m n 括 p a s k g ( m s ) p 乱s ：次次 砖瑰啪碉稠m 耵 k s k k k k ； ；够 n n 一 积蜘蜘h。 q q k k s&t。r l k k u u v b y 6 矿 e k 入 p 胎h v p 虬o 巾 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、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的应用。 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，维持薄膜流动稳定。 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：以用各种高效异形强化元件取代普通传热元件，用凹凸变 化壁面代替平面等等。 液膜传热是强化传热的方法之一，对于管内液膜传热的管式蒸发器目前常用的 有升膜蒸发器和降膜蒸发器。降膜蒸发器是1 9 世纪末发展起来的一种高效蒸发器， 它具有以下特点：( 1 ) 壁面对液膜的传热强度高；( 2 ) 料液在换热表面上的停留时间 短，能防止产品的热分解，适合于加工热敏性物料；( 3 ) 其最佳工作条件是在低温 差工况下，这样不仅可以减少热敏性物料的分解或烧焦的危险，而且可利用生产上 最廉价的载热体( 低压废气、热水等) 作为热源，另外还适合与热泵配套使用组成封 闭系统，循环利用热能，提高能源的利用率；( 4 ) 降膜蒸发设备的液膜流量易于调 整，操作稳定可靠，易于实现自动化控制过程。因此降膜蒸发器早已广泛地应用于 化工、轻工、食品、制药、海水淡化及污水处理等行业。 波纹管降膜蒸发器是近年来发展起来的又一新型降膜蒸发设备，它是将波纹管 作为加热管应用到降膜蒸发器中。在波纹管降膜蒸发器中，流体液膜沿着管内连续 交替的周期变化曲面向下流动的过程中，连续不断地改变压力和流速，导致湍动的 产生和液膜边界层的减薄，从而强化传热。因波纹壁面对流体流动和传热的影响， 为波纹管降膜蒸发器的研究带来一定的复杂性。 本文在理论研究及实验的基础上，建立了波纹管内二维降膜流动及传热模型， 采用v o f 法建立了二维气液两相c f d 模型；提出影响液膜流动的两个重要动量源 项：表面张力动量源项和界面剪应力动量源项；根据模拟结果讨论了壁面结构、液 相物性等参数对液膜流动的影响。模拟结果显示，增强界面的波动( 采用波纹壁面结 1 前言 构) ，能够有效的提高降膜传热效果。同时分析了近壁面液膜旋流的形成机理，并且 讨论了旋流对液膜流动及传热的影响。建立描述波纹管降膜蒸发过程的多尺度关联 计算传热模型。考虑了液相流量，传热温差，蒸发温度，液相粘度等参数对传热效 果的影响，根据模拟结果给出了一定粘度波纹管降膜蒸发器的流量参考操作区间， 并且拟合了波纹管内降膜蒸发传热分系数的数学计算式，提出了粘度修正系数，使 模拟结果更接近实验数据。 2 天津科技大学硕士学位论文 2 文献综述 2 1 降膜蒸发器及其特点 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的到广泛 发展。对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【l 圳，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的到经验或半经验的实验关联式【】；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 1 0 - 1 4 l ，提高降膜蒸发器的传热系数，研究高效的降膜蒸发器。 降膜蒸发是溶液在重力、离心力、界面剪力的作用下，沿加热管内壁呈膜状向 下流动，同时由于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。 降膜蒸发是溶液在重力、离心力、界面剪切力的作用下，沿蒸发管壁呈膜状向 下流动，在下降过程中被加热蒸发。与其他蒸发器相比，降膜蒸发器有以下特点： x 5 , 1 6 1 ( 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，在蒸发管内停留时间很短( 几秒至十几秒) 【1 7 1 ，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，二次蒸气 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 ) 蒸发过程不易 结垢：( 6 ) 降膜蒸发器适宜蒸发粘度较大的物料，但不适于处理易结晶、结垢和粘 度很大的溶液，发生上述情况将破坏溶液在管壁成膜，从而使传热效率降低；f 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。 由于降膜蒸发器具有独特特点，降膜蒸发器越来越广泛的应用于化工、轻工、 化纤、食品加工、海水淡化、医药、污水处理及原子能等工业部门，是目前广泛使 用的高效蒸发设备【1 8 】。在尿素工业的气提和高压甲胺冷凝、氯碱工业中的盐酸制备、 苯乙烯的生产、果糖的浓缩、表面活性剂生产中十二烷基苯的磺化反应、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 9 2 1 1 。在蒸发过程中，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腾器( 捌。