（热能工程专业论文）横管降膜蒸发传热实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 横管降膜蒸发技术具有传热效率高，传热温差小，低温传热性能优良等优点，因此 在低温多效蒸发海水淡化装置、制冷系统、石油化工等行业的蒸发器中得到了非常广泛 的应用。 本文以大型多效蒸发海水淡化装置中的横管降膜蒸发过程为研究对象，设计并搭建 了横管降膜蒸发传热实验台。通过模拟蒸发器内部的液体流动和蒸发传热过程，对不同 工况下的实验参数进行精密测量，从而得到横管降膜流动规律和横管降膜蒸发传热系数 影响因素等实验结果，由实验结果归纳出横管降膜蒸发传热系数关系式，为多效蒸发海 水淡化装置关键设备一横管降膜蒸发器的设计提供基础数据和计算方法。 本实验采用外径为2 5 4m i l l 光滑的h a l 7 7 2 a 铝黄铜管作为横管降膜蒸发器的换热 管。换热管内部设置棒状加热元件，这样不仅排除了其它因素的影响，而且可以灵活地 控制加热功率和管壁温度，提供均匀的热流密度。实验中的控制因素包括液体喷淋密度、 蒸发温度、管间距等，实验测得了上述参数变化对蒸发侧局部传热系数和平均传热系数 的影响情况。对各参数的影响规律进行了深入探讨和分析，得出横管降膜蒸发局部传热 系数在换热管圆周方向上是不同的，从换热管顶部到底部逐渐减小。并且局部传热系数 和平均传热系数均随喷淋密度，蒸发温度，管间距的增大而增大。针对两种管间距进行 横管降膜管外蒸发平均传热系数关系式的总结，为横管降膜蒸发传热计算以及横管降膜 蒸发蒸发器的设计提供依据。同时进行了横管降膜流动的流型观测实验，拍摄了在不同 喷淋密度下管间的液体流动状态，对照片分析得出在不同管间距下滴状流、滴柱状流、 柱状流、柱片状流所对应的液体喷淋密度，并且对管壁流动状态进行了分析，从而进一 步分析喷淋密度和管间距对横管降膜蒸发传热系数的影响。 关键词：横管降膜蒸发；海水淡化；流动模型；传热系数 横管降膜蒸发传热实验研究 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 ro fh o r i z o n t a l t u b e f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n a b s t r a c t f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o no u t s i d eh o r i z o n t a lt u b e si sa d v a n t a g e o u sa sa l le f f e c t i v eh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s m ，b e c a u s ei th a sh i g hh e a tt r a n s f e rr a t e ，s m a l lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，a n d h i 曲t r a n s f e rp e r f o r m a n c ea tl o wt e m p e r a t u r ee t c s oi tn o wh a sb e e nw i d e l yu s e di n d e s a l i n a t i o nd e v i c e s ，r e f i i g e r a t i o ns y s t e m s ，a n dp e t r o c h e m i c a lp l a n t se t e n l i se x p e r i m e n ti sa b o u tf a l l i n gf i l me v a p o r a t i o no u t s i d eh o r i z o n t a lt u b e s w h i c hi s b a s e do nt h ef a l l i n gf i l me v 印o r a t o ru s e di nt h el a r g e s c a l ed e s a l i n a t i o n t h ef a l l i n gf i l m e x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d , w h i c hc o n t a i n st h ei n t e r t u b ef l o wa n df a l l i n gf i l m e v a p o r a t i o np r o c e s sf o ra t t a i n i n ge x p e r i m e n t a ld a t ao f i n t e r t u b ef a l l i n gf i l mm o d e sa n df a c t o r s 。