（环境工程专业论文）水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究.pdf

水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究 捅要 本文从理论上探求小流量液体在水平螺旋槽管外壁面形成覆盖全表面的液膜 和增强传热的机理，为海水湿法脱硫和管式高效传热传质元件的工程应用奠定理 论和技术基础，对降低排污指标以改善微型燃烧器燃烧过程等方面也有重要的指 导意义。本文利用流体力学的基本原理，同时考虑薄液膜的表面张力和重力的影 响，建立了小流量液体在水平螺旋槽管外壁面形成降液膜的流动和强化传热的数 学模型，得到了流动速度和液膜厚度的解析解，进而分析了在蒸发、冷凝时槽道 表面几何形状对液膜厚度分布的影响以及多头螺旋槽管发生流体掺混时的液膜厚 度分布。据此设计槽道几何形状，使得液体在管表面得到最大程度的润湿，以形 成有效的强化传热液膜分布。此外，对壁面液膜分布所导致的传热强化及其原因 也进行了理论分析。研究表明，流体液膜在沿螺旋槽向下流动的过程中，在槽道 边缘附近液膜厚度较薄，而在槽道谷底附近液膜厚度较厚；槽道表面几何形状对 液膜厚度的影响非常明显，在浅槽范围内，槽道越深，开槽数目越多，则强化传 热效果就越好；冷凝时的液膜厚度分布特别均匀，变化幅度也不大；多头螺旋槽 管和单头螺旋槽管相比，由于相邻槽道间流体的相互掺混，液膜厚度分布更薄更 均匀；液膜的平均努谢尔特数沿着槽道螺旋线的法向横截面方向的分布情况完全 是由液膜的流动和传热特性所决定的。课题的研究成果已应用于微型燃烧器的油 膜燃烧并进行了设计和试验研究，结果不仅提高了燃烧效率，而且改善了燃烧器 的各项排污指标，达到了节能环保的要求。 关键词：水平螺旋槽管；传热特性；降液膜；液膜厚度分布 as t u d yo nh e a t 。t r a n s f e rp r o p e r t i e so ff a ii i n gl i q u i d f ii mo nt h es u r f a c eo fah o ri z o n t a ls p ir a | i yf i u t e dt u b e a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st od e v e l o pat h e o r e t i c a lm e t h o do fi n v e s t i g a t i n g h e a t t r a n s f e rp r o p e r t i e so ff a l l i n gl i q u i df i l mo nt h es u r f a c eo fah o r i z o n t a ls p i r a l l y f l u t e dt u b e t h en u m e r i c a lm o d e lo fp u r ef l u i di se s t a b l i s h e du s i n gn a v i e r - s t o c k s e q u a t i o n sf o rl o wr e y n o l d sn u m b e rw i t hc o n s i d e r a t i o n so ft h es u r f a c e - t e n s i o ne f f e c t s a n dt h ea c t i o no fg r a v i t y a n a l y t i c a ls o l u t i o n so fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dl i q u i df i l m t h i c k n e s sa r eo b t a i n e di nt h ec a s eo fe v a p o r a t i o na n dc o n d e n s a t i o n t h ei n f l u e n c eo ft h e s u r f a c eg e o m e t r yo ft h ef l u t e dt u b eo nt h ef i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni sd i s c u s s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e f i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni sm a i n l ya f f e c t e db yt h es u r f a c e g e o m e t r yo ft h ef l u t e dt u b e ，w h i c hh a sac r u c i a li n f l u e n c eu p o nt h es u r f a c et e n s i o no f t h el i q u i d t h u st h ef l u i dt e n d st of l o wd o w nt h ec r e s tr e g i o na n da c c u m u l a t e si nt