（工程热物理专业论文）带扩展面的竖壁降膜蒸发机理研究.pdf

摘要 摘要 强化降膜过程的传热，可以提高设备热效率、减少换热面积、节省设备投资， 具有很大的经济效益和社会效益，而改变降膜壁面的表面结构是强化其传热性能 的主要手段之一，基于此，本文对一种新型带扩展面的竖壁的降膜蒸发机理进行 了较为深入的探讨，具体包括以下几个方面： 首先，对圆管和竖壁降膜蒸发机理进行研究，并对其对应降膜蒸发传热性能 的主要影响因素进行对比分析，研究发现，在最佳条件下圆管和竖壁的一个中间 几何形态具有明显的优点，且圆管和竖壁的降膜蒸发传热系数受各影响因素的影 响具有相似性，将二者结合起来研究是可行的。 其次，分别对平滑竖壁( 不带扩展面) 和带扩展面的竖壁降膜蒸发过程进行了 数值研究，研究发现：二次蒸汽剪应力、淋液物性以及降膜过程的传质对降膜蒸 发过程的传熟性能的影响很大，是不可忽略的；用作扩展面的铜丝直径和间距对 液膜流动状况有着很大的影响，其中铜丝直径的选取既要具有一定的扰动，又要 保证其浸入程度；铜丝间距的选取要适中，间距的大小还与相应铜丝的直径有关。 然后，对带扩展面的竖壁降膜蒸发的实验研究，主要是对喷淋密度、热通量 以及铜丝的直径和间距等对蒸发传热系数系数的影响进行了研究，具体以淡水为 工质对1 0 种具有不同表面结构的降膜板进行了竖壁降膜蒸发实验，实验参数的 变化范围为：喷淋密度：0 0 7 0 0 3 6 6 k g m - i s ，热通量：1 0 1 0 6 4 2 0 w m a - 2 。研 究发现：在竖壁表面加铜丝可以起到强化传热的作用。一方面，铜丝的存在易于 淋液的横向分布，使得液膜分布更加均匀，另一方面，铜丝的扰动增强了液膜的 湍流程度，并使液膜在低喷淋密度时即达到湍流状态，可以实现在低喷淋密度下 的高换热量；本课题中6 号降膜板( d = 0 6 4 m m ，i ：- 4 m m ) 在实验范围内可以提 高传热系数高达1 6 $ ，而且d = 0 6 4 m m ，a i = 4 m m 也是本实验范围内强化传热效 果最佳的铜丝直径和间距值，对其实验数据回归得其对应降膜蒸发传热系数关联 式为矗。= 2 4 2 0 7 ：”q o “7 ，适用范围为： o 0 8 0 ，0 3 5 3k g m - i , s ， 0 1 3 2 q 6 3 9 2 k w m 。2 ，实验值与理论值吻合较好，最大相对误差为1 1 0 1 。 关键词：降膜蒸发，强化传热，带扩展面的竖壁，v o f ，喷淋密度，热通量 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e ro f f a l l i n g f i l me v a p o r a t i o np r o c e s sh a s s i g n i f i c a n te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s b e c a u s ei tc a ni n h e r et h ee f f e c t i v e n e s so f h e a te x c h a n g e r , d c c f e a s ct h eh e a tt r a n s f e r , q l e aa n ds a v ei n v e s t m e n t a n di ti so n eo f t h em a i nw a y st oe n l l a n c eh e a tt r a n s f e re f f e c t i v e n e s sb yc h a n g i n gt h es u r f a c es t r u c t u r e o ft h ef a l l i n gf i l mp l a t e b a s i n go nt h i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n o fv e r t i c a lp l a t ew i t he x p a n d e d $ u l 缸e si ss t u d i e di nt h i sp a p e r , a n di t sm a i nc o n t e n t s r r ei n t r o d u c e di nt h ef o l l o w i n g p a r a g r a p h s a tf i r s t , t h eh e a tt r a n s f e rp r i n c i p l eo ff a l l i n gf i l mp r o c e s s ，w i t ht u b eo rp l a t ea s h e a tp a r t , i ss t u d i e d s o m ef a c t o r se f f e e t i n go nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta r e a n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh e a t i n gp mm a d eb yc o m b i n i n gt h et u b ea n d p l a t ei sp r o p e rf o rab e t t e rh e a tt r a n s f e rs u r f e c e a n dt h es i m i l a r i t i e so ft h ee f f e c to f t h e s ef a c t o r s0 1 1t u b ea n dp l a t ep r o v et h a ti ti sf e a s i b l et os t u d yi nt h i sw a y t h es e c o n d , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ff a l l i n gf i l me v a p o r a t i o no nv e r t i c a lf i a t p l a t ea n dv e r t i c a lp l a t ew i t he x p a n d e d 翻l n f a c e $ a r em a d e i ti s f o u n dt h a tt h e i n t e r f a c i a ls h e a rs t r e s s t h ep r o p e r t i e so ft h el i q u i da n dt h em a s st r a n s f e rh a v e s i g n i f i c a n te f f e c t s0 nt h ef e u i n gf i l me v a p o r a t i o np r o c e s s ；t h ew i r ed i a m e t e ra n dt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h ew i r e sh a v eas t r o n ge f f e c to nt h ef l o wf i e l d , a n dt h eo p t i m a l d i a m e t e ra n dd i s t a n c ea r ed e t e r m i n e db yi t se x t e n to fd i s t u r b a n c ea n di m m e r s i o na n d t h es p r i n k l i n gd e n s i t y f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n to ff a i l i n gf i l me v a p o r a t i o no nv e r t i c a lp l a t ew i t h e x p a n d e d 吼n f h c e si sc a r r i e do u t i t sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh e a tt r a n s f e rc a nb e e n h a n c e db ya d d i n gw i r e st ot h ep l a t e o nt h e0 1 1 eh a n d , t h ew i r e sh o m o g e n i z et h e f i l mt h u sp r e v e n t i n gi tt ob r e a k1 | pa n df o r md r yp a t c h e so nt h eh e a t i n gp l a t e ，o nt h e o t h e rh a n d , t h ew i r e ss t r e n g t h e nt h et u r b u l e n c eo ft h ef i l mf l o w , a n dt h u sc a h s ea t r a n s i t i o nt ot u r b l f l e n c ee v e na tl o w e rr e y n o l d sn u m b e r ss ot h a th i 【曲h e a tt r a n s f e rr a t e c 姐b er e a l i z e da tl o w e rf l o wr a t e a l s o i ti sf o u n dt h a tt h ev e r t i c a lp l a t ew i t h e ) 【p a n d e ds u r f a c 鼯，w i t hw i r ed i a m e t e rd = 0 6 4 m ma n dd i s