目前，国内应用的降 膜蒸发器在处理量、蒸发效率及能耗等方面与国外相比，尚有一定差距，应用领域 也有待进一步扩大，主要原因之一在于降膜蒸发传热的研究还很不充分，因而制约 3 2 文献综述 了降膜蒸发器更广泛的应用。 2 2 降膜蒸发器研究概况 2 2 1 理论研究 对降膜蒸发传热理论研究最早的是n u s s c l t 提出来的，早在1 9 1 6 年就对光滑层 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，通过建立降膜动量 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，该模型得到的膜厚与n u s s e l t 相比，膜厚有所下降【矧。 d k u l e r 对湍流下降液膜进行了理论研究。他将满管流边界层的湍流模型引用到 降膜蒸发液流中，对y + 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和能量方程，在不考虑界面波 影响的情况下计入二次蒸汽对流动与传热的影响，但是其理论预测值在热通量较小、 二次蒸汽速度不大时比实验值高4 6 。 表二1 几种不同条件下垂直管内降膜蒸发传热系数关联式 t a b l e 2 - 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 l k 妤e r c o e f f i c i e n t 在众多模型中，m u r t h y 和s a r m a 2 4 2 5 】的模型假定湍流p r 数等于1 ，认为气液界 面间无阻尼。该模型最大的优点是以显式形式表示了传热分系数，但是没有考虑汽 液相界面间剪应力。 m i l l s 和c h u a n g 采用等膜厚模型，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 u e 和s n a 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 间的剪应力，该模型与c h u n 和s e b a n 的实验数据相当吻合，但是该模型仍然有缺 4 天津科技大学硕士学位论文 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值。 o c s a n d a l l 硐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，该模型与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 。 i a m u d a w w a r 和m a e i m a s r i 2 7 1 在近壁区选用v a n d r i e s t 模型，液膜的主体区 域的涡流粘度分布选用u e d a 的实验测定结果，构造了统一的f 。v 表达式，该模型 在湍流程度较小的时候，与实验结果的吻合程度较好，但是当湍流程度较大时，理 论值与实际偏差比较大，而且没有考虑二次蒸汽剪应力。 s e b a n 应用修正的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p r = - 5 7 时与实验数据差别较大。 表2 - 2 降膜蒸发传热理论预测的涡流模型 t a b l e2 - 2t h ev o r t e xm o d e l so ft h ef a l l i n g 伺【n 豫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 作者涡流模型与试验数据比较 s l e i c h e r 涡流扩散系数模型 近避区用s l c i c h e r 模型 界面区选用v o n - k a r m a n 模型 近避区用修正的v a n d r i e s t 模型 界面区选用c h u n g 气体吸收涡流 扩散系数 近避区用s l e i c h e r 模型 界面区选用r e i c h a r d t 模型 与d o m a n s k i i 等模型相同 用n i k u r a d e 混合长修正v a n d r i e s t 模型 y i h 对y 6 0 6 ，用i a m b e r g 提出的 修正v a n d r i e s t 模型，对y 6 0 6 ，与s e b a n 相同 h + 与他们自己的实验数据符合较 好，但较其他作者的数据高 h + 与w 砒c 、c h u n 和s e b a n 实验 值相差1 5 所计算蒸发段长比现场数据短 2 0 h + 比c h u n 和s e b a n 低 h + 与d u l d e r 的数据相符，在p r = - 5 时，h + 比c h u n 和s e b a n 数据高 h + 比d o m a n s k i i 预测小0 7 倍，但 与试验数据符合较好 h + 与他们自己的数据符合较好， 在p r = 1 7 5 时，低于s e b a n 的数据 h + 与c h u n 的数据在p r = 5 1 与5 7 时符合较好，但在p r = - 2 9 与1 7 7 时略高 栾善东等人研究了二次蒸汽对湍流下降液膜传热性能的影响，对于y + 6 + 0 6 ，采用y i h 等人修正的湍流模型，y + 6 + 1 0 6 ，采用降液膜传质结果推导得到的 湍流模型，同时采用了y i h 2 8 1 等人修正得到的适于液膜表面存在剪切作用时的湍流 5 一 曲 一 2 文献综述 普兰特数p r 。