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水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 摘要 在湿法脱硫、海水淡化等工业过程中，改善换热器的凝结 换热状况，可大大提高能源的利用率。喷淋式换热设备中采用 水平螺旋槽管，可以在管壁外表面形成覆盖全表面的液膜以增 强传热传质。本文从理论上研究了水平螺旋槽管壁面液膜的形 成机理及流动特性，为工业生产过程中高效换热器的应用提供 理论基础。 本文做的主要工作有： 1 根据水平螺旋槽管的槽道几何形状建立正交曲线坐标系 2 考虑表面张力和重力的作用，利用流体力学的基本方程建 立单组分流体在水平螺旋槽管的管壁形成液膜的拟线性模型 3 利用f o r t r a n 语言编程，求解液膜的厚度分布 4 研究槽道螺旋角、槽道几何形状、流体掺混、流体性质对 壁面液膜分布的影响 5 结果表明，与水平光滑圆管相比，水平螺旋槽管表面的液 膜变薄且分布变均匀。随着螺旋角的增大，螺旋槽管壁面上各 处的液膜分布趋向均匀。在浅槽范围内，槽道越深，槽道跨度 越小，液膜分布越均匀，分布特性越好。当螺旋槽管表面为多 槽道时，各槽道间发生流体的相互掺混使得液膜分布特性较单 槽道时要好。 关键词：水平螺旋槽管：槽道形状：液膜厚度：掺混 n u m e r i c a ls t u d i e so ft h el i q u i df i l mf o r m a t i o no nt h e s u r f a c eo fah o r i z o n t a lt w i s t e da n df l u t e dt u b e a bs t r a c t t h ep u r p o seo ft h is s t u d y ist oi n v e s t i g a t e t h ef or m a t i o no f1 iq u id f a l l i n gf i l ma n di tsf l o wb e h a v i o ro nt hes ur f a c eo fah or i z o n t a lt w is t e d a n df l u t e dt u b eus e di ut h ec as eo fw e tf l u e g a sd e s u l f u r i z a t i o n ， d e s a l i n a t i o n ，a n d s oo n t h er es e ar c h esc a no f f e ra c a d e m i c f o u n d a t i o nf ort h e a p p l y i n g o fh i g h e f f i c i e n c y h e a t e x c h a n g e r t h a tm a k et h eu t i l i z i n ge f f i c i e n c yo ft h ee n e r g yi m p r o v e di nt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n an u m e r i c a lm o d e lb a s e do nt h es ur f a c e g e o m e tr y o ft h e h or iz o n t a lt w is t e da n df l u t e dt u b ew a ses t a b l is he d t h ed is tr i b u t i o no f t h e 1 i q u i d f i l mw a sg o t ，a n dt h ee f f ec t so fh e l i xa n g l e ，g e o m e t r yo f t h e c h a n n e l 1 i q u i dm i x i n ga n d1 i q u i dpr o p er t i eso nt h e1 i q l l i df i l mw a s a ls os t u d i e d t h er e s u i t si n d i c a t et h a tt h ef i l mt h i c k n esso nt h e s u r f a c eo ft h eh o r i z o n t a lt w is t e da n df l u t e dt u b eb e c o m e sm or