h e t r o u g hr e g i o n t h el o w e ro ft h ed e p t hc h a n n e l ，t h em o r eu n i f o r mt h ef i l mi s c o n d e n s a t i o na n de v a p o r a t i o no nt h el i q u i ds u r f a c ec q n 垴b u t et oi m p r o v i n gam o r e u n i f o r md i s t r i b u t i o n t h e r e f o r e ，t h e r ec o m e sas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti nh e a tt r a n s f e r , c o m p a r e dw i mt h ec l a s s i c a ls m o o t ht u b e m o r e o v e r , t h ec o n d i t i o n sf o ram u l t i - t i m e d h e l i c a lt u b em u s tb es a t i s f i e da r ea n a l y z e da n dt h ef i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni s i n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a tt h em u l t i f l u t e dh e l i c a lt u b ec a l lp r o “d eas u i t a b l e g e o m e t r i cs l o p es u r f a c e ，w h i c ha l l o w st h ef l u i df l o wn o to n l yt om o v ea l o n gt h eh e l i c a l c h a n n e lb u ta l s ot oc r o s st h eb o u n d a r yo ft h ec h a n n e la n dm e r g ei n t ot h ef l u i df l o wi n t h en e x tc h a n n e l c o n s e q u e n t l y , t h ef i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni sm o r eu n i f o r mi nt h e m u l t i - f l u t e dh e l i c a lt u b ew h e nc o m p a r e dw i t ht h es i n g l e - f l u t e dt u b e h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t si nt h ec a s eo fc o n s t a n tt e r n p c r a t u r ea n dc h a n g e a b l et e m p e r a t u r ea r e a u g m e n t e da n da v e r a g en u s s e l ti so b t a i n e d i t i ss h o w nt h a tt h ed i s t r i b u t i o ni s d e t e r m i n e db yn o t o n l y t h ef l u i df l o wb u ta l s oh e a t - t r a n s f e r p r o p e r t i e s t h e n u n d e r s t a n d i n g t ot h ef o r m a t i o no ft h ef a l l i n gf i l mo i lt h es u r f a c eo fah o r i z o n t a ls p i r a l l y f l u t e dt u b ei sc o n d u c i v et ot h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o ni nm i c r o c o m b u s t o r s k e yw o r d s ：h o t iz o n t a is p ir a ii y f iu t e dt u b e ：h e a t t r a n s f e rp r o p e r t i e s ： f a lii n gii q u i df ii m ：f ii mt h i e k n e s sd i s t ri b u t i o n i i 水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究 1 前言 1 1 研究的背景和意义 热量交换和质量交换是工业生产中的常见现象，在化工、环保、制冷等多个 领域得到广泛应用，例如在火电厂烟气脱硫常用的湿法脱硫系统中，烟气升温、 降温换热器是必不可少的换热设备。