t a n c eb e t w e e nt h ew i r e s l = 4 m m , c a l li n e a s et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb y1 6 h i g h e rt h a nt h ev e r t i c a l f l a tp l a t e ，a n di t sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tf o r m u l ai si m i t a t e db yu s i n gt h el e a s ts q u a r e e l t o rm e t h o 正 k e y w o r d s ：f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n , e n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e r , v e r t i c a lp l a t e a b s t r a c t w i t he x p a n d e ds u r f a c e s v o f , s p r i n k l i n gd e n s i t y , h e a tf l u x m 符号说明 圆管外半径 液膜速度 重力加速度 椭圆形状因子 液膜重力 重力沿切向分力 喷淋密度 质量流量 液膜温度 蒸汽流速 淋液浓度 直径 液位高度 铜丝与壁面间距 运动粘滞系数 定压比热 汽化潜热 降膜板宽 大气压力 m m s - l m s 2 n n k g m _ s - l k g s - i m s - i m m m m 2 s - l j - k g - l k 1 k j k g - 1 m p a 符号说明 液膜厚度 液膜流过的角度 密度 动力黏度 液膜剪应力 传热系数 壁面温度 雷诺数 传热温差 温度 第q 相容积比率 湍流尺度 湍动强度 热通量 表面张力系数 导热系数 降膜板长 液膜蒸发率 下标：0 初始状态w 水或壁面m 平均值i n 入口状态o u t 出口状态 a 气体m “最大值 注：上述符号为论文中出现频率较高的符号，对于出现次数较少的符号在文中对应位置给 予说明；此外，各符号具体意义以文中图、表、公式后的说明为准 i v ， k ： 留 m。姐n懈 m ；霎耐咄m 甜 6 o p p t h k如岔t。，q o 九l q r u g e g q t m k q d h r v 唧k w p 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者都分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：月昔水爪 d 研年予月二1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月e 1年 月e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果，撰写硕士学位论文登芷屋亘数竖壁隆 磋苤筮扭堡塑窒。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品 的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人 承担。 学位论文作者签名： 胎棣 研年弓月二1 日 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 液体降膜流动换热具有的小流量、小温差、高换热系数、高热流密度、结构 简单、动力消耗小等优点，这使得降膜技术成为一种高效传热传质技术，并被广 泛地用于化工、轻工、能源、航天、电子工业等领域，譬如，膜蒸发器、膜吸收 器、热管和其他许多两相流和热传递过程。采用降膜过程的传热，就可以提高设 备热效率、减少换热面积、节省设备投资，具有很大的经济效益和社会效益。 值得注意的是，应用液体降膜流动换热的独特优点可解决高科技领域中遇到 的高热流密度下的热强化问题，已有的实例有：大规模集成电路的薄膜冷却、第 二代核电站安全壳薄膜蒸发冷却方案以及未来空间动力站应用的热管辐射器、液 滴辐射器、新型太阳能集热器等。这就使得液体降膜流动换热的研究越来越备受 关注。 近年来，对液体降膜流动换熟的研究大多是围绕圆管来进行，对于平板( 通 常可分为竖板和倾斜板) 的研究则主要是降膜吸收的研究，对于降膜蒸发多是进 行数值研究，对于平板降膜蒸发的实验研究则不多，早期的实验研究结果己不能 解释数值模拟的结果和指导生产设计。此外，传统通常采用在平板表面加翅片、 波纹或凹槽等来改变表面结构进而强化换热，这些方法可以在较大程度上使得换 热强化，但迄今为止其中的换热机理仍不是很清楚，而且在工艺加工上有很多的 不便。 