o fa f f e c t i n gf a l l i n gf i l me v a p o r a t i o nb ya c c u r a t e l ym e a s u r e m e n t h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t c o r r e l a t i o n sa r ep r o p o s e df r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a b o mo ft h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n tc o r r e l a t i o n sa r eu s e f u lf o rt h ed e s i g no ft h ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o ru s e di n t h e1 a r g e s c a l ed e s a l i n a t i o n t h ee v a p o r a t i o nt u b ei sm a d eo fp l a i nh a l 7 7 2 aa l u m i n i u mb r a s sw i t ha no u t e r d i a m e t e ro f2 5 4i n n li nt h ee x p e r i m e n t t oa v o i do t h e ri n f l u e n c et h et u b ei sh e a t e db yi n t e r n a l e l e c t r i c a lh e a t e r ss ot h a tau n i f o r i l lh e a tf l u xi sg e n e r a t e da n dh e a t i n gp o w e ra n ds u r f a c e t e m p e r a t u r ec a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d r e s u l t sa r ea t t a i n e da b o u tl o c a la n da v e r a g eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t sc h a n g i n gw i t ht h ee f f e c to fs p r a yd e n s i t y ，e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt u b ep i t c h e t c t h ee f f e c t so ft h o s ef a c t o r so nt h eh e a tt r a n s f e rc o e 筒c i e n t sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h el o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa r o u n dt h ec i r c u m f e r e n c eo ft h et u b es h o wag r e a t d i s c r e p a n c y t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta tt h et o po ft h et u b ei sa p p a r e n t l yl a r g e rt h a nt h a ta t t h eb o t t o mo ft h et u b e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h el o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s a n da v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fs p r a yd e n s i t y ，e v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r ea n dt u b ep i t c h a v e r a g eh e a tt r a n s f e rt o e m c i e n tc o r r e l a t i o n so fd i f f e r e n tt u b e p i t c h e sa r ep r o p o s e df r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a 1 1 1 ef l o wp a t t e r n s ：t h ed r o p l e tm o d e l i