该模型较好的预测了实验结果。 在近二十多年湍流液膜传递方程研究和求解中，首先在圆管中引进的v a n d r i e s t 的。艉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场函数， 使混合场在壁面处等于零。但应该指出，这一模型仅适用于壁面区，对自由表面的 涡流情况不给出任何信息。近年来有关湍流降膜传递的模拟主要集中在液膜中间区 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 降膜蒸发数据发表后，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 m s 等 2 9 - 3 1 】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区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大，没有明确的结论。有关降膜蒸发其它的涡流模型详见 表2 2 。 2 2 2 实验研究 关于液膜的流动，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，由于自由面的存在，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【3 3 1 。而区分流型的一般参数仍然是雷诺数r e x , ： 。r e 工。一p 6 u ( 2 - 1 ) 其中的特征尺寸是液膜厚度6 ，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，在液膜中除了垂直运动外，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 l = 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 性底层一。 对于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 、r u j i t a 和u e d a 、赵起、邓鸿等。比较 有影响的实验关联式是c h u n 和s e b a n 得出的关联式。 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 6 天津科技大学硕士学位论文 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 + = o 8 2 1 r e l - 0 2 2 r e l 3 2 0 0 ( 2 - 2 ) 湍流h + = 3 8 1 0 - 3 r e l 0 4 p r 0 6 5 r e l 3 2 0 0( 2 - 3 ) 以上二式是在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 安装有烧结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 由2 8 6 o i m m ，有效加热段长2 9 2 m m ，热通量的范围为8 - 2 9 k w m 2 ，进口液膜雷 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 ，实验中无泡核沸腾发生， 考虑了汽液界面波动的影响。 由于此关联式是在蒸发量, l l d , 的情况下得到的，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，由于此关联式未能考虑二次蒸 汽的影响，所以在r e l 很大时，计算值比实验值低。 f u j i t aa n du d e a 等人也曾进行了电加热不锈钢管外降膜蒸发传热实验，在进口 段安装了7 0 m 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 管外壁环向均匀流下。其管径为1 6 x 0 9 3 r a m ，管长分别为0 6 m 和l 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 + = 0 9 r e l - 0 2 2 r e t 3 2 0 0 ( 2 - 5 ) 其关联结果比c h u n 和s e b a n 的关联高1 0 。第六次国际传热会议认为c h u na n d s e b a n 的关联式较为准确，以上二式都是管外降膜蒸发的实验结果，没有计入二次 蒸汽流动对液膜的影响。 赵起等人【3 2 】注意到前人的实验研究中均为小型设备上的管外降膜蒸发或者试 验段较小的管内降膜蒸发，如c h u n 和s e b a n 的实验关联式便是小型设备上的管外 降膜蒸发实验结果，没有计入二次蒸汽的影响，而且针对工业上实际应用的管子较 长的管内降膜蒸发的实验研究很少。于是，他们对长达4 m 的垂直管内降膜蒸发的 传热特性进行了实验研究，研究发现二次蒸汽对垂直管内降膜蒸发传热系数有明显 影响，同时得到了湍流时的传热系数实验关联式： h + 2 1 7 x i 0 - 3xr e r 。瑚xr e c 。1 7 p r 。3 3 ( 丝) 。3 6 ( 与2 蜥仇 ( 2 6 ) 针对二次蒸汽对传热性能的影响，栾善东、孙平等人对垂直管内引入载气对传 热性能的影响进行了实验研究【蚓。