基于这样的背景，本课题将围绕竖壁的降膜蒸发进行研究，并在竖壁的表面 添加扩展面铜丝，这既可以看作是在竖壁表面加肋，又相当于平板和圆管中 间状态，这是国内外研究的一个空白，具有极大的研究价值，而且在工艺加工时 要比其它加肋方法的加工要容易的多，应用前景较好。 综上所述，本课题的研究不仅是竖壁降膜蒸发换热的发展和深入，而且也是 降膜传热传质过程和新型设备开发的理论基础和技术指导，具有极大的理论意义 和实际应用价值。 1 2 液体降膜流动换热技术的研究现状和发展动态 液体降膜流动换热是以流体力学、传热学和多相流动理论为基础，涉及传热、 传质、相变及流动等多门交叉学科o 。液体降膜过程按原理可分为降膜蒸发和降 第1 章绪论 膜吸收两大类。按液相降膜和气相之间的相对运动关系可以定义为错流、并流和 交叉流三种情况。1 。按降膜表面的形式和位置又可以分为圆管和异形管( 管外、 管内) 、平面( 板) 和异形表面( 翅片、波纹、横肋和凹槽等) 降膜以及相应的 垂直和倾斜表面的多种情况。还可以按应用分类，如采用降膜的蒸发、蒸馏、冷 却、浓缩、吸收、干燥、除湿、增湿、结晶、分离以及化学反应等0 1 。国内外对 液体降膜的研究也正是按照以上分类来分别进行的。 近年来，国内外的研究主要围绕强化降膜流动过程中的传热传质来进行，具 体研究主要有以下三个方向：降膜表面状况、降膜侧传热传质系数影响因素和液 膜流动特性。 在表面状况方面，主要是从降膜流动表面的几何形状、结构和物理化学性质 对降膜流动传热传质特性的影响来进行研究。b u k i a 等“1 用喷涂、烧结等方法在 水平管外产生带孔涂层，发现r 1 2 和1 1 2 2 降膜传热系数较光滑管有显著提高。宋 继田等0 1 对凹凸相间异形竖板降膜蒸发器的研究表明，降膜表面的波纹能够促进 降膜的湍动，提高降膜速度，改善传热性能，且料液不易结垢。乔梁等哪对管内 插螺旋线的降膜蒸发传热进行实验研究表明，插入螺旋线与光管相比，传热膜系 数可提高2 0 以上。p o n t c r 等”1 的研究结果表明表面润湿性较差的管子，蒸发传 热膜系数不随喷淋密度变化；润湿性好的管子，蒸发传热膜系数随喷淋密度的增 大而增大。吴金星等旧研究了椭圆腔板束强化降膜蒸发，结果表明，椭圆腔板束 与圆管束为内件的蒸发器相比，其蒸发传熟系数可提高2 9 6 。马学虎等。3 的结 果表明，降液膜平均厚度随固表面自由能差的增大而减小。 在降膜蒸发侧传热传质系数影响因素方面，主要是从喷淋密度、热通量、蒸 发( 或冷凝) 温度、物料性质等影响因素来研究。崔晓钰等“”对溴化锂降膜吸收 过程从吸收压力、溶液流量、进口温度和冷却条件进行了实验研究。w x j i n 等1 对有凹槽双层竖板的降膜蒸发传热进行了实验研究，结果表明，当淋液流量 低于3 5 0 1 h 时会出现“干涸”现象；总传熟系数随温差的降低、淋液流量的减 小和蒸汽流速( 相当于热通量) 的增加而增加，且温差的影响要大于蒸汽流速。 马学虎等“。对处理表面水平管外降膜蒸发传热的实验研究表明，水平管降膜蒸发 传热系数随热通量的增加而提高，随喷淋密度增大先降低后升高。s t e p h a n l e u t t m e r 等o 。对二元混合物的降膜传热传质进行了数值模拟同实验研究对比性 分析。徐莉等n u 采用智能化薄膜厚度测试仪实验研究了喷淋密度、蒸发侧沸点、 传热总温差和热管管径等因素对水平管外液膜厚度、波动状况以及因此而导致的 蒸发侧传热膜系数的影响。 在液膜流动特性方面，由于流动的复杂性，现有实验研究技术无法得到表面 波内部流动与传质过程的细节，主要是通过基于数值模拟的结果进行理论分析： 2 第1 章绪论 研究范围从液膜初始发展段、层流到充分发展湍流的各个阶段，内容涉及流动表 面波的形态和发展，表面孤立波内的湍流流动与传热传质特性，液膜流动的非线 性演化、稳定性和破断历程，以及考虑各种实际应用因素的影响“日。叶学民等 “”对沿斜壁面下降的蒸发或冷凝降膜二维表面波的线性稳定性进行了研究。 x i a o - z ed u 等嘲对竖管内降膜蒸发薄膜不稳定性进行了能量分析研究。 a l e k s c e n k o 等“、y u 等噙1 和b r a u n c r 等。1 基于边界层理论，分别采用不同的方法 在不同雷诺数范围内对等温降膜进行了线性稳定性分析。b a n k o f l d 硼、s p l i n d l c r 滔1 、 师晋生等脚对蒸发或冷凝状态下的液膜表面波进行了研究，并分析了不同因素的 影响。c h a n g 和王补宣等嘲采用非线性分析方法，基于动力学奇异性理论研究 了其演化历程。阎维平等以湍流状态下的自由下降液体薄膜流为研究对象，对 表面波内的流动进行了数值模拟。 1 3 论文结构安排及课题研究的内容和目的 1 3 1 论文结构安排 论文的第一章简要介绍课题提出的背景、研究现状、发展动态、研究的目的 和意义、研究方法及论文的结构安排等；第二章主要对圆管和竖壁的降膜蒸发机 理及影响降膜蒸发传热性能的主要因素进行了研究，以说明课题的可行性；第三 章是对降膜蒸发过程的数值研究，具体分别对不带扩展面的竖壁建立数学模型并 采用有限差分的方法求解，对本课题实验中所用的带扩展面的竖壁采用v o f 法建 立c f d 计算模型并对其进行数值模拟；第四章介绍了本课题试验台系统的建立， 详细说明了本实验的研究内容与目的、实验原理、试验台布置及系统运行过程、 实验系统主要部件、实验测量仪表和方法等；第五章为课题的实验研究，主要包 括实验工况的设计和调节、实验现象的观察、实验数据的处理、实验结果的不确 定度分析、实验结果的分析等。 