q u i d , t h ed r o p l e ta n dj e tm o d e l i q u i d ，t h ej e tm o d e l i q u i d ，t h ej e ta n ds h e e tm o d e l i q u i da r ea t t a i n e d a f t e ra n a l y z i n gt h ep i c t u r e so ft h ei n t e r t u b ef l o w ，w h i c hc a nh e l pa n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f s p r a yd e n s i t ya n dt u b ep i t c h0 nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 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 no u t s i d eh o r i z o n t a lt u b e ；d e s a l i n a t i o n ；f l o wp a t t e r n ； h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 1 i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 己l吉 丁i仁j 2 1 世纪水资源问题已成为困扰世界各国经济和社会发展的一个制约因素，目前全世 界约有8 0 多个国家和地区严重缺水，有1 5 亿人缺少饮用水。众所周知地球上7 0 8 的 面积为水所覆盖，但是其中9 7 5 的水为海水，不能直接利用，而在其余2 5 的淡水中， 可利用的淡水资源仅占地球总水量的0 2 6 。又由于地球上淡水的分布在地域、时间上 的不均衡性，以及人类对水源的污染，使淡水可用量不仅受到限制，而且急剧减少。缺 水问题已经是一个全世界共同面临的社会可持续发展的难题【l j 。 我国被联合国列为1 3 个最贫水国家之一，人均水资源仅为世界人均水资源占有量 的四分之一。目前全国4 0 0 多个城市缺水，随着经济的发展，人口的增长和地下水资源 的过度开采，淡水资源匮乏己成为制约我国尤其是北部沿海地区社会经济可持续发展的 瓶颈，缺水问题已成为制约我国经济增长与持续发展的重要因素。 目前常用的局部地区缺水解决方案有远程调水、地下取水、建造水库等，但是长期 使用造成了水源枯竭、浪费土地、地面下沉和破坏生态等诸多弊端，且均属于淡水存量 调整，不能从根本上解决淡水危机。但是，海水淡化作为一种开辟新水源的相对成熟的 技术，已成为世界上公认的解决缺水的最佳方案。 世界上许多国家，如美国、法国、以色列、英国、意大利、德国、日本以及韩国等 国家都相继加入海水淡化技术发展的潮流。目前，海水淡化技术己经形成一个具有广阔 发展前景的新型产业，对社会发展和人民生活水平的提高起到了积极的推动作用。因此 可以肯定，随着水资源短缺问题的日趋严重，海水淡化必将成为2 1 世纪中国解决沿海 地区淡水资源短缺问题的重要措施。 海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。其中蒸 馏法又有多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸发( m e d ) 和压汽蒸馏( v c ) 之分。膜法海水淡 化技术包含了反渗透法( i 的) 和电渗析法( e d ) ，结晶法则由冷冻法和水合物法构成。 几种海水淡化方法各有其技术特点和合适的应用领域，依据德国学者r a u t e n b a c h 对过去4 0 年的研究发展得出的结论：多级闪蒸、低温多效蒸发和反渗透技术必将决定 海水淡化的未来【2 1 。其中低温多效蒸发海水淡化技术已成为未来第二代水电联产海水淡 化厂的主流技术【3 】。国际原子能委员会认为，在所有蒸馏法中，多效蒸发海水淡化方法 在降低海水淡水成本方面最具有潜力，对于所有海水淡化方法，也可能是最优者。 多效蒸发海水淡化经历了由浸没管蒸发、竖管降膜蒸发，到横管降膜蒸发的发展过 程，为解决多效蒸发结垢问题出现了横管降膜低温多效蒸发海水淡化系统。由于操作温 度降低，换热管材的结垢和腐蚀问题得到了有效控制，因此可以使用廉价的铝合金材料 横管降膜蒸发传热实验研究 替代贵重的防腐合金，从而有效降低了海水淡化设备的制造成本。低温多效蒸发利用低 品位的热源作为加热蒸汽，因此其制水的能耗成本大幅度降低。与火力发电联合，实行 水一电联产，即利用汽轮机的低压抽汽( 或背压抽汽) 作为海水淡化热源，使锅炉蒸汽 在高压时先发电，而在低压( 发电潜力微弱) 时则利用其潜热进行加热，这不仅充分利 用了蒸汽的热能( 焓值和潜热) ，而且由于低压汽得以良好的利用，、使汽轮机的热力效 率大幅度提高。 低温多效蒸发海水淡化装置由若干个横管降膜蒸发器组合而成，横管降膜蒸发的传 热效果直接影响到低温多效蒸发海水淡化装置的性能与造水比。