e u n i f o r mt h a nt h ee l a s s i c a ls m o o t ht u b e a st h ei n cr e a s i n go fh e l i x a n 9 1 e ，t h ef i l m t h ic k n es sb e c o i n esm or eu n i f or m a n di n f l a tc h a i l b e l ， t h ec h a n n e lis d e e p e r ，i e ，t h es p a no ft h ec h a n n e liss n l a l l er ，t h ef i l m ism or eu n i f or m t h ed is tr i b u t i o no ft h ef i i misb e t t er f ort h ei i q u i di n t h em u l t i - h e a dt w is t e da l l df l u t e dt u b ec a ncr os st h e b o u l 3 d a r yo ft h e c h a n n e la n dm e r g e i n t ot h ef l u i df l o wi nt h en e x tc h a n n e l ，t h ef i1 m d is tr i b u t i o no fm a l t i h e a dt w is t e da n d f l u t e dt u b eiso v er m a t c h s i n 9 1 e h e a dt w i s t e da n df l u t e dt u b e k e yw o r ds ：h o r i z o n t a lt w i s t e da n df l u t e dt u b e ；c h 2 9 n e ls h a p e ； f i l mt h i e k n es s ；m i x i n g a 一槽道的跨度，m 主要符号表 q 一液膜表面热流，w m 2 b 一流体的体积力，nr 一螺旋管的半径，m cv 一液体比热容，k 3 1 k g re 一雷诺数，无因次 g 一重力加速度，m 2 st w 一槽道壁面的温度， ho 一液膜入口处厚度，无因ts 一液体饱和温度， 次 us 、yn 、w z 一在s ，n ，z 方向上 h 。一液膜在初始点的厚度，无的速度分量，m s 因次v 一流体的速度，m s h 一任一点的液膜厚度，无因次p 一液体密度，k g m 3 j a 一雅克布数，无因次“一流体的动力粘度，p a s k b + 一螺旋槽管横截线的曲率，中一槽道螺旋角，度 无因次护一表征流体在槽道位置的参数 kb 一表面曲率k b 的一阶导度 数，无因次 一液体导热系数， a i m 2 l z 方向上的管长，mo 一液膜的表面张力，n m n u 一努谢尔特数，无因次n 一对流换热系数，w m 2 p + 流体的当地压力，p a万，占一无穷小量，无因次 p r 普朗特数，无因次 i i i 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 1 前言 1 1 研究的目的和意义 热量交换和质量交换作为工业生产中的常见现象，涉及到 化工、环保、制冷、核能、热能、动力、海水淡化、石油提炼 等多个领域，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。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，为达到脱硫效 果需将烟气降温到10 0 度后再进入脱硫塔脱硫，脱硫后由于较 低的烟气温度不利于烟气向大气中排放又必须将烟气升温【l l 。 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 用管壁面上形成液膜实现热量和质量的交换，以强化换热器的 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，造成局 部腐蚀、甚至烧蚀。在光滑圆管不能满足工业生产要求的现状 下，为使外管壁形成覆盖全表面的薄液膜以增强传热，复杂管 结构的研究被提上日程。 1 2 相关研究结果的分析 1 2 1 提高换热设备换热效率的主要途径 根据热量传递机理【2 】的不同，热量主要有三种基本的传递 方式：热传导、热对流和热辐射。