1 3 2 课题研究的内容和目的 本课题的研究的内容和目的主要包括以下几个方面： ( 1 ) 课题可行性研究通过对圆管和竖壁降膜蒸发机理进行研究，并对其对 应降膜蒸发传热性能的主要影响因素进行对比分析，实现课题的可行性验证； ( 2 ) 平滑竖壁( 不带扩展面) 降膜蒸发的数值研究在考虑液膜厚度、气液界 面剪应力以及降膜过程的传质等因素的情况下，建立了竖壁降膜蒸发传热传质的 数学模型并采用有限差分的方法对其进行求解，对液膜的温度和速度分布、液膜 3 第1 章绪论 厚度沿流动方向的变化情况、淋液喷淋密度和壁面热通量对降膜蒸发换熟系数和 蒸发率的影响等进行了研究，旨在为后续研究提供参考和给予验证； ( 3 ) 带扩展面的竖壁降膜蒸发的数值研究采用v o f ( v o l u m eo ff l u i d ) 方 法，建立了带扩展面的竖壁上气液两相流c f d 模型，选用精度较高的几何重建 方案( t h eg e o m e t r i cr e c o n s t r u c t i o ns c h c n c ) 来实现通过实验无法完成的气液界 面跟踪，并对降膜板表面铜丝的直径和间距对液膜厚度和界面波动行的影响进行 研究，为更好的理解降膜蒸发过程的机理和对实验结果进行分析提供必要的支 持； ( 4 ) 带扩展面的竖壁降膜蒸发的实验研究对喷淋密度、加热功率以及铜丝 的直径、间距和布置方式等对蒸发传热系数系数的影响进行了研究，并结合数值 计算的结果对实验结果进行分析，旨在从表面状况和外部条件两方面探索提高降 膜蒸发传热系数的途径。 4 第2 章醉膜蒸发过程的传热性能研究 第2 章降膜蒸发过程的传热性能研究 目前，国内外的研究主要围绕强化降膜传热传质来进行，主要有以下三个方 向：降膜表面状况、降膜侧换热传质系数影响因素和液膜流动特性。已有的降膜 蒸发实验研究主要是单独的围绕圆管或平壁来进行。 本课题的研究对象带扩展面的竖壁是通过在竖壁上加铜丝( 肋) 来实现的，可 将其视为圆管型扩展面，而目前对这方面的研究很少，对其流动换热机理了解较 少，对其进行研究是必要的。 本文在此通过对圆管和平壁的降膜蒸发过程的传热机理及影响因素进行了 分析，并对已有的实验结果进行了比较，发现最佳的加热元件应是圆管和平壁的 一个中间几何形态，且圆管和平壁的降膜蒸发侧传热系数受各影响因素的影响具 有相似性，将二者结合起来研究是可行的。 2 1 圆管与平壁降膜蒸发传热机理分析 在降膜流动过程中，液体流动的推动力是重力沿壁面的切向分力，阻力是粘 滞力和蒸汽对液膜的剪应力，而粘滞力和剪应力相对与重力来说，其变化可忽略， 故重力沿壁面切向分力的变化成了引起液膜厚度和液膜流速变化的主要因素，进 而引起蒸发侧传熟膜系数的变化。 2 1 1 圆管降膜蒸发传热分析 对于圆管旧，如图2 1 所示，设液膜在圆管外表面做定常层流运动，在单位 管长的液膜内取微元体，忽略蒸汽引起的剪应力作用，可认为液体流动的推动力 是重力沿管壁的切向分力，阻力是粘滞力。对微元体沿】【方向建立力平衡方程： r d o 磊1 p g s i n o = r d 6 1 d - u( 2 1 ) 倒 对上式积分并结合边界条件： 当y = 0 时，“= 0 ， 当y = 磊时，“= 。 可得速度分布： “：m o o i o y ( 2 2 ) 5 第2 章降膜蒸发过程的传热性能研究 仓谚 图2 1 圆管降膜流动模型 可见，当液体物性确定时，液膜流动速度与角度o 有关，实验研究表明，降 膜蒸发侧传热系数h 0 9 h 。的区域占半周长的5 4 ，大约在兀，4 e 1 的椭 圆管可以实现增大该区域删。 l 0 8 扩 。4 0 2 0 03 06 09 01 2 01 5 01 8 0 8 ，。 图2 2 水平圆管液膜厚度分布图” 2 1 2 平壁降膜蒸发传热分析 对于平壁，如图2 3 所示，与圆管同样条件下，在单位壁长上取微元体，并 对微元体在x 方向上建立力平衡方程： 出a o 1 p g = d x 1 _ d u ( 2 3 ) 口v 对上式积分并结合边界条件： 当y = 0 时，“= 0 ， 当j ，= 磊时，u = u o 。 可得速度分布： ：盟y ( 2 - 4 ) 6 第2 章降膜蒸发过程的传热性能研究 g 图2 3 平壁降膜流动模型 可见，平壁上液膜速度分布与圆管在们处的液膜速度分布相同，若忽略降 膜蒸发过程中传质引起的液膜厚度变化，则可认为整个平壁蒸发侧传热系数一 致，散对平壁，降膜蒸发侧传热系数h o 9 h 。的区域为1 0 0 0 , 4 。 然而，这并不是说平壁就优于圆管。显然，平壁表面光滑使得液膜流动速度 快，且薄而均匀，但却减小了液膜的湍动程度，从而降低了传热效率。