横管降膜蒸发作为淡化 的核心技术，也越来越受到各国学者的关注。国外对横管降膜蒸发研究较早，进行了大 量的理论和实验研究，得到了大量的横管降膜蒸发器实际的运行性能和横管降膜传热的 理论知识和实际经验。在国外低温多效蒸发海水淡化装置已经形成产业化，最大的低温 多效海水淡化装置位于以色列的a s h d o d 电厂，日产淡水1 9 x 1 0 4m 3 d 【4 】。我国横管 降膜蒸发的研究较晚，理论和实验的研究都不够充分，目前多为仿制或小型的实验机。 随着水资源和能源的紧缺，使我国对低温多效海水淡化的关注日益增强，但缺乏横 管降膜蒸发器的理论和实验研究。虽然国内外学者已经做了大量的研究，但是他们的研 究中出现了矛盾的现象，无法指导横管降膜蒸发器的设计。又由于国外公司对技术的垄 断，国内几乎没有大型海水淡化装置的设计开发的经验。理论知识和实验研究的匮乏已 经成为我国发展低温多效海水淡化装置的瓶颈，所以现在迫切需要对横管降膜蒸发的传 热性能做进一步深入的研究。针对我国水资源严重匮乏，海水淡化事业发展的需求，本 文进行了横管降膜管外蒸发的流动与传热性能实验，为低温多效海水淡化装置大型化、 国产化打下基础。 大连理工大学硕士学位论文 1 海水淡化与横管降膜蒸发方法的研究 1 1海水淡化方法分类 海水淡化是将海水中的盐分和水分离得到淡水和浓缩盐水的技术。按分离方法分 类，海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。其中蒸 馏法是利用热能进行海水淡化的方法，包括多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸发( m e d ) 和压 汽蒸馏( v c ) 。膜法海水淡化技术是利用膜的选择透过性进行盐水分离达到海水淡化 的目的，包含了反渗透法( r o ) 和电渗析法( e d ) 。结晶法则由冷冻法和水合物法构 成。尽管海水淡化方法很多，但溶剂萃取法和水合物法所产淡水水质较差，离子交换法 成本较高，其应用受到一定限制。冷冻法涉及的单元过程太多，尤其是冰晶悬浮体的输 送、分离、洗涤困难，操作技术要求高【5 1 ，不常用于工业生产。膜法的技术关键在于离 子交换膜与半透膜的性能与价格，随着膜科学与技术的发展，海水一次脱盐膜开发的成 功，使反渗透法成为蒸馏法强有力的对手 6 】。多年的实践证明，可以应用于大型工业海 水淡化中的方法只有m s f ，m e d ，v c 和r o 等几种方法【7 】i 1 。2 海水淡化国内外发展现状 海水淡化技术从二十世纪五十年代中期以来得到了迅速发展，并且逐渐发展成熟。 根据国际脱盐协会( i d a _ 一i n t e r n a t i o n a ld e s a l i n a t i o na s s o c i a t i o n ) 的统计报告【8 】，2 0 0 4 年， 单机容量在1 0 0 m 3 d 以上的海水淡化总装机容量为3 7 5 x 1 0 7 m 3 d ，与1 9 6 0 年总装机容量 5 8 x 1 0 4 m 3 d 相比，增长6 4 6 倍，年增长率为1 7 。图1 1 显示的是各种海水淡化方法在世 界范围内的总装机容量【s 】，从图中了解到，反渗透法的淡水产量最大，达到1 8 x 1 0 7 m 3 d ， 约占总装机容量的4 7 ，其它依次为多级闪蒸占3 5 ，压汽蒸馏占5 ，多效蒸发占3 。 2 0 ，o 。o 1 8 ，o ，o o o 2 o 。o o l l j 。 _ill - 坐9 岔生品 品 l l l 图1 1 陆地上海水淡化装置的总装机容量 f i g 1 1c a p a c i t yo fa l ll a n db a s e dd e s a l i n a t i o nu n i t sb yt e c h n o l o g y 哪 哪 哪 哪 啪 咐 咐 蛳 哪 哪 住 8 。 ，占卜=y16 横管降膜蒸发传热实验研究 海水淡化技术在世界范围内得到了广泛应用。海水淡化装置分布在1 2 0 多个国家， 其中一半以上分布在中东地区，其它主要建在美国、日本、意大利、西班牙和其它沿岸 国家，沙特阿拉伯的海水淡化产量居世界第一，约占世界总产量的2 3 6 。当今各种海 水淡化方法都在向大型化发展，世界范围内最大的多级闪蒸海水淡化装置在阿联酋，共 有六台装置组成，每台的造水容量达n 5 4 6 x 1 0 4m 3 d ，整个海水淡化厂日产淡3 2 7 6 x 1 0 5 m 3 d ，而1 9 6 0 年在阿联酋建成的第一座海水淡化厂，其产量仅为5 0 m 3 d t g 。最大的低温 多效淡化装置位于以色列的a s h d o d 电厂，日产淡水1 9 x 1 0 4 m 3 d 。最大的海水反渗透 淡化装置位于沙特阿拉 i f l j e d d a h ，日产淡水1 1 4 x 1 0 5 m 3 d n 。 进入2 1 世纪后我国的海水淡化事业发展迅速，初步统计，截止2 0 0 6 年6 月底，我 国己建成投产的海水淡化装置总数为4 1 套，合计产水能力1 2 0 3 9 4 万m 3 d t l 0 】。