但不管热量是以何种方式进 行传递，传递的热流量都可由方程( a ) 表示 q = k a a t( a ) 根据上式，提高传热系数k 、扩展传热面积a 和加大传热 温差a t 都能达到增大传热量的目的。因此，热交换研究的最根 本问题是创立高 面和最小的传热 换热设备如 换热效率，一直 的研究主要集中 式、螺旋板式和 壳式换热器采用 管。因为管壳式 用才范围广等优 研究较多。 高效异型强 上流动特性的改 而且日新月异， 面或带肋面， 等。人为地增 办法，包括用 缠绕，镶嵌或 我国研制出了 面多孔管，t 齿形带等形式 粗糙化，而且 使传热强化更 其总表面积为 25 。 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 性能传 温差传 何以更 是研究 在两个 振动盘 强化措 换热器 点，目 化管不 善。在 主要的 用板型 传热表 殊工具 面涂敷 旋槽管 以及整 强化传 扩展了 显著。 管的 热面和提 递最大的 小的体积 者和制造 方面，一 管式等紧 施，即用 具有结构 前仍有广 仅包含传 这方面， 措施有： 传热面、 面的粗糙 将壁面滚 处理等方 、螺纹管 体插入金 热元件。 传热面积 高传热系数，即 热量。 、更少的材料消 者的追求目标。 是开发新的换热 凑式换热器；二 各种高效异型强 坚固、可靠性高 泛的应用，故在 热面积的扩大， 工业上已经采取 合理布置受热面 异形管、 度是增强 压出各种 法制造出 、横纹管 属带扰流 这些粗糙 ，有的还 以最小的传热 耗获得更高的 传统换热设备 器品种，如板 是对传统的管 化管取代光滑 、适应性大、 这方面进行的 还包括传热面 的措施很多， ，采用粗糙表 多孔表面或表面涂层 传热的简单而有效的 坑洼或开槽，用表面 粗糙表面。近几年， 、锯齿形翅片管、表 子、管内插入交叉锯 方法不仅使加热表面 能产生旋转流，从而 比如直管、盘管上均可使用的螺纹管 倍，而造价仅比光管高l 5 1 22液体在管壁上的两种凝结形式 蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时存在两种凝结形式i 2 】： 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。膜状凝结时， 采大特表螺管的还为光 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 壁面总是被一薄层液膜所覆盖，把蒸汽与冷凝面隔开，蒸汽的 凝结只能在液膜上进行，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。卧式冷 凝器的管予布置应注意将直列管束旋转一个角度，使冷凝液仅 落到下一层管子的部分圆周表面以求获得更好的冷凝效果。立 式冷凝器应设法剪断向下流动的液膜或使其被迅速推走，从而 得到薄的液膜来冷凝传热，使冷凝保持较高的冷凝传热系数。 本文研究的水平螺旋槽管壁面上形成的液膜就是膜状凝结所产 生的。 当凝结液 集成一个个分 逐渐长大，长 珠就会沿壁面 体不能很好地润湿壁面时，凝结液会在壁面上聚 散的液珠，因不断地有蒸汽在表面凝结，液珠会 到一定尺寸后，重力大于它与壁面的附着力，液 滚下。扫清沿途的液珠，合并成更大的液珠，让 出一片壁面，供蒸汽重新凝结成新的液珠，这种凝结形式称为 珠状凝结，它是自2 0 世纪3 0 年代才发现的传热现象。在珠状 凝结时，总有部分壁面裸露在蒸汽中，使液膜的附加热阻明显 减小：并且，液珠的滚落速度要大于液膜的流动速度，因此， 珠状凝结有较大的换热强度，平均换热系数可达到膜状凝结时 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汽实现珠状凝结的 关键。为达到此目的，研究者1 4 】发现了许多改良措施，但这其 中，或因为维持水蒸汽珠状冷凝的寿命较短，或存在对蒸汽及 冷凝液的污染、腐蚀，或由于价格昂贵、实验室重视性差而未 能在工业设备上应用。因此实际工业应用上都只能实现膜状凝 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 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。 自19 16 年，n u sse lt 5 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上不断对膜状冷凝进行了种种研 究。主要技术集中在：1 ) 管壁上加一层有机聚合物，变膜状凝 结为珠状凝结。2 ) 采用传热强化表面，截断冷凝液长度，增加 排泄冷凝液通道。