可见，最 佳的加热元件应是圆管和平壁的一个中间几何形态。 2 2 降膜蒸发影响因素分析 降膜蒸发过程的影响因素很多，已有研究主要是围绕降膜蒸发侧传热系数进 行，通常有喷淋密度、传热温差( 热通量) 、蒸发温度、加热元件形状及尺寸、 加热元件表面状况和淋液性质等。 国内外研究者围绕圆管和平壁对降膜蒸发影响因素进行了大量实验研究，国 外主要是在2 0 世纪7 0 年代到9 0 代进行的，而国内则是近年来研究较多，表2 1 中给出了一些近年来具有代表性的实验研究的研究对象和研究条件。本文将以喷 淋密度和传热温差对降膜蒸发侧传热系数的影响为轴线，通过对比来分析其它各 影响因素对降膜蒸发的影响。 表2 1 基于圆管和平壁的降膜蒸发实验研究 序号淋液种类加热元件 ( k g s - 1 ) t ( ) 文献 1去离子水 不锈钢管# 2 5 o o 3 5o 8 【3 4 2 去离子水不锈钢管# 4 0 o 0 3 5o 4 【1 4 3 葡萄糖溶液 不锈钢波纹竖管 o o 24 1 6 3 5 】 妒3 3 妒4 0 4 淡水竖板 o o 1 5o 7 1 1 】 5 海水( 3 0 9 l 1 )黄铜管# 1 9 0 1 2 5 0 2 2 5 o 3 5 3 6 】 7 一 一j j 阿翰饼讶嘲溯豳冒 第2 章降膜蒸发过程的传热性能研究 2 2 1喷淋密度对降膜蒸发侧传热系数的影响 喷淋密度的增加对降膜蒸发侧传熟系数的影响是复杂的，因为喷淋密度的增 加，一方面使得液膜厚度增加，热阻增大，不利于导热；另一方面使得液体流动 速度加快、液膜波动加剧，有利于对流换热。 龟 口拿 客 壹 0 0 0 5 0 10 1 5 0 20 2 5 0 3 0 3 5 川踞1 玎1 s - 1 图2 4 传热系数与喷韩 密度的关系 i olv 瑚5 4 - s o 2v 脚- ，s 如3t v - 8 8 t - - 5 - 。 c e - 2 哺 i i o 4 t = 5 d i o 4 t = 6 t _ c o s i o 6t v - - 盱 c e - - 0 r e s z 图2 4 给出了喷淋密度与降膜蒸发侧传热系数的变化趋势，可以看出，整体 趋势是，随着喷淋密度的增加，降膜蒸发侧传热系数先减小后增大。这是由于， 在喷淋密度较小时，液膜处于层流状态，通过液膜的导热对传热起决定作用，随 着喷淋密度的增加，液膜厚度增加，熟阻增大，这就使得传热系数有所降低；而 在喷淋密度较大时，液膜处于湍流状态，对流换热起决定作用，随着喷淋密度的 增加，湍流加剧，进而使得传熟系数增大。 此外，图2 4 表明，由于蒸发温度、加热元件形状及尺寸、加热元件表面状 况和淋液性质等条件的不同，使得蒸发侧传热系数随喷淋密度的变化有所不同。 许莉等对0 2 5 和似o 两种不同管径水平圆管的研究表明，喷淋密度的增大对小 管径的圆管传热系数增大影响更明显“”。冯志杰等对波纹竖管的研究表明，喷 淋密度增大对竖管传热系数的影响要比水平圆管和竖壁要明显。w x j i n 和刘 振义对不同表面状况的竖板的研究表明，表面状况不同会使得喷淋密度对传热系 数的影响有所不同。 8 第2 章降膜蒸发过程的传热性能研究 2 2 2 传热温差对降膜蒸发侧传热系数的影响 传熟温差对降膜蒸发侧传熟系数的影响主要包括以下三个方面：一是，当传 热温差增加时，热流随之增加，液膜温度升高，液体黏度将发生变化，进而影响 传热；二是，当传热温差增加时，加热用蒸汽的凝结就加快，液膜变厚，热阻增 加，不利于传热；三是，传热温差的增大，提高了壁面至液膜的熟通量，使蒸发 量增加，起到强化传热作用。 图2 5 给出了传热温差与降膜蒸发侧换热系数的变化趋势，可以看出，整体 趋势是，降膜蒸发侧传热系数随着传热温差的增大而减小。这是由于，传热温差 的改变，会同时影响蒸发侧和冷凝测的膜传热系数，冷凝侧是由于，传热温差的 增大会使冷凝侧液膜厚度增加；蒸发侧主要由液体黏度变化引起，但所起影响较 冷凝侧小。两方面综合作用，就使得降膜蒸发侧传熟系数随传热温差的增大而减 d 、。 05 1 01 5 1 亿 圈2 5 传热系数与传热温差的关系 h 1 + h 2 o3r = 0 1 l - ，h h = 8 c l - - z o s x i o3r ：0 约一，h t 茼l cc , - - 2 0 1 l x 1 1 o t i o5 l i e6r = 0 钿“h ) t e - - 6 5 cc , b , - - o ，囊一1 但是，不同加热元件和淋液，其影响因素还有所不同。许莉等的研究表明， 对于水平圆管，传热温差的增大，除了会使液膜厚度的增大外，还会造成液体积 聚变多，减小有效传热面积，导致传热系数降低哪“”。冯志杰等的研究表明，葡 萄糖溶液随传热温差增大，黏度将增大，使得传热系数降低滔1 ，而解利昕等研究 所用海水随着温差的增大，黏度将降低，使得传热系数增大。此外，冯志杰等 对葡萄糖溶液的研究还得出，在层流区随温差的增大，传热膜系数降低；在湍流 区随传热温差的增大，传热膜系数增大瞄 。 