但是， 与国际上相比中国海水淡化规模比较小，差距较大。首先是研究水平及创新能力、装备 开发制造能力、系统设计和集成等方面与国外差距较大；其次是技术装备国产化水平低， 1 0 万吨以上级别的装置基本全部进口，万吨级关键设备需要进口；第三，缺少大规模海 水淡化装置的设计、制造和运作等方面的成功经验【1 1 1 。2 0 0 5 年发布了由国家发改委， 国家海洋局和财政部联合编制的海水利用专项规划。要求到2 0 1 0 年我国海水淡化 能力达到8 0 1 0 0 万m 3 d ，海水直接利用能力达到5 5 亿m 3 y 。到2 0 2 0 年，我国海水 淡化能力达到2 5 0 3 0 0 万m 3 d ，海水直接利用能力达到1 0 0 0 亿r n 3 y ，并大幅度提高 海水淡化等资源的综合利用规模和水平，海水利用对解决沿海缺水问题的贡献率达到 r 1 1 1 2 6 - 3 7 l 1 川。 1 3 多效蒸发海水淡化方法及优点 多效蒸发海水淡化经历了由浸没管蒸发、竖管降膜蒸发，到横管降膜蒸发的发展过 程。早期多效蒸发系统的蒸发器为浸没管式多效蒸发装置，不但能耗高，容易结垢，且 产品水含盐量高，温差损失大，系统传热系数小，已经逐渐被淘汰【13 1 。后来开始了竖管 降膜蒸发淡化海水方面的研究，海水在换热管内为膜状汽化，蒸汽在换热管外冷凝，传 热壁两侧都有相变，提高了传热系数。另外，因为盐水一次流过系统，因此降低了预处 理费用。但是竖管降膜蒸发需要效间海水泵将盐水由上一效输送到下一效，这又使得安 装成本增加，控制系统复杂，维修和操作困难。为此提出了横管降膜蒸发海水淡化，盐 水通过喷淋装置在横管束的管外形成液膜而蒸发，加热蒸汽在管内凝结，盐水依靠重力 或效间压差进入下一效蒸发器。它与竖管降膜蒸发相比，具有电耗低，设备高度低等优 点，同时由于液膜厚度薄，传热系数高，汽相阻力小，因此传热温差比竖管降膜蒸发小。 大连理工大学硕士学位论文 7 0 年代为解决多效蒸发结垢严重的问题出现了横管降膜低温多效蒸发海水淡化系 统。盐水在低温下蒸发，即项值盐水温度高于7 0 。由于操作温度降低，换热管材的结 垢和腐蚀问题得到了有效控制，因此可以使用廉价的铝合金材料替代贵重的防腐合金， 从而有效降低了海水淡化设备的制造成本。低温多效蒸发利用低品位的热源作为加热蒸 汽，因此其制水的能耗成本大幅度降低。与火力发电联合，实行水一电联产，即利用汽 轮机的低压抽汽( 或背压抽汽) 作为海水淡化热源，使锅炉蒸汽在高压时先发电，而在 低压( 发电潜力微弱) 时则利用其潜热进行加热，这不仅充分利用了蒸汽的热能( 焓值 和潜热) ，而且由于低压汽得以良好的利用，使汽轮机的热力效率大幅度提高。 几种海水淡化方法，各有其技术特点和合适的应用领域如表1 1 所示。虽然低温多 效海水淡化装置在全世界范围内装机总量比例较小，日产淡水量不及多级闪蒸方法和反 渗透方法，但低温多效海水淡化方法由于水质好，传热系数高，耗能少，产水率高，可 利用余热等特点引起了国内外学者的广泛关注。世界上多采用l t med 的淡化方式， 此方式亦被评为能耗最低的海水淡化方法之一【l4 1 。低温多效海水淡化符合我国水资源匮 乏，能源紧缺的国情，是我国大力发展的海水淡化方法之一。 表1 1大型海水淡化的方法与特点 t a b 1 1t h ec h a r a c t e r i s t i co fl a r g es c a l ed e s a l i n a t i o n 1 4 横管降膜蒸发技术的应用与研究 1 4 1 横管降膜蒸发技术的应用与特点 横管降膜蒸发方法广泛应用于海水淡化装置、吸收式制冷、蒸汽压缩式制冷系统等 行业中。横管降膜蒸发器在降膜蒸发过程中，由于液体在加热表面分布成膜状形式，所 横管降膜蒸发传热实验研究 以没有液体静压和过热区的影响，这可减小蒸发的有效驱动温度。由于其可在相对低的 温度驱动力或相对低的热流量引起的表面蒸发，同时因为薄膜蒸发的换热管外侧液体的 膜状流动有利于蒸汽与液相尽快分离，所以其换热系数较高，在相同的热负荷条件下所 需传热面积可大为节省。同时，由于可以实现在较小温差下进行传热，表面过热度下降， 管表面的结垢情况也得以改善。由于以上原因，横管降膜蒸发是一种节能型蒸馏淡化技 术，不仅热耗量小，而且要求供热的温位低，有利于利用低位余热。对于光滑管而言，横 管降膜的传热系数是闪蒸的3 倍，是竖管蒸发装置的2 倍【1 5 】。横管降膜蒸发技术为低温多 效蒸发海水淡化方法的发展提供了更广阔的空间，使多效蒸发海水淡化实现大型化成为 可能，由此横管降膜蒸发引起了国内外学者的广泛关注和研究。因此研究横管降膜蒸发 法的换热系数、横管降膜流动形式、小温差传热、横管的表面设计等对于多效蒸发海水 淡化方法的发展具有重要的意义。 1 4 2 横管降膜蒸发方法的国内外研究概括 横管蒸发器最早于1 8 8 8 年设计应用于制糖工业【16 1 ，之后应用与多效蒸发海水淡化装 置中。l e nc o t e r e l l 发现原有的浸管式多效蒸发装置产品水含盐量过高，当加设液体喷淋 装置、将蒸发器内液面降到蒸发管束以下后，不但液沫夹带减少，设备产量也有增加。 