孙平对垂直管内引入饱和蒸汽的湍流降膜蒸发传 热进行了实验研究，研究表明：管内引入饱和蒸汽后，可以在不提高液膜传热温差 的情况下，提高传热系数1 2 一1 5 ，并且建立了相应的实验关联式： h + 2 4 6 21 0 - 3 r e ，晒_ c - ，吻p r x 3 h 24 6 2 x 1 0 - 3x ( 2 7 ) +- ，”r c - ，“( 2 7 ) 栾善东向垂直管内引入惰性气体，实验研究表明，引入惰性载气后，可以有效 7 2 文献综述 地强化降膜蒸发传热，降低过热度，提高传热膜系数。 d a m m a n 在热通量小于1 4 0 k w l m 2 的条件下，研究了垂直和倾斜平板上水的降膜 传热，得出努赛尔准数的经验关联式： n u - 1 2 1 0 - 3r e 工嘴p 毪咖斧砰笛 ( 2 8 ) 有效范围：2 0 r e 工r r e v c ) ( 2 1 0 ) 但是，在q , 6 0 k w m 2 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 腾产生的结果。 。 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，但是其 影响机理和相关数字模型还有待研究。其它的实验条件及关联式见表2 - 1 ，此处不 再赘述。 2 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。从传热系数计算式可知： 三土+ 鱼+ 足+ 三+ 足l 一一卜一o o 一o 尺 口o a 。 q u ( 2 1 1 ) 式中：去啭热热阻，k 总传热系数，w ( m z 均； a 二管外侧蒸汽冷凝的热阻，一般较小。口0 为蒸汽的冷凝对流传热 口o 系数，w ( m z 目； 8 天津科技大学硕士学位论文 善加热管壁热阻，b 为蒸发管壁厚，a 为管壁材料的导热系数， w ( m 2 k ) ； r 管内液体侧垢层热阻，( m 乙k ) w ： 1 三管内液体对流换热的热阻，为对流换热系数，w i ( m z 目； 口l r 管外侧垢层热阻，( m 2 k ) w 。 加热管壁热阻与管子的材料和壁厚有关，一般管壁热阻较小，因而对总传热系 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中 加入微量的除垢剂，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 体对流传热系数及减轻结垢是提高总传热系数的主要的途径。 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： ( 1 ) 加热管内壁与液膜之间的温差： ( 2 ) 液膜的蒸发温度； ( 3 ) 进液速度： ( 4 ) 热通量； ( 5 ) 进液温度； ( 6 ) 液体特性： 仂液体分布器的形状、特征尺寸、安装位置等； ( 8 ) 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 果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，也会出现类似的现 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，并且润湿整根管子长度上分布均匀。为达到均匀布膜的目的，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壁形成液膜。布膜 器的结构一般可分为溢流型、插头型、多层筛板型等。插头型分布器可在单根管子 内壁形成均匀的液膜，但流动阻力大，易堵管，安装检修不便，故适于处理清洁物 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壁均匀布膜，不能保证在所有管子上分配均匀， 尤其当管数很多时会因为大直径管板上的液位差而破坏液体分布的均匀性。因此， 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，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料，所以管板直径的大小对于分 9 2 文献综述 布效果的影响不明显，对于大型降膜蒸发器此种分布器取得了很好的效果。 2 3 强化传热方法及研究发展 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、扩展表面 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。 传热强化是上世纪六十年代蓬勃发展起来的一种改善传热性能的先进技术，它 的任务是促进和适应高热流【3 5 1 ，以达到用最经济的设备来传输特定的热量，用最有 效的冷却来保护高温部件的安全运行以及用最高效率来实现能源的有效利用【矧。正 因为如此，传热强化在工业生产中有着十分广泛的应用，起着重大的有时甚至是关键 性的作用，它已成为现代传热科学中一个十分引人注目的研究领域 3 7 , 3 8 。 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【3 9 1 。 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间内，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 4 0 , 4 1 】： ( 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。 