提高换热设备或吸收设备的效率，无论从相 关工业本身的发展还是从能源的开发、利用和节约来看，都是十分紧迫和重要的 课题。 流动的液体层在较低流速时有相对较高的能量和质量交换潜能，所以目前采 用的换热器( 蓄热式和热管式换热器) 多利用小流量液体在管壁面上形成液膜实 现热量和质量的交换，以强化吸收器的传热、传质性能。然而，由于表面张力的 作用、液体的润湿特性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，不仅影响传质过程，而 且会造成局部烧蚀。在这种情况下，工程上多用增加管数以增加换热面积来解决， 但这同时又增加了设备的体积、重量和成本，因此并不是挖掘设备换热潜力的有 效途径。如何在外管壁形成覆盖全表面的液膜成为研究者关注的焦点，但这方面 的研究主要通过实验进行，理论上尚无突破性进展。因此，从理论上探求外管壁 形成覆盖全表面的液膜和增强传热的机理，为管式高效传热传质元件的工程应用 提供理论和技术基础，是一项十分重要而紧迫的课题。 1 2 提高换热效率的主要途径和强化对流换热的手段 1 2 1 提高换热设备换热效率的主要途径 冷凝器和蒸发器是重要的换热设备，它们的结构类型虽然很多，但基本传热 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，属于表面式换热 设备。 水平螺旋槽管壁血降液膜传热特性的研究 根据热量传递机理“3 的不同，基本的热传递方式分为三种 流和热辐射。表面式换热设备的基本传热公式为 q = k a - a t 式中： 即热传导、热对 肛丁百 丌2 考 “也 盘1 五o r 2 占1 5 2 这里，k 为平壁的传热系数，w ( m ) 。一般地说，和口：为平壁两侧的 复合换热系数，w ( m ) ；s 。和占：为平壁两侧的污垢系数，w ( m ) ；r x 为 单位面积的传热热阻，盯 c w ；a 为平壁的传热面积，m 2 ；q 为通过平壁的传 热热流量( 简称传热量) ，w 。 由传热公式( 1 - 1 ) 可知，理论上强化传热的途径主要有三条：一是增大传热 系数足；二是加大平均温差f ；三是增加传热面积矗，即采用高效能传热面。提 高传热温差往往受到工艺和设备条件的限制，一般不太容易实现。所以，热交换 研究的最根本问题是创立高性能传热面和提高传热系数，即以最小的传热面和最 小的传热温差传递最大的热量。 提高传热系数置是增强传热的积极措旋。由公式( 1 - 2 ) 可知，提高传热系数 k ，也就是降低单位面积的传热热阻k 。可以看出，影响传热系数世的因素为平 壁两侧的复合换热系数q 和奶、平壁两侧的污垢系数与和毛以及换热面导热热 阻导。因此，适当地增大吼和口：中较小的复合换热系数值；避免或减轻污垢积 聚；选用导热性能良好的材料作传热壁面并尽量减薄其厚度。另外，换热器结构 的变化以及换热模式的变化都可以有效地提高传热系数足值。 换热设备如何以更小的体积、更少的材料消耗获得更高的换热效率，一直是 研究者和制造者的追求目标。传统换热设备的研究主要集中在两个方面，是开 发新的换热器种类。如板式、螺旋板式和振动盘管式等紧凑式换热器：二是对传 统的壳管式换热器采用强化措藏，以用各种赢效异型强化管取代光滑管。 2 水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究 因为壳管式换热器具有结构坚固、可靠性高、适应性强、用才范围广等优点 而被广泛应用，所以在该领域的研究较多。高效异型强化管不仅包含传热面积的 扩大，还包括传热面上流动特性的改善。在这方面，工业上主要采取的措施有： 合理布置受热面，采用粗糙表面或带肋面，采用板型传热面、异形管、多孔表面 或表面涂层等。除此之外，可用特殊工具将壁面滚压出各种坑洼或开槽，表面缠 绕，镶嵌或表面涂敷处理等方法制造出粗糙表面，这种人为地增大传热表面的粗 糙度是增强传热的简单而有效的办法。近几年，我国研制出螺旋槽管、螺纹管、 横纹管、锯齿形翅片管、微肋管、表面多孔管、t 管以及整体插入金属带扰流子、 管内插入交叉锯齿形带等形式的强化传热元件。这些方法不仅增大传热面积，而 且换热表面粗糙化，使形成的液膜更加均匀，同时有的还能产生旋转流和环流， 从而强化传热的效果更为显著。 1 2 2 强化对流换热的手段 最近二三十年以来，国内外对强化对流换热的手段开展了广泛的研究”，目 前已开发出来的强化手段可大致分为无源技术( 又称被动式技术) 及有源技术( 又 称主动式技术) 两大类“6 1 。所谓强化传热的无源技术，是指除了输送传热介质的 功率消耗外不再需要附加动力的技术；而强化传热的有源技术则是需要采用外加 的动力( 机械力，电磁力等) 的技术。 无源技术包括以下一些手段：( 1 ) 涂层表面。例如在沸腾换热表面上涂以细 小的多孔层以强化沸腾，在冷凝面上涂以非湿润物质以形成珠状凝结等。( 2 ) 粗 糙表面。对于单相介质流动而言，粗糙表面可以促进边界层中流体的混合；对于 沸腾换热，粗糙表面的作用在于增加汽化核心。( 3 ) 扩展表面。这是工程技术中 广泛用来强化对流换热的措施，它既有增加换热面积的作用( 如各种环肋管) ，也 可能使表面传热系数增加，如紧凑式换热器及机车车辆散热器中广泛采用的各类 整体式翘片。( 4 ) 扰流元件。这是一些插入管内以加强流体中的扰动和混合的附 件。例如，紧贴于管壁四周的螺旋线常用于强化高粘性流体的换热。