但由于方法1 ) 存在难以解决的问题，故主要 通过开发强化传热表面来生成薄而均匀的液膜，从而达到强化 传热的目的。 1 2 3 国内外螺旋槽管的研究现状 对螺旋槽管的研究在理论上做出重要贡献的主要人物首先 是n u s s e i t 【5 1 。对重力控制下的冷凝，他于1916 年首先从理论 上解析了纯净蒸汽静止情况下层流凝液的流动问题。他抓住了 液体膜层的导热热阻是凝结过程中的主要热阻的观点，忽略了 惯性力的影响，认为 运动微分方程和能量 边界层微分方程组简 结换热的理论解。他 热的影响，长期以来 一个典范。但由于他 果往往超过理论值的 槽间表面张力在冷凝 力作用大好几倍1 6 】。 其次，还有a n 等。a n d b e r g 和v l i e t 续流的厚度，但该方 重力与粘性力之间达到平 微分方程，并作了若干合 化，从而得到了光滑圆管 还从理论上揭示了有关物 被公认为是运用理论分析 忽略了表面张力的作用， 7 9 倍。格里哥里格首先 过程中所起的重要作用， d b e r g 、 曾利用 程还属 衡，建立了液膜 理的简化假定将 表面层流膜状凝 理参数对凝结换 求解换热问题的 使得实际传热效 提出了肋管由于 其效果往往比重 v i i e t l7 】、j k m i n 和d h c h o i 【8 动量方程计算水平管制冷过程中连 于边界层类型，即在滞流点附近液 4 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 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，使对螺旋槽管强化传热的研究方法有了更进一步的发 展。 对螺旋槽波形曲面上的冷凝分析的基础是 l95 4 年 g r e g o r i g 【9 1 所发表的论文，g r e g or i g 提出用表面张力的方法来 强化竖直表面的层流膜状冷凝。冷凝过程主要发生在冷凝表面 中间凸出部分的顶部，表面张力使冷凝液流向凹槽内，凹槽内 则成为排液通道。这种使冷凝换热表面的冷凝液的重新非均匀 分布的方法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。但他未对凹槽表面的几何形状作出规定。而 w e b b 【l o 】提出了满足g r e g o r i g 的优化凸表面方程。m o r i t 】等人 的研究工作，被认为将成熟的分析法用于几何形状优化设计的 范例。根据他们的分析结果，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，以使液膜保持一定 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，使冷凝液分段地由槽内沿排液盘滴落。他们所推荐的翅片 几何外形为表面曲线为近似抛物线的平底翅片。19 8 7 年， h u s e g i n g o k e e 1 2 1 等对正弦槽的凝结换热强化问题作了初步的 理论分析。 p a n c h a l 【l3 】等人于1 9 9 2 年对竖宣螺旋槽管中单向流动、冷 凝换热和流动沸腾等情况进行了全面研究，并较详细地叙述了 螺旋槽管强化冷凝换热的机理：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。尽管冷凝换热过程得 到了强化，但系统的总压力损失并不大，即螺旋槽的结构形状 并没有使得壁面摩擦因数产生较大的变化。表面张力在整个传 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 热过程中起到较为重要的作用。冷凝液由表面张力拉入槽内， 使得在管壁上形成一个液膜较薄的区域。冷凝换热系数随着膜 雷诺数的增加而减少，这是因为随着膜雷诺数的增加，沟槽中 的持液量增加，使槽峰的有效换热面积减少。当膜雷诺数大于 4 0 0 0 时，螺旋流所产生的离心力使冷凝液脱离壁面，同时也有 液泛现象发生，这两种现象对冷凝换热的作用是相反的。 国内方面对螺旋槽管的研究相对比较晚。肖岷【1 4 】等分析了 水平螺旋管外的层流膜状冷凝换热，他们考虑了粘性力、重力 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。经差分法计算得到了在不同条件下的局部 n usse lt ( n u ) 数和平均n uss e lt 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。 