之后水化学公司的f r e dl o e b e l 建立了专门的实验装置模拟其过程，实验结果表明：薄膜 蒸发消除了液位引起的温度损失f 17 1 ，其传热系数为浸管式蒸发过程的2 3 倍。横管蒸发 器在低温多效海水淡化装置的应用引起了国内外学者对横管降膜蒸发研究的广泛关注。 影响横管降膜蒸发的因素非常多，而且也很复杂，尽管已经有很多关于这方面的研 究，但是一些相关的基本传热规律仍然不清楚。最早涉及降膜蒸发理论研究的是n u s s e l t 。 d u k l e 假设液膜中无明显过渡点，用漩涡速度计算膜厚和传热系数，当r e 3 0 0 时，理论 与实验吻合较好。他的工作对降膜蒸发理论分析的贡献很大，但他的结果仅适用于常压， 不适合于高压或低压状态。s i n e k 和y o u n g 发现d u k l e 的理论与实际相差2 0 ，他们认为 这种偏差是由液膜中的气泡引起的。众多学者借用了关于竖直管传热的理论模型，参照 实验数据，回归了一些相应范围内的半经验公式，但由于他们所用资料的实验条件不同， 其结果各异，通用性较差【1 8 】【1 9 】，c h y u 2 0 1 ，p a r k e n 2 1 】，许莉【2 2 1 ，l o u a h l i a - g u a l o u s 2 3 】等人 总结的关系式结果有较严重的分歧。 一般说来，对横管降膜蒸发的实验研究已经包括了一个很广的范围，包括：管外侧 蒸发传热系数、管内冷凝传热系数、管外流动形式和管内的流动形式等。大多数实验都 是以水和氨水为介质进行的。m a r o n m o a l 锄【2 4 1 、m o a l e m m a r o n ( 2 5 】等认为横管管外蒸发 大连理工大学硕士学位论文 传热系数起控制作用，横管降膜蒸发管外侧传热系数不到管内传热系数的5 0 ，在总的 传热系数中起到决定性作用，所以大多数学者的工作都重点集中在横管降膜蒸发管外侧 的流动和传热性能的研究。影响管外侧传热的因素包括：流体的喷淋密度蒸发温度、热 流密度、分布器的形式和高度、管距、管径【2 6 】等等。 1 、横管降膜液体流动形式的研究情况 蒸发侧的传热由液膜流动状态决定，而液膜的流动受上排管液滴的流动以及管间蒸 汽流动的影响，一些学者研究了喷淋密度与流动形态的关系等，希望能从机理上揭示蒸 发侧传热的变化趋势。在学者的研究中都发现当液膜从一根横管流向下面的一根时，随 着喷淋密度的增大，流动形式会相继出现：滴状流动模式，滴柱状流动模式、柱状流模 式、柱片状流动和片状流流动【2 1 7 1 。 y u n g 等人 2 8 】利用液滴的产生频率等于毛细波振动的频率，推出从滴状形式转变成 柱状形式的一个相关联的喷淋流率。对单位长度管子，这个转换流率可以表达为： 2 剐鲁堕6 ( 别他 允 ln j 式中，五= ( 4 4 r t 2 刀，刀= 2 ，善是一个毛细波常数为、脑p 。g ，d ，是主要水滴的直径， 实验上对于水和酒精这个值等于3 f 。 g a n i c 和r o p p o 【2 9 】的实验资料表明，从滴状流到柱状流的转变发生在雷诺数为1 8 0 周 围一个较大的范围内，它受到管间距的影响。 m i t r o v i c 3 0 】指出流动形式的转变是由喷淋密度、流体的热物理参数和管间距决定的。 f u j i t a 和t s u t s u i t 3 1 3 2 1 定义了两种流动形式：一个明显的滴状模型和一个扰乱的柱状模 型。他们提出的新的滴状模型的转变发生在雷诺数为1 0 0 时，与喷淋方法无关。与此对 比，另外一种模型的转换受到喷淋器结构的影响，喷淋管越多，受到的影响越少。 h u 和j a c o b i t 3 3 】提出了下面的流动形式：滴状模型，滴状和柱状共存模型，不稳定的 柱状模型，稳定的柱状模型，错列的柱状模型，柱状和片状共存模型以及片状模型。 2 、横管降膜蒸发传热的研究情况 j 1 ) 喷淋密度对横管降膜蒸发传热的影响情况 在对流为主要影响情况下，喷淋密度对横管降膜蒸发影响的研究中，出现三种情况， 分别为喷淋密度的增大对蒸发传热系数无影响，以及随着喷淋密度的增大，蒸发传热系 横管降膜蒸发传热实验研究 数不断增大，另外一个是随着喷淋密度的增大，传热系数先减小，但到了一个最小值后 又开始增大。 s 1 e s 础【3 4 】分析了多种形式的薄膜蒸发过程，认为管外蒸发有两种形式，一是液 膜产生气泡，二是液膜表面蒸发。在相当小的液体负荷下，薄膜蒸发过程就有较高的传 热系数，且传热系数不受液体负荷变化影响。 z e n g 3 5 】的实验结果也显示传热系数几乎与流率无关。 s l e s a r c n k o 3 6 】在喷淋量2 0 0 2 0 0 0 k ( m - h ) ，热通量l o 1 3 0 k w m 2 ，压力3 0 1 3 0 k p a ， 海水浓度3 5 1 6 ，管径分别为1 6 、2 4 、3 2 m m ，管长4 0 0 m m 的实验条件下的结果显示， 传热系数不随液体喷淋量变化而变化；传热系数随热通量增加而变大，随液体浓度增加 而变小；低热通量时，蒸发发生于液体表面；高热通量时观察到液膜的沸腾。