( 5 ) 涡流发 生器。这也是用以插入管内使流体产生旋转流动及二次流的一些元件。( 6 ) 螺旋 水平螺旋槽管壁向降被膜传热特性的研究 管。工程上为强化传热或因工艺的需要常常采用螺旋管。( 7 ) 添加物。这是指在 换热介质中掺混入少量异种物质的小颗粒以强化换热的方法。试验证明，在气流 中悬浮固体颗粒能明显地强化传热，流化床换热器就是应用这种手段来强化换热 的一个例子。( 8 ) 冲击射流换热。 有源强化技术包括：( 1 ) 对换热介质作机械搅拌；( 2 ) 使换热表面振动；( 3 ) 使换热流体振动；( 4 ) 将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；( 5 ) 将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。不少有源强化技术 目前还主要处于实验室研究阶段，其应用范围不如无源强化技术那样广泛。 1 2 3 液体在管壁上的两种凝结形式 蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾均为伴随有相变的对流换热，凝结与沸腾换热 广泛应用于各式冷凝器和蒸发器中，如电站中的冷凝器和锅炉、制冷机中制冷剂 的冷凝器和蒸发器。本文研究的水平螺旋槽管壁面上形成的降液膜冷凝时的情况 实际上是由膜状凝结所产生的。传热管水平定位，个效高度较低，蒸发器可垂直 叠置，节省了空间和建造费用，降低了制造成本，工业上有着广泛的应用。 蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时存在两种凝结形式：膜状凝结和珠状凝 结。如果凝结液体能很好地润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结形式称 为膜状凝结。凝结放出的潜热必须穿过液膜，因此，膜状凝结时，液膜层的导热 热阻就成为换热过程的主要热阻。对于膜状凝结的冷凝器，进行强化传热的基本 原则主要是通过翅片的作用，减薄或消除冷凝液膜、疏导液膜离开壁面、减小凝 结换热的热阻、降低温度损失等，这些措施最终是使凝结过程更趋于理想化，以 达到改善和提高凝结换热的性能。而当凝结液体不能很好润湿壁面时，在非水平 的壁面上，受重力作用，液珠长大至一定尺寸时就沿壁面滚下，这种凝结形式称 为珠状凝结，它是自本世纪3 0 年代才发现的传热现象。在珠状凝结时，蒸汽与冷 却壁面之间没有液膜的隔阻，热阻大为减小，换热系数可达膜状凝结时的5 到1 0 倍以上。液体在固体表面上形成液滴的必要条件是固体表面应具有较低的表面自 由能。金属及其氧化物为高能表面，所以在金属表面形成一层低能表面是使水蒸 水平螺旋槽管肇面降液膜传热特性的研究 汽实现珠状凝结的关键。为达到此目的，研究者们发现了许多改良措施，但这其 中，或者因为维持水蒸汽珠状冷凝的寿命较短，或者存在对蒸汽及冷凝液的污染、 腐蚀，或者由于价格昂贵、实验室重视性差而未能在工业设备上应用。因此鉴于 实际工业应用上都只能实现膜状凝结，从设计的观点出发，为保证凝结效果，凝 结器的设计计算通常建立在膜状凝结的假设基础之上。所以，传热强化技术主要 集中在尽量迅速排走停留在管外表面的冷凝液，以减少其厚度，降低热阻。 强化膜状凝结换热的基本原则是尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度，实 现的方法包括用各种带尖锋的表面使其上冷凝的液膜减薄，以及使已凝结的液体 尽快从换热表面上排泄掉。对于水平管外凝结，已经开发出两种有效方法。一种 方法是使液膜在下流过程中分段排泄或采用其他加速排泄的方法。另种是采用 低肋管或各种类型锯齿管等高效冷凝表面，利用冷凝液的表面张力使肋顶或沟槽 背的凝结液膜拉薄，从而增强换热。如果以制造强化传热管的坯管( 光管) 面积 作为计算面积，则低肋管表面的凝结换热系数可达光管的2 4 倍。 自n u s s e l t t ”率先提出了层流膜状凝结的理论分析后，各国专家从理论及实验 两方面对膜状冷凝进行了各种研究。但由于各种原因现在主要还是通过开发强化 传热表面来生成薄而均匀的液膜，来达到强化传热的目的。 1 3 降膜和螺旋槽管强化传热的研究、应用现状 1 3 1 降膜的研究和应用现状 降膜的流动和传热传质过程的应用十分广泛，物性条件各异，机制各不相同。 降膜蒸发能在较小的加热水流量和较小的传热温差下获得较高的热流密度和传热 传质系数，可以有效减小液膜厚度，从而降低换热热阻，减小等热流密度下的换热 温差，强化传热传质。尤其是当液膜在水平管外降膜流动时，水分由液相向气相转 移的热质传递过程，其热传递主要依赖导热和对流换热，质传递主要依赖分子扩 散和对流扩散，传热传质效果更佳，广泛适用于太阳能、废热、废气等低品位能的 昶l 用。 水平螺旋槽营壁面降嬗膜传地特性的研究 汽实现珠状凝结的关键。为达到此月的，研究者们发现了许多改良措旄，但这其 中，或者因为维持水蒸汽珠状冷凝的寿命较矫，或者存在对蒸汽及冷凝液的污染、 腐蚀，或者由于价格昂贵、实验室重视性差而未能在工业设备上应用。因此鉴于 实际工业应用上都只能实现膜状凝结，从设计的观点出发，为保证凝结效果，凝 结器的设计计算通常建菠在膜状凝结的假设基础之上。所以，传热强化技术主要 集中在尽量迅速排走停留在管外表面的冷凝液，咀减少其厚度，降低热阻。 