19 9 2 年，刘明灿、章燕谋1 1 5 1 研究了在不同槽宽下具有纵向 矩形槽的水平螺旋管的凝结放热系数的变化规律，并通过实验 得到了纵向矩形槽水平螺旋管外发生凝结时，凝结放热系数最 大时对应的槽宽。在相同实验条件下，他们还对强化管的凝结 放热系数与光滑水平螺旋管的数据进行了比较，并且指出在具 有纵向矩形槽的水平螺旋管中，槽宽的选择具有关键的作用， 应避免出现“搭桥”现象。此外，刘晓华【i6 1 等也对开矩形截面 环形槽水平圆管进行了实验研究，并指出，在一定长度的管壁 上，开槽数目越多即槽间距越小，则强化传热效果越好，但实 际的槽宽度应满足前后台阶的凝液可以被排掉。如果槽道很窄， 由于流体的粘性力和表面张力的作用，凝液有可能发生滞留而 不能及时排掉，从而影响换热；当槽宽度增大时，又将影响整 个管面的强化凝结换热的效果。显然只有当槽宽为一适当的值 时，既能满足凝液的排除，又能满足传热增强的要求。因而选 择适当的槽宽是十分重要的。 19 9 7 年，吴慧英、帅志明【1 7 1 通过实验，得到结论：当节距 6 攻乎螺旋壤警攮嚣渡壤特毪豹磺究 定，槽道越深或幽槽深一定，节距越小时，螺旋槽管强化管 外凝结换热的效果越显著。这是因为，节距越小或槽道越涤， 就意睐蓑缣旋稽管的凸蘑半径帮鹜稽半径越小，覆盖在凸衰蕊 的液膜表蕊张力也就越大。由于表面张力的作用，凝液也就越 荔被控拽到凹槽中，在重力馋爝下下滴。尽管凹横内的液袋厚 度有所增加，但由予凸表面液膜厚度的减少丽使熬个螺旋稽管 凝结换热侧的液膜厚度有所减小，液膜的热阻有所降低。由此 爵见，表掰张力豹大小对螺旋蹬管豹凝续换熬有鞠当重要的影 响 除了矩形槽，国内许多研究者还对v 型槽螺旋管进行了研 究，具有代表性的怒疆安交通大学豹矮筑芳、羚姆i 1 8 】， 29 1 等， 甜水平螺旋管终开裔v 型槽时的凝结捩热强化问题进行了理论 和实验研究。理论方面，针对v 型槽的冷凝换热特点，将v 趔 壤滚动嚣域分蔻黄热嚣彝滚滚嚣嚣个部分，对其分翻建立了攥 论模型，并进行了数学描写，通过分析两个区之间流动和换热 的有机联系，得到了螺旋管外v 型槽冷凝换热问鼷的理论解， 绘遗了戆穗予工程实嚣豹换熬准羽方程式，劳对该方程运爰簸 化求积方法得到凝缩换热系数的数值解。实验表明，在相同的 实验条件下，相对予螺旋光管来说，v 型槽螺旋管的凝结换热 蠢菲零疆霰懿强德传热效采：与矩形獯鳔旋警槎琵，宅遣占鸯 些结构上的优势。 螺旋槽管具有的凹凸曲耐使得凝结波在表面张力的作用 下荔于捺瀵，一些毳 究或采氇疆鞠了这一点。霹予葵冷凝静佟 热强化机瑕， w it h e rs 1 20 1 和n e w s o n 【2 1 1 镣均认为悬螺旋槽使冷 凝液膜产擞附加的滚疆张力场，使平均冷凝液膜减簿，双丽强 偬了传熬。鞯it h e r s 瓣研究表骥，当冷龆承侧鲍冁力相同时， 将螺旋槽舒用于冷凝器比用光臀节省材料3 0 50 ，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 海永淡位装置靛设计实例表确，使靥螺纹管后，总赞蘑( 包捂设 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 备费和操作费) 为使用光管的6 7 7l ，其中金属材料节省6 10 ，泵功率消耗减少l 2 2 3 。日本学者茂木岩夫等 用水蒸汽做单头螺旋槽管的水平管外凝结换热实验，发现效果 最佳的管子( d = l9 m m ，p = 0 9 m m ) 的凝结换热系数可比光管大 2 3 倍。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管低压加热器，这样可以实现 电厂锅炉无铜化，减少电化腐蚀。上海交通大学将e p = 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 ， 总阻力损失增加 8 4 62 ， 且其热力性能指标q q 。高达 1 2 45 。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【”j 。 苏联于1 973 年在1 it 一2 5 9 0 1 0 汽轮机的凝汽器上采用 了螺旋槽管，实测总体传热系数比光管提高了3 0 4 0 ，污 垢强度减少了7 5 10 0 ，以后推广应用到t l0 0 13 0 、k 一2 0 0 一13 0 等机组的凝汽器上，也取得显著效果英国1 9 8 8 年 报导在一台2 0 0 m w 机组凝汽器上全部采用了螺旋槽铜管，使凝 结水温度下降1 5 ，从而节省了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了k 0 r 0 de n se 单头螺旋槽管， 管子长度比光管减少了4 4 ，数目减少了15 ，重量减轻了 27 ，传热面积节省了3 0 ，总体传热系数比普通光滑铜管提 高43 ，总台设备投资费用比光管节约近l0 万美元【2 ”。 