2 3 复合加热元件的构思 9 0 9 8 t 6 5 4 3 2 l 0 o k、售j事u 第2 章阡膜蒸发过程的传热性能研究 从上述分析可以看出，最佳的加热元件应该是圆管和平壁的一个中间几何形 态，而且各影响因素对圆管和平壁的影响的相似性说明将二者结合起来研究是可 行的。然而，已有研究主要是分别围绕圆管或平壁进行，通过改变其表面几何形 状或表面性质，来寻找强化传热的途径。基于此，本文引入在平壁表面加圆管型 肋的复合加热元件，如图2 6 所示。 0 霾 矿 d 鋈 0 o o o 0 方案一方案二 图2 6 复合加热元件 实验研究中，通过改变圆管型肋的直径d 和间距l 测量换熟系数的变化， 来找出最佳复合方式。其中方案一适用于小直径，既可增加表面湍动程度，又可 避免造成“干壁”现象，图中d 为所加肋同壁面的间距，用以保证铜丝浸入完全 和防止出现干壁；方案二适用于直径d 较大的情形，这就保证了研究的适用性。 此外，加热元件的加工较波纹板等要容易许多，极具经济意义。本课题主要针对 方案一来开展。 1 0 第3 章竖壁降膜蒸发的数值研究 第3 章竖壁降膜蒸发的数值研究 液体降膜流动过程中液膜的流动是不稳定的，尤其是当流动为湍流时，还具 有波动性和破断性等，因此通过实验研究很难得到精确的液膜流场，这就极大地 限制了对液膜传热、传质过程的研究。已有研究表明，采用数值方法求解液 膜流动是可靠的，这就可以为液体降膜流动传热、传质过程的研究提供了可靠的 流场数据，为液体降膜流动传热、传质机理的研究提供必要的支持。 本课题所采用的降膜流动换热元件的表面结构复杂，仅通过实验研究无法完 全获取流场数据、揭示传热机理，因此将采用v o f 法建立c f d 计算模型并对其 进行数值模拟。为了对所采用v o f 法提供验证，将先对表面状况简单的平滑竖 壁( 不带扩展面) 建立模型，并采用有限差分的方法求解。此外，对于平滑竖壁 的研究将对降膜过程的传质进行研究，这为后续研究揭示降膜蒸发机理提供了依 据，而且，也给后续实验部分的研究提供了支持。 3 1 平滑竖壁降膜蒸发的数值研究 目前，对于竖壁降膜蒸发数值的研究已经有很多文献”。但是，这些研究 大多没有完全考虑液膜厚度、气液界面剪应力以及降膜过程的传质等因素，已有 研究表明这些因素对降膜蒸发的换热是有一定影响的。 本文在考虑液膜厚度、气液界面剪应力以及降膜过程的传质等因素的情况 下，建立了平滑竖壁降膜蒸发传热传质的数学模型并采用有限差分的方法对其进 行求解，旨在研究：液膜的温度和速度分布、液膜厚度沿流动方向的变化情况、 淋液喷淋密度和壁面热通量对降膜蒸发传热系数和蒸发率的影响。 3 1 1 平滑竖壁降膜蒸发的几何模型 图3 1 所示即为平滑竖壁降膜蒸发的几何模型。具有一定流量、温度的液体 沿着竖壁自上而下流动，流动过程中，液体吸收壁面的热量而蒸发。整个模型为 二维模型，液膜沿壁面流动的方向为x 轴方向，法线方向为y 轴方向，即为液膜 厚度方向。 第3 章竖壁降膜蒸发的数值研究 3 1 2 基本假设 壁 穿t 0 y 蚶 张 膜 图3 1 平滑竖壁降膜蒸发的几何模型 为简化模型，作如下基本假设： 1 、淋液的物理特性恒定，不随淋液温度的变化而变化 2 、淋液降膜流动为稳定的层流光滑膜，忽略波动效果； 3 、轴向温度引起液膜热量的损失与潜热相比，忽略不计： 4 、热量通过表面蒸发传递，不存在核式沸腾； 5 、在气液界面处两相处于平衡状态； 6 、液膜厚度沿液膜流动方向维变化； 3 1 3 模型的控制方程 l 、运厦分布万栏： 材：一丛v 2 + 旦型v 2 t z 。弘。 2 、厚度分布方程： d 一1 2 v w q , r 工+ 1 2 v y 3 lp 。g h , p 。g 取工= 0 ，可得液膜入1 ：3 处厚度为： 瓦_ ( 剀i 3 、温度分布方程； a r 五- - w a 2 r i 2 瓦矿 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 竖 第3 章竖壁降膜蒸发的数值研究 边界条件为： 工= 0 ，0 y 磊丁= l 刚胚斛：等一笔 y = 五0 工工；r = z 珂 铲击( - 面1 2 0 q ”h 等 i 取工= 0 ，可得液膜入口处平均速度为： 一( 番 - 5 、平均蒸发率的计算： ”瓮争 式中，以= ，形，m 。= 甜a o 。p w 6 、平均传热系数的计算： ”搴艺 3 1 4 方程的数值解法 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 由于无法得到方程( 3 - 4 ) 的解析解，采用古典隐式差分格式求解该方程组， 即对工的一阶导数用向后差分，y 的二阶导数采用中心差分的形式。在网格划分 上，工方向均取1 0 0 0 等分，即每份长聊= l i l 0 0 0 ；y 方向，由于万沿流动方向 变化，故取每份长n = 点。1 0 0 0 ，每层上的分数n 由该层的厚度万，和每份长”决 定。具体求解时，采用雅可比迭代法，并用m a t l a b 编程计算，主要程序内容见 附录i 。 图3 2 给出了差分格式示意，i 和f 分别代表某一位置y 和z 方向的节点编 号，其中i = 0 ，1 ，2 ，j - - - - 0 ，1 ，2 ，1 0 0 0 。 