强化膜状凝结换热的基本原则是尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度，实 现的方法包括用各种带尖锋的表面使其上冷凝的液膜减薄，以及使已凝结的液体 尽快从换热表面上排泄掉。对于水平管外凝结，已经开发出两种有效方法。一种 方法是使液膜在下瀛过程中分段排泄或采用其他加速排泄的方法。另一种是采用 低肋管或各种类型锯齿管等高效冷凝表面，利用冷凝液的表面张力使肋顶或沟槽 背的凝结液膜拉蒋，从而增强换热。如果以制造强化传热管的坯管( 光管) 面积 作为计算面积，则低肋管表面的凝结换热系数可达光管的2 4 倍。 自n u s s e l t 。1 率先提出了层流膜状凝结的理论分析后，各国专家从理论及实验 两方面对膜状冷凝进行了各种研究。但由于各种原因现在主要还是通过开发强化 传热表面来生成薄而均匀的液膜，来达到强化传热的目的。 1 13 降膜和螺旋槽管强化传热的研究、应用现状 13 1 降膜的研究和应用现状 降膜的流动和传热传质过程的应用十分广泛，物性条件各异。机制各不相同。 降膜蒸发能在较小的加热水流量和较小的传热温差下获得较高的热流密度和传热 传质系数，可以有效减小液膜厚度，从而降低换热热阻，减小等热流密度下的抉热 温差，强化传热传质。尤其是当液膜在水平管外降膜流动时，水分由液相向气相转 移的热质传递过程，其热传递主要依赖导热和对流换热，质传递主要依赖分子扩 散和对流扩散，传热传质效果更佳，广泛适用于太阳能、废热、废气等低品位能的 散和对流扩散，传热传质效果更佳，广泛适用于太阳能、废热、废气等低品位能的 利用”。 水平螺旋槽管肇面降液膜传热特性的研究 汽实现珠状凝结的关键。为达到此目的，研究者们发现了许多改良措施，但这其 中，或者因为维持水蒸汽珠状冷凝的寿命较短，或者存在对蒸汽及冷凝液的污染、 腐蚀，或者由于价格昂贵、实验室重视性差而未能在工业设备上应用。因此鉴于 实际工业应用上都只能实现膜状凝结，从设计的观点出发，为保证凝结效果，凝 结器的设计计算通常建立在膜状凝结的假设基础之上。所以，传热强化技术主要 集中在尽量迅速排走停留在管外表面的冷凝液，以减少其厚度，降低热阻。 强化膜状凝结换热的基本原则是尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度，实 现的方法包括用各种带尖锋的表面使其上冷凝的液膜减薄，以及使已凝结的液体 尽快从换热表面上排泄掉。对于水平管外凝结，已经开发出两种有效方法。一种 方法是使液膜在下流过程中分段排泄或采用其他加速排泄的方法。另种是采用 低肋管或各种类型锯齿管等高效冷凝表面，利用冷凝液的表面张力使肋顶或沟槽 背的凝结液膜拉薄，从而增强换热。如果以制造强化传热管的坯管( 光管) 面积 作为计算面积，则低肋管表面的凝结换热系数可达光管的2 4 倍。 自n u s s e l t t ”率先提出了层流膜状凝结的理论分析后，各国专家从理论及实验 两方面对膜状冷凝进行了各种研究。但由于各种原因现在主要还是通过开发强化 传热表面来生成薄而均匀的液膜，来达到强化传热的目的。 1 3 降膜和螺旋槽管强化传热的研究、应用现状 1 3 1 降膜的研究和应用现状 降膜的流动和传热传质过程的应用十分广泛，物性条件各异，机制各不相同。 降膜蒸发能在较小的加热水流量和较小的传热温差下获得较高的热流密度和传热 传质系数，可以有效减小液膜厚度，从而降低换热热阻，减小等热流密度下的换热 温差，强化传热传质。尤其是当液膜在水平管外降膜流动时，水分由液相向气相转 移的热质传递过程，其热传递主要依赖导热和对流换热，质传递主要依赖分子扩 散和对流扩散，传热传质效果更佳，广泛适用于太阳能、废热、废气等低品位能的 昶l 用。 水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究 目前，国内外研究者的研究重点集中在表面几何结构、特种强化表面以及降 液膜流动传热机制等方面。”2 “。国内外学者针对影响水平管外降膜蒸发传热的因素 进行了大量的研究工作，考察了喷淋密度、热流密度、蒸发温度以及表面材料等 因素的影响，而很少考虑表面几何形状的影响。 p h i l i p pa d o m e i t 等“”在雷诺数r e = 2 7 2 0 0 的条件下，采用特制的显微粒子成 像系统( m i c r o s c o p i e a lp i v s y s t e m ) 测量了降膜内的速度分布，采用荧光技术测量 膜厚，进而详细分析了降膜过程的速度场以及降膜波的运动和形状特性。 同济大学的王长庆和上海交通大学的陆震“”合作，对带纵槽的螺旋槽管强化 溴化锂降膜式发生器传热传质进行实验，分析了管外换热系数随溴化锂水溶液喷 淋密度、发生压力、热水流量、热水温度的变化，结果表明带纵槽的螺旋槽管能 有效地强化降膜式发生器的传热传质，而且强化效果较好。他们所用的带纵槽的 螺旋槽管，除了有沿轴向的螺旋槽以外，在管子圆周方向上也有许多沟槽，这样 滴在传热管外的溶液，除沿管轴方向流动外，还可同时沿管周方向的沟槽向管周方 向扩散。实验表明：随着喷淋密度的增大，光管和螺旋槽管的放气范围均减小， 但相同的喷淋密度下强化管的放气范围比光管的大，说明螺旋槽管对降膜式发生 器的传质有较好的强化作用；螺旋槽管的管外换热系数与放气范围均比光管的大， 说明螺旋槽管能用于溴化锂降膜式发生器进行传热传质的强化。 