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l0 0 0 台左右，而螺 求平螺旋横管鼙燕液骥祷鞋辨磅寇 菠稽棼稔给爨寄猿酶酶“鑫潦”律黧，游辖南手飙琴式酌歉蟪 能使结程翅片上的硬垢脱落，敞很有剁予处理结垢性流体。 浚褡程滋螟麓橙遭滚动静避程中，产叟耱沉淀物或污掇并 不是兔填满螺旋蛰管槽，丽悬沿管的外袋灏形状档厚形成。根 措国外资料，螺旋管可以成功她用于严驻绒垢的场合。因为 鼗鳝臻不麓予盖早愈整亵蠢积，登警奄键露篷酶终嚣表颟辩， 由于聪转温度的变化，引起管子膨胀收缩，会使绐垢脱落，越 塑蠡磅滁溪黪终露。鸯磷究者1 2 4 l 誓瘸久工疆瘩黯螺旋攘管和激 管进行避伏遽结琚辩琵试验，臻栗表明，在穗同流速、加热蒸 汽温廉藏避水温度的结塬工躐下，螺旋稽臀的总佟热系数和对 滤换热系数均毙光蛰蠢。丽基，相秘豹檬深，节躐零熬螺旋撩 管抗镰瓣能力强；藕霹黔节踬，螺旋稽深的嫖旋耩管抗结骣麓 力强。国辫a p 。w a t k i n s o n 等人在瓣必浮警、螺旋援管瓣 抗琚谯能孵试验中，得出在鞠阉豹掇稼条转下，媛旋搏管的辍 垢热鼹愆先滑善静低2 5 5 0 ，簧热系数藤l8 1 0 0 。 擞然螺旋槽管谯工业中作为强化元件的应用褥判了肯定， 毽鼹葵强讫爨瑾戆磷究文多燕逶遘实验送嚣，没鸯在鬻论主澎 成完熬的体黎，对蕊体物理参数懿选择媳没有具体的理论袄撅。 同样对于水平螺旋耩管管壁上形成薄液膜的研究，大部分也是 遴过王烫试验静方法采集试验数据，莱髑数蓬努耪攮食虢方式， 从实用出发导出经黢计算公式，而从其机蠼上研究的不多。 。3 本文的主要工作 濂翁黥滚薅豢在较祗流遮慰骞慈对鞍糍静裁徽强震壁交换 潜能，所以目前采用的换热器多利用管黢颟上形成液膜实现热 锻襄震量黪交换。然嚣，峦予渡俸瓣表灏袋力、濑澄耨连帮液 体在光滑蟹蹙上懿滚动赘在，襁始形成瀚渡簇往往产生收缩掰 不能形成覆盏全表谳的液膜，使管的传热效率下降，造成局部 露蚀、甚至烧蛙。这狰餐提下。工程上多题辔燕管数戆方法采 莹 承平螺旋槽管避面液膜特性的研究 增加换热丽积，但这同时又增加了设备的体积、熬量和成本， 函诧荠不是挖藕设器换热潜力戆有效途径。努 霉东终管壁彩裁 覆盖全表面的液膜成为研究者关注的焦点。 通过分析国内外的研究成果来看，螺旋槽管的确可以在蹙 瑟形成均匀连续豹薄膜，双瑟达到强纯传燕静弱豹，毽管表露 薄液膜的形成和增强传热机蠼尚不清楚，与工程威用相关的管 壁结构，流体初始条件等重要参数的关系亦为空囱。因此，从 理论上遴行螺旋稽该亿传热管蹙錾薄渡膜豹形成鞠增强传热税 理的探索，为管式商效传热传质元件的工程应用提供技术基础， 是本课题簪 究的目的。 喷淋式冷凝器【25 j 豹碛济承是均匀翘、不断遍喷淋弱冷凝管 外壁上的，水在外髓形成了一层薄薄的水膜，当蒸汽穿过管内 噼，会将营外鲍水膜迅速汽他，溶剂气体的温度迄会急剩下 降直至冷凝为液森。这种蒸发现象在冷凝器前端十分明避。 后半段主鬻是进一步降低溶剂的温度。内于溶剂气体的热量主 要是透_ j 霪零戆汽纯始入到大气审去豹，尽管蒸发簿的永量并不 大。僵由于汽化潜热很大，所以带走的热量是十分多的。而列 管式冷凝器没有水的汽化过程。所以比较而言，喷淋式冷凝器 礁实是一季孛冷却效蘩裴豢好戆冷凝器。建了这裂爨纯黉熟瓣羹 的，我们将其中的冷凝管采用水平螺旋椭管。 本文考虑到薄膜表面张力和重力的影响，利用流体力学的 基本方纛建立枣滚爨液体在窳平螺旋疆餐警壁形簸液簇瓣羧线 性模型，根据液体的润湿特性设计槽道几何形状，使得液体在 管壁外表丽得到最大程度的润湿以得到外管壁上覆盖全表髓的 滚簇，获露髟残鸯效戆强纯健熬滚貘分奄。劳黧溺滚簇耪戆分 布、螺旋角和槽道挠度条件与液体润湿特性关系，给出评定方 程并求解，得出液膜的速度斧厚度解柝解。本谍鼷还将根据蛏 壹螺麓耩管强话传熬理论l2 6 j 豹磅究残袋，预测影翡承平螺旋戆 管强化传热壁面液膜流动和强化传热的主要因素，从而得出不 l o 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 同螺旋角、螺旋槽头数、螺旋槽跨度等结构参数对液膜厚度的 影响。 本文的创新点在于利用流体力学的三大方程对水平螺旋槽 管外壁面小流量流体及流体掺混后形成的液膜特性进行理论建 模及研究，并得到液膜速度和厚度的解析解，使得槽道中液膜 的分布图形化、直观化。