无气泡时， 流体的正常流动引起的湍动较小；有气泡时，液膜的流动不定时冲刷快速形成的气泡， 使其在加热表面外破坏，气泡的大小和数量决定于热通量和喷淋量；无气泡时，降低压 力，粘度增加，边界层厚度增加，热阻加大，传热系数变小。 e d a h i r o 等人【3 7 】实验表明，在无污染的情况下，对应蒸发温度6 0 - - 10 0 0 。c 时，横管降 膜蒸发过程的传热系数为4 5 0 0 - 6 5 0 0 k c a l ( m 2 h ) 。在液体喷淋量1 2 2 o k g ( c r n 2 s e e ) 范 围内，总传热系数不受喷淋密度影响，但受蒸发温度影响较大。 j e l i n o 【3 8 】采用不同直径内外均是光滑表面的换热管进行实验，他分别对2 、2 5 、3 英 寸内径铝黄铜管进行了测试，结果表明在一定范围内喷淋量、热通量、含盐量对传热系 数影响不大。 。 宋宝明等【”1 采用有效长度5 0 0 m m ，2 5 1 的换热管进行实验，在蒸发温度1 0 0 * c 传 热温差3 o 5 ，雷诺数1 0 0 7 0 0 之间，发现过程总传热系数不受管外液体喷淋量的影响。 n e w s o n 4 0 】的研究表明，对光滑管束而言蒸发侧传热系数随喷淋量的增加略有提高， 总传热系数不受喷淋量的影响。 s l e s a r e n k o 4 1 1 的实验也表明喷淋量的变化对管外蒸发传热系数无影响。他认为，增 加喷淋量换热管外液体的流速与膜厚度都有所加大，对流传热加剧的同时导热相应减 慢，其结果是蒸发膜系数不变。 但是下面的研究得出不同的观点。 f l e t c h e r 等人【4 2 1 ，b e r e z i n 4 3 1 ，r i f e r t 4 4 1 ，齐和发【4 5 1 ，许莉 2 2 】， y a n g 等a t 4 6 】等的实 验结果发现在一定条件下，蒸发侧传热系数随喷淋密度的增加而增加。 在c o n t i 4 7 1 ，c h y u 2 0 1 ，f u j i t a t 3 2 1 ，以及马学虎【4 8 】的实验中得出随着喷淋密度的增大， 蒸发传热系数是先降低再增大。其原因为在低喷淋密度下，一般认为管外的降膜流动属 大连理工大学硕士学位论文 于层流，在层流区，液膜的热传导对传热起决定性作用，此时，随着喷淋密度的增加， 膜厚增加，所以传热系数降低。但随着喷淋密度的进一步增大，液膜由层流经过过渡态 变为紊流，在此过程中，传热系数不断增大。 2 ) 蒸发温度对蒸发传热的影响情况 e d a h i r o 等人3 7 1 ，j e l i n o 【3 8 】，许莉【2 2 1 ，范延品【4 9 】等国内外的学者在实验中都得出传热 系数随着蒸发温度的升高而增大。其主要原因是提高蒸发温度可以使液体的粘度降低， 使得厚度的减小和液膜波动的增大。 3 ) 其他参数对蒸发传热的影响情况 b e r e z i n 4 3 】的研究发现，当热通量较小时，蒸发侧传热系数值不受热通量影响，当热 通量较大时，蒸发侧传热系数随热通量加大而提高。 s l e s s r e r l k o 3 4 , 3 6 的研究发现传热系数随热通量增加而变大；随液体浓度增加而变 小；管径影响较大，管径小，传热系数大。 e d a h i r o 等人【3 7 】的实验表明当传热温差增加时，热流增加，相应的液体温度增大，粘 度降低，因而管外蒸发传热系数升高。而另一方面，当传热温差变大时，管内蒸汽凝结 加快，液膜变厚，热阻增加，反而使得管内蒸汽冷凝传热系数降低。两方面综合考虑， 总传热系数基本不变。 j e l i n o 3 8 】的研究发现传热系数随传热管管径增大而变小；温度高，传热系数大；管 间距小时，传热系数大；管越光滑，传热系数越小；海水盐分浓度对各传热系数无影响。 n e w s o n 4 0 】的实验表明含盐量在3 5 0 0 0 9 0 0 0 0 p p m 之间时，海水盐分浓度对各传热系 数无影响。随热通量的增加，总传热系数和冷凝侧传热系数均有不同程度下降，而蒸发 侧传热系数相应增大。 范延品 4 9 】，刘振华等【5 0 】发现海水盐分浓度对各传热系数无影响。 4 ) 喷淋管的设计对蒸发传热的影响情况 m o a l e m - m a r o n 等【2 4 】认为当液滴流动时，管壁与液体之间的热量传递能力大大增强，其 传热速率较平稳液膜流动时提高许多。液滴大小、液滴滴下的频率以及管下端产生液滴 各点的距离受表面张力和管子的曲度影响。实验发现，在1 0 0 r e 1 5 0 时，换热管得到完 全润湿；当r e = 4 3 0 时出现完全湍流的非连续流。当换热管直径小时，液滴产生的点较多， 但其频率较小。他们认为管外蒸发是横管的控制因素。 p a q u c t 等【1 5 】认为液体分布的均匀程度对传热的影响较大，实验发现当采用分布孔分 布液体时，有分布孔堵塞现象出现，改用喷嘴也出现过堵塞现象，影响到传热效果。 横管降膜蒸发传热实验研究 r a u t e n b a c h t 5 1 】将蒸发器上下叠放，用筛板结合虹吸管保证液体分布均匀。实验发现， 液体厚5 1 5 m m 、分布孔直径在2 4 m m 内变化时，液体通过分布孔的流动不受液体厚度 和孔径影响。