天津大学化工学院的许莉等“”认为由于在液膜表面处，气液两相处于平衡状 态，蒸汽的吸收过程更接近于冷凝过程，尤其对低沸点制冷剂的吸收而言，传热 起主导作用，且蒸汽进入液膜的量较大，定常液膜厚度的假设不再适用。因此采 用智能化薄膜厚度测试仪对水平管外液膜流动状态进行了研究，得到液膜厚度的 几率分布和平均厚度。液膜的平均厚度不仅随液体负荷的增加而加大，而且与管 外壁不同角度有关；液膜的波动状态受制于液体负荷与管径的共同影响。 大连理工大学的马学虎等“”研究了处理表面镀铬铝管、p t f e 铜管和纯铝氧化 管水平管降膜蒸发传热，研究了喷淋密度、热流密度、管内蒸汽速度和管表面处 理对降膜蒸发传热特性的影响。实验结果表明：在表面蒸发区，水平管降膜蒸发 传热系数随热流密度的增加而提高，随喷淋密度增大先降低后升高，冷凝侧传热 系数基本保持不变。 6 水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究 j e s s ed ，k i l l i o n 等“认为现有文献中对于降膜蒸发系统的数学模型绝大多数都 对降膜过程进行了某些简化假设，而实际液滴的形成、分离、和滴落以及液膜的 波动和扰动都对传热系数产生影响。他们用高速数字调频照相机采集有关信息， 从而在视觉上真实地证明了基于假设而建立的数学模型与实际液膜流动之间的偏 差，并由此讨论对传热传质过程的影响，这对吸收器的设计使用有重要的现实意 义。 1 3 2 螺旋槽管强化传热的研究和应用现状 在理论上对螺旋槽管的研究做出重要贡献的主要人物是n u s s e l t 。1 ，他首先提 出了纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解，抓住了液体膜层的导热热阻是凝结过程中 的主要热阻的特点，忽略惯性力的影响，认为重力与粘性力之间达到平衡，建立 了液膜运动微分方程和能量微分方程，并作了若干合理的简化假定阻忽略次要因 素将边界层微分方程组简化，最终得出液膜厚度分布和换热系数的理论计算式， 并与实验结果基本吻合。他还从理论上揭示了有关物理参数对凝结换热的影响， 长期以来被公认为是运用理论分析求解换热问题的一个典范，但是由于n u s s e l t 忽 略了表面张力的作用，使实际传热效果往往超过理论解7 - 9 倍。 以后的学者在这方面也作了很多的工作，大多是重新考虑n u s s e l t 忽略的影响 因素，例如惯性力、压力梯度、温度分布等。除了单组分以外，各国学者在多组 分冷凝问题上也做了很多工作。在早期关于冷凝的研究中，通常假定相变处于热 平衡状态，这样就消除了界面的浓度和温度的横向梯度。近期的研究中”，主要 是采用动力学模型，同时考虑了汽相状态和冷凝薄膜层状态的传热传质。其中典 型的有a n d b e r g 和v l i e t 、j k m i n 和d h c h o i 等。a n d b e r g 和v l i e t “”曾利用动量 方程计算水平管制冷过程中连续流的厚度，但该方程还属于边界层类型，即在滞 流点附近液膜近似断裂。j k ，m i n 和d h c h o i 。”在利用n a v i e r - s t o c k s 方程对吸收器 通过薄膜进行吸放热过程的研究中，指出充分考虑表面张力的影响是十分重要 的，并通过实验对得出的计算公式加以验证，使得对螺旋槽管强化传热的研究方 法有了更进一步的发展。 水下螺旋槽管壁商降液膜传热特性的研究 g r e g o r i g ”“对于轴向凹稽表面展开研究，形成对螺旋槽波形曲面上冷凝分析的 基础。他提出用表面张力的方法来强化竖直表面的层流膜状凝结。冷凝过程主要 发生在冷凝表面中间凸出部分的顶端，表面张力使冷凝液流向凹槽内，凹槽内成 为排液通道。这种使冷凝换热表面的冷凝液重新非均匀分布的方法使表面冷凝率 大大加强，获得的平均冷凝换热系数要比均匀厚度液膜的换热系数高得多，表明 确有明显的强化传热效果。但其强化传热机理仍然不清楚，一般认为是管壁刻槽 的几何形状克服了表面张力对传热传质的影响，但从理论到试验均无证明，也未 对凹槽表面的几何形状做出规定。w e b b ”则提出了满足g r e g o r i g 的优化凸表面方 程。m o i l 。”等用分析法得出结论，最佳的几何形状有4 个特点：1 ) 尖锐的前缘， 即翅片顶部有较小的曲率，以利于减薄翅顶的液膜厚度；2 ) 从翅顶到翅根的曲率 逐渐变化，使液膜保持一定的表面张力产生的压力梯度，有利于冷凝液从翅顶迅 速排向翅根。3 ) 翅片间有宽槽用以收集冷凝液。4 ) 管外壁上装设有排液盘，使 冷凝液分段的由槽内沿排液盘滴落。他们推荐的翅片几何外形为表面曲线是近似 抛物线的平底翅片。p a n c h a l 啪1 等对竖直螺旋管中单向流动、冷凝换热和流动换热 情况作了较全面的研究，较为详细的阐述了螺旋槽管强化传热的机理，即螺旋槽 管增加了传热表面积，其表面的几何形状使液膜产生二维流动。j o h n s o n 和c o n l i s k 阐明冷凝、蒸发和完全的不可压缩液流问题，作者主要考虑轴向有槽表面的液流 场和表面张力对液流运动的影响，详细分析了液流和传热作为管子表面几何形状 的函数，同时预测了冷凝率和蒸发率。 对于有槽表面问题的研究，以前主要集中在冷凝部分，应当注意有槽表面产 生的三维三组分液流场的精确描述大多被忽略了。h o n d a 和f u j i i 。”