2 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【4 2 】。有功强化 传热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。两种传热技术与光管对比结果 见表2 3 ，表中给出强化传热提高传热系数的倍数。 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，技术实施上也比较简单，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。 本文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。 1 0 天津科技大学硕士学位论文 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，主要有滚压成型的波纹管， 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【4 3 朋l 。 表2 - 3 部分强化传热管与光管传热性能的比较 t a b l e2 - 3c 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 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【4 5 l ：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。 2 文献综述 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 如波纹管换热器，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、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。 2 3 2 竖管降膜蒸发强化传热方法 目前对降膜蒸发器的研究主要集中在水平管降膜蒸发和各种强化板式降膜蒸发 传热元件。在实际应用中为了节约能源，把热泵用于多效蒸发系统中也是人们关注 的问题。竖管降膜蒸发强化传热的研究，主要有： 在垂直加热管内引入饱和蒸汽用于湍流降膜蒸发【蛔。引入蒸汽造成管内液膜湍 动加剧，在不提高液膜传热温差的情况下，传热系数提高1 2 1 5 ，液膜厚度降低 了1 0 - , 2 0 ，并且传热温差越小效果越明显，所以有利于热敏性物料的浓缩。但是 在传热系数提高2 5 时引入蒸汽量时蒸发管产生二次蒸汽量的三倍，使原先二次蒸 汽出口雷诺数由9 7 0 0 升高至2 9 8 0 0 时得到的。 进料方式采用切向分配器1 4 7 1 ，使液膜沿管壁旋转流动，一方面容易使液膜均匀， 另一方面旋转液膜由于受到离心力的作用，不易发生液泛和液体夹带，并且传热系 数比使用径向分配器时明显提高。此种方法的缺点是液膜的漩流会沿管长很快衰减 i 删，因此，较短的传热管效果较好，管子的长径比不宜超过6 0 。 降膜蒸发器的蒸发管采用双面纵槽管i 捌，其断面为锯齿形。溶液经管子入口分 配器后成膜状沿槽面流下，下流的溶液趋向于流向槽谷。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， 使槽峰可以继续起沸腾面的作用而不至于“蒸干一，而槽谷却能使沿管面流下的液膜 均匀分布，液膜很薄、从而提高了传热速率。但蒸汽冷凝侧槽谷处冷凝液膜会较槽 峰处厚，热阻也较大。 波纹管降膜蒸发器是近年来在降膜蒸发器强化传热方面的又一创新，它是将波 纹管作为加热管应用到降膜蒸发器中。在波纹管降膜蒸发器中，流体液膜在沿着连 续交替的曲线波纹向下流动的过程中，连续不断地改变压力和流速，导致湍动的产 生和液膜边界层的减薄，从而强化传热。因波纹壁面对流体流动和传热的影响，为 波纹管降膜蒸发器的研究带来一定的复杂性。姜世楠等通过对波纹管降膜蒸发器的 理论研究得出其传热分系数理论模型为刚： n k 硒面莲等鲁两面 式中： 修正系数：k ；1 4 5 0 1 c 1 = 1 2 0 5 天津科技大学硕士学位论文 c 2 = - 7 2 3 + 1 5 2 1 0 4 r c c 3 = 2 2 7 4 5 8 1 0 4 r e 1 + 1 1 4 1 0 3 r e _ 2 b 1 - 2 8 7 5 1 0 7 l ( a 1 2 r e ( 1 州 n = 6 9 5 1 0 2v1 尼 p = 3 7 7 8 q - - 1 9 0 从上式可以看出，波纹管降膜蒸发器的液膜传热分系数为普通竖管降膜蒸发器 传热分系数的1 4 倍左右。传热的强化方法虽很多，但在强化传热的过程中，不是 增加了设备的费用、增加了设备加工过程的复杂性，就是不宜于实际应用，波纹加 热管在强化传热的过程中可以克服以上的不足，是一种应用方便、经济的强化传热 的方法，但将其应用于降膜蒸发器中还鲜见报道。 2 3 3 波纹管降膜蒸发器的研究 波纹管换热器是近年来发展起来的一种新型、高效换热设备，它是在传统的列 管式换热器的基础上，应用强化传热理论对传统的各类换热器的一个重大突破，它 继承了列管式换热器坚固、耐用、安全、可靠等优点，同时又克服了列管式换热器 能力差、易结垢、清洗费用高等缺点，现己开始用于油田生产和化工工业中【5 1 捌。 通过生产中的实际应用发现，波纹管换热器具有