另外，通过改变槽道几何形状，比较 不同槽道对应的液膜分布，得到与流体润湿特性相适应的槽道 最优结构。 我们期望对湿法脱硫换热器中，通过水平管的喷淋在螺旋 槽管的外壁面上形成的薄膜及流动特性的首次探索，研究槽道 螺旋角、槽道几何形状、流体性质对表面液膜流动速度和液膜 厚度变化的影响，分析流体流动特征、强化传热管结构及液膜 分布特征对强化传热的影响。从而达到研究水平螺旋槽管在低 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s i0 ne f fec ts ir l terr l a t i0 n a lj o u r ne t lo fh e a ta n d m ass t r a n s f e r ，19 9 9 ，n 0 4 2 ，p 4 5 6 7 4 57 8 9 g re9 0 r igr h a u t k o n d e ns a t i o na nfe i ge w e l l te no be r f la c h e n beiberuksichti gu1 1g deroberf1achei 1spannungen ze itchr i f t f t lrangev and tem a t hen l a t ik a n d p h y s ik ，19 5 4 v 0 1 5 p 36 4 9 10 w ebbrl a g e l 3 e r a lize dp - o ce d t i r ef o rt h ed es ig n 0 p t im iza t i0 no ff 1u te dg r eg o r igco nd e ns in gs u r f a c e j j 0 u r n e l0 fh e a tt r a n s f e r ，19 7 9 ，v 0 1 10 1 ，p 3 3 5 3 3 9 a n d a s m e 11 m o r i ，y ，h i j ik a ta ，k ，h u as a w 8 ，s & n a k a y a m a ，w 。0 pt ii l lized per f0 r m a l 3 ceo fc0ndens a t i0 1 1w i th0 u ts ide condens i l 3g surface ，18thannue t1heattransfer c0nf san d ie g o ，197 9 ，p p 6 8 12 g 0 kce h ，o zg lncahy d r o d y n a l l l icm o de 1de v e l o p e d c0r l de 1 1s a te f 10 w in g0 ve ras i l l us o id a l f lu ted 1 2 f o rt he tub e 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 ir t ter na t i0n a l j0 urna l v0 1 2 0 p 137 14 4 13 p a r l ch a lcb ，f r a n cedm ，b e l lkj e x p e r i mer l t a lin ves t ig a t i0 1 3 0 f s i l 3 9 lep h a se ，c0 n de ns a t i0 1 3 ，a n df 10v b o i l i n g h ee t t t r a ns f erf o rasp ir a l l y f l u tedtu be j h e a t t r a ns fe r e n g in e e r ir l g ，1 9 9 2 ，13 ，( 1 ) 14 肖岷，章燕谋，水平螺旋管外冷凝换热的理论分析和实验研究，热能 动力工程，l9 9 2 年，第7 卷第5 期，2 33 2 4 3 页 【15 】刘明灿，章燕谋，水平螺旋管外部膜状凝结换热强化的实验研究 化工机械，19 9 2 年，第l9 卷第4 期，l9 8 2 0 1 页 16 】刘晓华，李维仲，崔峨，水平管外轴向对流凝结强化传热的研究， 大连理工大学学报，19 9 8 年，第38 卷第3 期，2 8 6 28 9 页 17 吴慧英，帅志明，螺旋槽管凝结换热器的研究与应用，热能动力工 程，19 9 7 年9 月，第l2 卷第5 期，3 2 7 3 2 9 页 i8 顾红芳，孙丹，章燕谋等，水平螺旋管外v 型槽强化冷凝传热的试 验研究，西安交通大学学报，l9 9 9 年7 月，第33 