对于正则点，具体差分格式为： 一饵一l j + 1 + ( 1 + 2 五) z ，+ l 一谚卅+ 】= 五， ( 3 一l o ) 1 3 第3 章竖壁降膜蒸发的数值研究 式中，五：_ 旦 f ：1 ，2 ，3 ，一2 ；，：o ， n p w c “i ，7 0 ， + 1 l y 图3 2 平滑竖壁降膜蒸发膜网格差分格式 图3 2 中画“x ”的节点表示差分格式是在这点列出的，画“o ”的节点则 是用到的节点，式( 3 10 ) 表示第- ，+ 1 层上相邻3 个节点的值与第j 层上的一个节 点的值的关系，其截断误差为： r 。= d ( m ) + o ( n 2 ) 对于非正则点和气液界面上的点，即乃- i , l 和乃，j = 1 ，2 ，1 0 0 0 ，由 于温度沿厚度方向变化是非线性的，若采用线性插值法容易导致不稳定，因此， 本文采用直接转移法。即取： 乃_ l ，= 乃，= 巧- 2 j ( 3 - 1 1 ) 其截断误差为o ( n 2 1 值得注意的是，计算液膜平均传熟系数时，壁面平均温度为i = 0 所有点的 均值，液膜平均温度取液膜入口和出口温度的算术平均值。 3 1 5 模型相关参数 1 、大气压力，p = 1 0 1 3 2 5 p a ； 2 、重力加速度，g = 9 8 m s - 1 ； 3 、所采用淋液( 水) 采用3 0 c 、4 0 c 、5 0 三种不同初始温度，各温度对应 的的物性参数见表3 1 ； 4 、模型尺寸，竖壁长工= 1 m ，竖壁宽形= 1 m ； 5 、与大气压力对应的干饱和水蒸气的焓值为2 6 7 6 2k j k f l ； 1 4 第3 章竖壁降膜蒸发的数值研究 6 、淋液喷淋密度和热通量，淋液喷淋密度o 0 2 y o 1 6 k g m - 1 s 1 ，热通量 2 0 0 0 g 1 6 0 0 0 k w 1 1 1 2 。 表3 1 淋液( 水) 物性参数表 3 1 6 计算结果及分析 1 、液膜厚度沿流动方向上的分布及其分析 由图3 3 3 5 可知，液膜厚度6 沿流动方向逐渐减小；对于一定入水温度 t i m ，同一位置上的液膜厚度6 随淋液喷淋密度t 的增大而增大，随热通量q 的增 大而减小；对于一定喷淋密度y 和热通量q ，同一位置上的液膜厚度6 随入水温 度t i 。的增大而减小。 可见，喷淋密度、热通量和入水温度的变化都会对液膜厚度的分布产生影响， 分析其原因有以下几个方面：一是，降膜过程中液膜的流动主要是由液膜自身重 力引起，因此增大喷淋密度除了使得液膜初度增大外，液膜厚度也随之增大；二 是，提高入水温度和增大热通量都会使液膜温度升高，蒸发量增大，进而使液膜 厚度减小；此外，降膜过程中，液膜不断的蒸发，再加上液膜温度沿流动方向增 大对液膜蒸发的促进，这就使得液膜厚度沿流动方向上不断减小。 x1 0 一 7 = 0 1 2 k q m 1s 1 一删0 w m - 一 m 4 7 = 0 k g m - 1 s - 1 - - c f q = 8 1 2 0 0 0 o w w m 。 7 = 。，0 5 k g m 一s - 1 。 0 x m 图3 3 液膜厚度沿流动方向上的分布图( l l - 3 0 ) 1 5 2 5 8 8 4 2 4 8 6 4 5 4 4 4 4 3 3 3 第3 章竖墼降膜蒸发的数值研究 t = 01 2 k o - m - 1 s j 二a5 0 0 面i 哥2 ： 一 y 一 一1 1 - - q 一= b v 0 、o r n w 忆m - x 2 j 7 = o 0 5 k a m - i s - 1 一一= z = x m 图3 4 液膜厚度沿流动方向上的分布图( t 。= 4 0 ) y = 01 2 k g m 一，s - 1 一铲= 5 l 如0 w ，r r 产 一 m y = 0 0 8 k g m 1 s - 1 本= 1 2 0 0 0 w m - 2 - - q = b 0 0 0 w 。- i 一； 。 7 - 0 0 5 k g m - 1 $ - 1 。 x m 图3 5 液膜厚度沿流动方向上的分布图( t l d - 5 0 ) 2 、液膜截面平均速度沿流动方向上的分布及其分析 由图3 6 3 8 可知，液膜截面平均速度1 l i i l 沿流动方向的分布和液膜厚度6 的分布近似。液膜截面平均速度液膜厚度1 】l l l 沿流动方向逐渐减小；对于一定入 水温度t i 。，同一位置上的液膜截面平均速度液膜厚度l l l l l 随淋液喷淋密度t 的增 大而增大，随熟通量q 的增大而减小；对于一定喷淋密度y 和热通量q ，同一位 置上的液膜截面平均速度液膜厚度l l i i i 随入水温度t m 的增大而增大。 分析可知，喷淋密度、热通量和入水温度的变化对液膜截面平均速度分布的 影响主要由以下几方面原因决定：一是，二次蒸汽剪应力的作用，由于液膜温度 沿流动方向上不断增大，其蒸发量也不断增大，相应二次蒸汽剪应力也随之增大， 由于没有