考虑有槽表面 的冷凝时，假定在槽边缘存在薄液膜而在中心存在厚液膜，跨接点由分界面的曲 率决定，但是没有计算速度场，也没有给出温度和速度的分布表达式。m o i l 1 等 考虑的是相似的问题，然而如果表面张力系数。趋向于零，则在液膜方程中存在 一个矛盾。液膜被大致分成三个区：厚液膜、薄液膜和过渡区，而且，在厚液膜 区的表面被假定为圆弧状，也没有计算三维速度场。w e b b “”考虑的是整个设计过 程，因此他根本没有考虑速度和温度场。s i d e m a n 。2 1 等认为对于较低的表面张力值， 垂直液流流量为常数，轴向的速度用有限差分模式来进行数值计算，然而，也没 8 水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究 有考虑另外两个速度分量。 尽管人们对于有槽表面做了大量的实验和分析工作，但是对于蒸发率和冷凝 率大幅增长的原因直至现在还不清楚。然而人们认为表面张力对于加强冷凝、蒸 发起着至关重要的作用，虽然支持这一观点的事实仍然相当粗略。这是因为在对 这个问题的分析工作中，简化假定是在考虑液膜表面形状做出的，而液膜表面形 状减弱了对结果的精确积分。 螺旋槽管具有的凹凸曲面使得凝结液在表面张力的作用下易于排泄，一些研 究成果也证明了这一点。对于其冷凝的传热强化机理，w i t h e r s 1 和n e w s o n 。”等均 认为是螺旋槽使冷凝液膜产生附加的表面张力场，使平均冷凝液膜减薄，从而强 化了传热。w i t h e r s 的研究表明，当冷却水侧的阻力相同时，将螺旋槽管用于冷凝 器比用光管节省材料3 0 5 0 ，管外的凝结换热系数增大3 5 5 0 。在 n e w s o n 关于螺纹管应用于海水淡化装置的设计实例表明，使用螺纹管后，总费用 ( 包括设备费和操作费) 为使用光管的6 7 7 1 ，其中金属材料节省6 1 0 ， 泵功率消耗减少l 2 2 3 。东南大学在蒸汽凝结条件下进行了水平螺旋槽管的 强化换热研究，用冷态做阻力实验，进行了数据关联，得到了螺旋槽管的换热计 算公式，对不同材质( 铜、碳钢、不锈钢) 水平螺旋槽管的强化传热性能进行了 比较，并用不锈钢螺旋槽管加热器取代某电厂的原有光滑铜营低压加热器，这样 可以实现电厂锅炉无铜化，减少电化腐蚀o ”。上海交通大学将槽深h 和节距p 的比 值 口= 0 0 4 的螺旋槽管安装在某厂的蒸汽凝结换热器上，该换热器与光管凝结换 热器比较，传热系数增加4 8 4 1 、冷却水温升3 2 2 ( 2 。总阻力损失增加8 4 6 2 ，且其热力性能指标螺旋槽管和光管的换热量之比q q 0 高达1 2 4 5 。这表明， 螺旋槽管换热器比光管换热器具有更好的热经济性m 。 在工业实践上，螺旋槽管的强化传热性能也得到很好的证明。前苏联“”中央 锅炉汽轮机研究所科学生产联合公司、乌拉尔基洛夫工学院和白俄罗斯重型机械 制造研究所等单位对螺旋槽管进行了一系列传热和流阻的基础试验，投入了工业 试验并取得了良好的效果。前苏联也报道了三头螺旋槽管用于电厂凝汽器及回热 加热器的工业试验结果。这种管的节距为1 4 m m ，深度为o 6 m m ，头数为3 ，其总 9 水平螺旋槽管壁面降液膜传热特件的研究 传热系数平均较光滑管高2 0 2 5 ，流阻增加2 0 。乌拉尔基洛夫工学院在垂 直螺旋槽管上做了大量的凝结水液膜流动研究的实验，最后认为垂直螺旋槽管凝 结传热系数比光滑管提高4 0 6 0 。其提高幅度取决于管子的几何形状和单位 蒸汽热负荷的大小。英国在一台2 0 0 m w 机组上全部采用螺旋槽铜管，使凝结水温 度下降1 5 。c ，从而节省上百万英镑的运行费用。美国通用油品公司在凝汽器上采 用k o r o d e n s e 单头螺旋槽管，管子长度比光管减少4 4 ，数目减少15 ，重量减 轻2 7 ，总体传热系数比普通光滑铜管提高4 3 “。 中国石化总公司根据多年在化工行业的技术实践指出：在开发成功的众多高 效传热元件中，螺纹管是唯一能在工业装置中大面积推广应用并取得巨大经济效 益的传热管“4 。1 。 国内方面，肖岷“4 1 等分析了水平螺旋管外的层流膜状冷凝换热。考虑了粘性 和重力的影响以及离心力对液膜流动和换热的影响。通过分析，得到了较通用的 无量纲冷凝方程，并导出适合于其它几何形状换热元件的冷凝换热方程。经差分 计算得到了在不同条件下的局部n u s s e l t ( n u ) 和平均n u s s e l t 数。理论结果得到了实 验数据的验证、并推荐了实用的传热计算公式。 刘明灿和章燕谋“”研究得出了具有纵向矩形槽的水平螺旋管的凝结换热系数 随槽宽的变化规律。通过实验，得到凝结换热系数最大时的槽宽。并在相同实验 条件下，与光滑水平螺旋管进行了比较。 帅志明“”等认为在同样凝结条件下，壳程凝结换热系数主要取决于液膜厚度， 液膜越厚，凝结换热系数越低。当管外表面轧制了螺旋槽后，蒸汽在两螺旋槽之 间的凸表面凝结，凝液藉表面张力被引至槽沟，聚积在槽沟的凝液又藉重力的作 用下滴，由于凝液集中堆积在槽沟区域，和光管凝液均匀分布相比，螺旋槽管凝 液更易于滴落排汇。只要螺旋槽节距p 不过分小、槽深h 不过分深，螺旋槽不被凝 液淹没，螺旋槽管凝结换热系数比光管凝结换热系数就大。其实验室试验表明， 槽深h 和节距p 为o 1 4 5 左右的螺旋槽管凝结换热系数比光管大2 倍以上。实验室 和工业应用表明，螺旋槽管强化了管程对流换热及壳程凝结换热，提高了螺旋槽 管总体传热系数。