采取增加温度、增加卤水浓度、压差升高、加大孔径等措施均使液体通过 每一分布孔润湿的横管长度增加。但对于给定的流量，小孔径有利于优化设计。 r a u t e n b e c h 等【5 2 】发现当喷淋装置采用小孔，喷淋速度较大时，出现非常不平均的液 膜甚至有干壁现象出现，减少了有效传热面积。 f u j i t a 和t s u t s u i 3 1 , 3 2 】在实验中发现一种底部穿孔的圆柱型喷淋管得到的传热系数小 于在项部穿孔的多孔渗水烧结管的2 0 。 5 ) 对蒸发管进行强化后蒸发传热的研究情况 众多学者在对蒸发管进行强化的实验过程中发现强化管表面与一般光滑管相比可 以提供更高的传热性能，但是，强化管在复杂的传热过程中对几何排列、管表面设计、 和操作条件的依赖性，使它的强化性能受到了破坏。 i l y u s h c h e n k o 5 3 , 5 4 】等就蒸发气体在蒸发器中不同的流动方式下的阻力及对过程的影 响进行了研究，认为横管束蒸发时，蒸汽横向流过换热管束造成换热管液体分布不均； 管束越大，其各列换热管液体分布越不均匀，气体流速影响越大。采用空气作为气相进 行的液体喷淋对其流过换热管束( 管径分别为2 5 、3 8 、5 2 m m 不同形式的管束) 的阻力实验 表明，当气体流动方向横穿换热管束时，气体阻力系数受喷淋密度的影响相当大，而当 气体与液体流动方向一致时，这种依赖性较小。 p u t i l i n 5 5 】认为，沟槽破坏了液体边界层的发展，管内、外均以沟槽强化时，热传递 效果是光滑管的1 6 2 倍。 p u t i l i n t 5 6 】采用管内电加热方式进行了光管和表面加筋和沟槽加强换热管的实验，结 果表明换热增强的程度只受管外几何尺寸和流动状态的影响。提高喷淋量只是改变边界 层的厚度，而未形成湍流。他认为增强的原因是边界层的破坏，管外增强效果达到 1 4 1 9 ，由此使总传热系数提高到光管的1 3 1 5 倍。外侧蒸发传热系数在边界层发展区 最大，随后逐渐降低，而夹角超过1 2 0 度后液膜与壁面分离使传热系数略有上升。 m o a l e m m a r o n 2 5 】由实验得到，不同的几何尺寸具有一定的加强效果，总传热系数 随雷诺数的增加和沸点的升高而增大，随温差的增大而降低。 s i d e m a n 等 5 7 5 8 1 对沟槽管的研究表明窄沟槽管的传热系数大于宽沟槽管。 刘振华等【5 0 】对光滑和滚压强化两种换热管管束在不同压力条件下的窄小空间内的 沸腾强化换热进行了实验研究，确认了窄小空间能够有效强化沸腾换热特性，存在着换 热强化效果最好的最佳管距，当管距很小时光滑管几乎具有和强化管相同的换热特性。 大连理工大学硕士学位论文 1 5 本文研究内容 横管降膜蒸发技术属薄膜蒸发，管外传热过程中薄膜波动有利于对流传热的进行， 因此传热系数较高：并且其传热温差小，温度驱动力或热流量相对较低，是一种节能型 蒸发技术，不仅热耗量小而且需要热量的品位低，有利于利用低位余热。因此，低温多 效蒸发海水淡化方法的发展前景广阔。 针对文献中实验结果存在矛盾，实验传热数据缺乏，实验研究上不够深入，不能够 为我国海水淡化装置的设计提供有力的技术支持。本文开展了横管降膜蒸发传热实验研 究，得到了横管降膜蒸发传热的实验数据。 本文内容包括以下几个部分： 1 、设计了横管降膜蒸发实验台，确定了实验系统的形式和结构。针对海水淡化大 型化的要求，通过计算确定传热系统的尺寸，喷淋管的尺寸和实验工况参数等，成功搭 建了横管降膜蒸发实验台。 2 、确定横管降膜蒸发实验方法和测量方法，保证实验数据的合理性和准确性。 3 、本文进行了横管降膜管外流动实验的测试，通过调节控制实验流体的流量，观 察在不同管间距下降膜流动随喷淋密度增加的变化趋势，通过拍照和录像，对实验结果 分析得到了横管降膜管外流动模式与喷淋密度的关系，明确了液体流动模式对传热系数 的影响。 4 、通过横管降膜蒸发传热实验，得到不同管间距下，在传热过程中管表面的温度 分布随喷淋密度和蒸发温度的变化规律，分析了管间距、喷淋密度和蒸发温度对横管降 膜蒸发局部传热系数的影响。 5 、通过大量的不同工况下传热性能实验，归纳出在不同管间距下横管降膜蒸发平 均传热系数与喷淋密度、蒸发温度、管间距之间的关系，并进行传热变化的机理分析。 6 、运用大量的实验数据进行横管降膜蒸发传热系数关联式的总结，为多效蒸发海 水淡化的设计提供有力的支持。 横管降膜蒸发传热实验研究 2 横管降膜蒸发实验系统设计 2 1实验系统组成及实验流程 根据多效蒸发海水淡化原理，参阅文献等，在设计过程中排除其他因素干扰，确定 了单管横管降膜蒸发实验台，如图2 1 所示，实验台包括给水循环系统、蒸发冷却系统、 数据采集系统等。图2 2 为实验装置的实物照片。j e l i n o t 3 8 1 ，n e w s o n h 0 1 ，范延品【4 9 1 ，刘 振华等【5 0 】等众多学者在对横管降膜蒸发传热实验的研究过程中发现盐水浓度对换热特 性几乎无影响，所以本实验采用纯水作为实验流体。 1 加热水箱2 给水泵3 高位水箱4 流量计5 蒸发