卷第7 期，6 2 6 5 页 19 顾红芳，孙丹，章燕谋等，水平螺旋管外v 型槽强化冷凝传热的理 论研究，西安交通大学学报，l9 9 9 年7 月，第3 3 卷第7 期，5 7 6 l 页 2 0 w i t h e r sj g ，t u bes idehe a ttr a ns f e ra n dp r e sse rd r o pf o r t u besh a v i n g h e l ic a lin te r n a lr i d g ir l g w i t htu r b u len t t r a ns i t i o n a lf 1o wo fs in g l e p h a sef lu id h e a t t r a ns f e r e n g i n ee r ir l g ，19 8 0 ，v 0 1 2 ( 1 ) ，p 4 8 5 8 2 l 】n e t so n i h h o d g s 0 1 3t k sc a leo fe n h a nce dh e a te xch a n g e r tu bes h e a tt r a n s f e r ，197 3 ，v 0 1 8 9 ( 3 ) ，p 8 5 8 9 2 2 崔海亭，袁修干，螺旋槽管综合性能的研究，石油化工设备技术， 2 0 0 1 年，第2 2 卷第5 期，6 9 页 23 帅志明，凝汽器采用螺旋槽铜管强化传热的试验研究，中国电机工 1 3 水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究 程学报，19 9 3 年1 月，第13 卷第1 期，1 7 23 页 24 帅志明，冯海仙，螺旋槽管结垢实验研究，中国电机工程学报， 19 9 4 年3 月，第14 卷第2 期，7 12 页 25 】李刚，列管式冷凝器与喷淋式冷凝器的比较，中国油脂，2 0 0 0 年， 第2 5 卷第1 期，19 2 1 页 2 6 梅宁，张则荣，陆建辉，竖直螺旋槽管壁面液膜流动特性的研究， 自然、工业与流动，第六届全国流体力学学术会议论文集，气象 出版社，2 0 0 1 年。 27 陈昭琼，傅俊萍，谢凤球，湿法脱硫烟气再加热方案的选择，湘 潭大学自然科学学报，19 9 7 年12 月，第19 卷，第4 期，4 0 4 4 页 2 8 孙祥志，湿法脱硫的热管式低温烟气再热装置概述，电力环境保 护，19 9 8 年9 月，第14 卷，第3 期，3 1 3 5 页。 2 9 赵欣，王瑞君，姚仲鹏，螺旋型表面强化管现状与进展，石油化 工设备，2 0 0 1 年5 月，第3 0 卷，第3 期，3 8 4 1 页。 3 0 江海，曾东平，邓东海等，钢螺旋槽管冷凝换热的研究与应用， 广东电力，2 0 0 0 年6 月，第13 卷，第3 期，1 5 页。 3 1 楼波，汪立军，梁平，钢螺旋槽管替代高压加热器中的铜光滑管 的传热特性研究，长沙电力学院学报，19 9 8 年1 1 月，第13 卷， 第4 期，39 1 395 页。 3 2 常金辉，帅志明，汪孟乐，不锈钢螺旋槽管回热加热器对电站经 济性的影响，汽轮机技术，1 9 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形成小流量液体膜实现热量和质量的交换，而利用喷淋液体在 水平管表面形成的液膜进行传热传质就是遵循这一原理。但是， 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 传质效率下降，甚至局部烧蚀。因此，我们期望有一层均匀液 膜尽可能的覆盖在圆管的整个表面上。并对此做一些理论和数 值分析进行探讨，通过试验进行验证，为工程应用奠定技术基 础。 根据这方面的专家学者做过的工作【”，若考虑到表面张 力和重力的关系，在管表面上的螺旋槽道的确能够提供个合 适的几何倾斜表面，使得液流不但沿螺旋槽道流动，而且可以 越过槽道间的边界进入相邻的下层槽道，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。迄今为 止，理论上对外管壁形成覆盖全表面液膜的研究尚无突破性进 展，技术上亦少有手段实现外管壁覆盖全表面的液膜形成，因 此我们期望对水平螺旋槽管的降膜形成及流动特性进行首次探 索。 带有螺旋槽的水平管，其表面的槽道可由任意几何形状的 凹槽构成，并且螺旋槽的横断面垂直于螺旋线，如图1 所示。 喷淋液体由管的上部在重力作用下进入螺旋槽道作螺旋线运动 槽道中的流体可以越过其边界进入相邻的下层槽道。在笛卡尔 直角坐标系( x 。，y 。+ ，z ；