由于采用优化了的螺旋槽管参数，在阻力增加不多条件下使换 1 0 水平螺旋槽管壁面降被膜传热特性的研究 热量有了较大幅度的增加，从而使凝结换热器具有较高的热力性能指标，具有较 显著的节能效果。他们还针对热导率和污垢热阻对总体传热系数的影响，对不同 材质的水平螺旋槽强化传热性能进行比较，获得了有益的结论。 吴慧英等“”对螺旋槽管凝结换热器进行了试验研究，并将研究成果应用于工 业实践中。根据翅化面膜状凝结换热理论，当蒸汽在螺旋槽管管外凝结时，由于 表面张力在槽顶和槽谷之间就会产生一个压差尸，于是凝液就在p 的推动下由 凸表面处被拉向螺旋凹槽内，积聚在槽内的凝液借重力作用加快下滴虽然槽内 液膜厚度有所增加，但由于占表面面积份额较大一部分的凸表面的液膜厚度的减 小，使得沿整个螺旋槽管凝结换热侧的液膜厚度有所减小，凝结换热系数有所提 高。 西安交通大学的顾红芳、孙丹等“8 1 对管外有v 型槽的水平螺旋管的凝结换热 强化问题进行了理论和试验研究。理论上针对v 型槽冷凝换热的特点，将v 型槽 管流动区域分为传热区和液流区两个部分，分别建立数学模型求解，得到适合工 程实际的换热准则方程式，并运用复化求积的方法得到换热系数的数值解。通过 实验得出结论，在相同实验条件下，v 型槽螺旋管的换热效果明显优于光管，与矩 形槽螺旋管相比，也有结构上的优势。崔海亭等“”对不同结构参数的w 型螺旋槽 管中的换热特性进行了实验研究，将大量的实验数据进行了回归，分析影响w 型 螺旋槽管传热的主要因素，得出了w 型螺旋槽管传热系数的统计关联式。 实验和分析的结果表明，表面有凹槽的圆管比表面光滑的圆管的热交换能力 大大增强。表面纵槽冷凝面由于冷凝液能及时从凹槽内流走，从而使蒸汽直接与 冷却面接触，或者只存在一层很薄的液膜，这就大大降低了冷凝侧的换热热阻。 液膜减薄的机理主要是利用了表面张力，将冷凝液由槽顶压向槽底，冷凝液在槽 底流向管子下端，而在槽顶部分只保存一层很薄的液膜。因此槽道顶部冷凝换热 系数值升高，槽底的冷凝换热系数值有所下降，但平均的冷凝换热系数值比光管 的大得多。此外，开槽管的外表面尽管有部分被冷凝液淹没，但还是比光管的冷 凝面积大，这点对增强传热也有好处。 上面提到的都是研究者在螺旋槽管强化传热方面的研究，但除了可以强化传 热外，对于一直备受关注的换热器防垢问题，使用螺旋槽管也不失为一种较好的 水平螺旋槽管壁面降液膜传热特性的研究 处理方法。目前，国内每年因腐蚀及结垢堵塞而更换管束芯的换热器达1 0 0 0 台左 右，而螺旋槽管恰恰具有独特的“自洁”作用，沿轴向手风琴式的胀缩能使结在 翅片上的硬垢脱落，故很有利于处理结垢性流体。流体在沿螺旋槽道流动的过程 中，产生的沉淀物或污垢并不是先填满螺旋管管槽，而是沿管的外表面形状等厚 形成。根据国外资料。”，螺旋管可以成功地用于严重结垢的场合。因为一般结垢 不至于盖平全部表面积，且当有硬而脆的结垢表面时，由于运转温度的变化，引 起管子膨胀收缩，会使结垢脱落，起到自动除垢的作用。有研究者5 ”曾用人工硬 水对螺旋槽管和光管进行过快速结垢对比试验，结果表明，在相同流速、加热蒸 汽温度及进水温度的结垢工况下，螺旋槽管的总传热系数和对流换热系数均比光 管高。而且，相同的槽深，节距小的螺旋槽管抗结垢能力强；相同的节距，螺旋 槽深的螺旋槽管抗结垢能力强。 总上研究成果来看，螺旋槽管具有制造方便、传热系数高且抗结垢能力强等 优点，因而被广泛地应用于石油、化工、电力等工业部门中。纵观螺旋槽管强化 传热的研究发现，目前对于水平管壁上形成覆盖全表面的薄液膜以达到强化传热 目的的研究，大部分都是通过工业试验的方法采集试验数据，采用数值分析拟合 的方式，从实用出发导出经验计算公式，从而寻求最优壁面几何形状和液流状态， 使螺旋槽管管表传热相对于光滑管表面得到最大强化，而从其机理上研究的不多。 因此，从理论上对螺旋槽管的研究尚待深入。 1 4 本文的主要内容 本课题研究的目的就是从理论上探求小流量液体在水平螺旋槽管外壁面形成 覆盖全表面的液膜和增强传热的机理，为海水湿法脱硫和管式高效传热传质元件 的工程应用奠定理论和技术基础，对降低排污指标以改善微型燃烧器燃烧过程等 方面也有重要的指导意义。 在总结国内外专家学者研究成果的基础上，本文主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 本文考虑到薄液膜表面张力和重力的影响，利用流体力学的基本方程建立 小流量液体在水平螺旋槽管管壁形成降液膜的流动和强化传热的数学模型，得出 水平螺旋槽管链面降液膜传热特性的研究 液膜速度和液膜厚度的解析解，并对多头螺旋槽管相邻槽道间发生流体掺混时的 液膜厚度分布进行了分析讨论，同时给出了相邻槽道间发生流体掺混的条件。 ( 2 ) 分析了在蒸发、冷凝时槽道螺旋角、槽道几何形状、流体性质对表面液膜 厚度分布的影响，得出水平螺旋槽强化传热管在低雷诺数下壁面薄液膜形成、流 动和强化传热传质机理以及与液体润湿特性相适应的槽道最优结构，揭示了水平 螺旋槽管壁面液膜强化传热的机理。 ( 3 ) 将本课题的研究成果应用于微型燃烧器的燃烧室设计并进行了试验研究。 其中主要包括以下三方面的创新点： ( 1 ) 对蒸发冷凝时水平螺旋槽管壁面形成降液膜的液膜速度和厚度分布进行 了分析研究，并对多头螺旋槽管特定的槽道表面结构，用发生流体相互掺混的膜 厚和速度条件，得出了其开始掺混的具体槽道螺旋线位置； ( 2 ) 根据努谢尔特经典结果求得了冷凝时水平螺旋槽管壁面降液膜的强化传 热