水平管降膜蒸发器传热特性研究 沈胜强.doc

中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：113345水平管降膜蒸发器传热特性研究沈胜强，梁刚涛，牟兴森，刘瑞(大连理工大学能源与动力学院，大连 116024)TelE-mail：摘要：本文建立了水平管降膜蒸发和管内凝结传热实验台，通过对实验结果的归纳，分析了水平管降膜蒸发器总传热系数随喷淋密度、蒸发温度、总传热温差和入口蒸汽流速的变化规律，讨论了不同管间距对传热特性的影响。结果表明，总传热系数随喷淋密度、蒸发温度的增大而增大，随传热温差的增大而减小，而蒸汽流速对传热系数影响较小；在本文研究的管间距范围内，当管间距为46.7 mm时，总传热系数最高。关键词：水平管降膜蒸发器；蒸发；凝结0 前言水平管降膜蒸发作为一种高效传热过程，传热系数较高，与竖管降膜蒸发相比较，水平管降膜蒸发传热系数是竖管降膜蒸发传热系数的2倍1，另外还具有传热效率高、传热温差小、低温传热性能优良等优点，被广泛应用于海水淡化、海洋温差发电、制冷工程、食品加工、制药、石油化工等领域。国内外的学者对水平管降膜蒸发器的传热过程进行了大量的实验研究，一些是关于降膜蒸发过程的研究，一些是关于管内凝结、管外降膜蒸发综合传热的研究。马学虎2的实验结果显示，总传热系数和蒸发侧传热系数随喷淋密度的增加先减小后增大；增大管内蒸汽出口流速，蒸发传热系数和总传热系数基本保持不变，而凝结传热系数明显增大。解利昕1认为，总传热系数随传热管外流体Re的增加而增大，在一定传热温差范围内与传热温差无关，随蒸汽流速增加变化不大。任显龙3的实验表明，管外蒸发传热系数随喷淋密度和蒸发温度的增大而增大。Fletcher4发现，管外蒸发传热系数在高蒸发温度时随蒸发温度的升高基本不发生变化，在低蒸发温度时随蒸发温度的升高略有升高。Fujita5认为，当管外是对流传热时，蒸发传热系数与热流密度无关；随着喷淋密度的增大，传热系数先减小后保持不变然后又增大。Parken6的实验结果显示，对流传热时蒸发传热系数随着蒸发温度、喷淋密度的增大而增大，与热流密度无关；沸腾传热时随蒸发温度和热流密度的增大而增大，随喷淋密度增大略有升高。纵观对水平管降膜蒸发器传热过程的实验研究，多数集中于管外降膜蒸发的研究上，对管内凝结、管外蒸发的总传热系数的研究仍显不足，而不同研究结论显示了基础研究的不足。本文针对水平管降膜蒸发传热特性，在对管内和管外传热过程分别测量的基础上，探讨水平管降膜蒸发器总传热系数受喷淋密度、蒸发温度、总传热温差和蒸汽流速的影响规律，并给出了不同管间距下传热系数的比较结果。1实验装置及方法为了获得水平管降膜蒸发器总传热系数，分析管内凝结、管外蒸发各自的传热特点，分别建立了管外降膜蒸发传热实验台和管内凝结传热实验台。图1为管外降膜蒸发实验系统简图。该实验台用于测定水平管外降膜蒸发侧传热系数。蒸发流体在加热水箱1中加热到一定温度后被泵入高位水箱2中，通过流量调节阀进入到蒸发器3中并被均匀分布于传热管外表面，形成降膜蒸发；蒸发器产生的蒸汽进入冷凝器5中凝结，未蒸发的流体则进入到计量罐4中。传热管采用直径25.4 mm、长度1600 mm的HAL77-2A管，壁厚0.7 mm，管子内部设置电加热器。实验参数范围为：蒸发温度40-70 ，喷淋密度0.026-0.070 kgm-1s-1，加热功率0-3 kW。本文介绍的是采用淡水作为蒸发流体的结果。1 加热水箱；2高位水箱；3 蒸发器；4 计量罐；5 冷凝器图1 管外蒸发实验系统简图图2为管内凝结实验系统简图。该实验台用于测定管内凝结传热系数及蒸汽流动阻力。实验蒸汽在一定压力下进入传热管中与管外的冷却水换热并凝结，实验段尾部未凝结蒸汽和凝结液在汽-液分离器3中分离，蒸汽进入冷凝器4，所有的凝结液收集到集液罐5中。凝结传热测试单元分为5段，每段由2000 mm长的HAL77-2A管套管换热器组成，传热管外径25.4 mm，壁厚0.7 mm，有效传热长度1800 mm，每段之间是300 mm长的石英玻璃管，用于观测每段末端的两相流型。实验参数范围为：蒸汽温度40-65 ，入口蒸汽流速20-80 ms-1。1 锅炉；2 实验段；3 气-液分离器；4 冷凝器；5 集液罐；6 冷却水箱图2 管内凝结实验系统简图本文以上述两个实验台得出的实验数据及整理出的实验规律为基础，分析水平管降膜蒸发器的传热特性。2 传热特性分析2.1 喷淋密度对总传热系数的影响图3给出了不同管间距S下总传热系数K随喷淋密度的变化趋势，图中蒸发温度为50 ，传热温差为3 ，蒸汽流速为45ms-1。由图可以看出，在本实验参数范围内，K随的增大而增大。通过对管外降膜蒸发过程的分析可知，随着的增加，一方面，液膜厚度增加，导致传热热阻增大；另一方面，管外液膜流动速度加快，液膜内的扰动加剧，有利于强化对流传热。实验发现，在0.03-0.07 kgm-1s-1的范围内时，液膜波动的作用强于液膜厚度增加的影响。而的增大对管内凝结传热系数影响不大7，因此随着的增大，K呈上升趋势。图3 K随的变化曲线2.2 蒸发温度对总传热系数的影响图4 K随T的变化曲线图4为喷淋密度0.07 kgm-1s-1，传热温差3 ，蒸汽流速45ms-1时蒸发温度T对K的影响。K随T的升高而增大。一方面，当蒸发温度增加时，液体的粘度减小，有利于管外液膜的波动，同时液膜平均厚度降低，热阻减小，有利于传热；另一方面，蒸发温度的升高又使液体的表面张力减小，使得液膜波动加剧，对强化传热的作用更加明显。当总传热温差一定时，蒸发温度的升高，对应着管内凝结侧的温度升高，也可导致管内凝结液膜的厚度减小，凝结侧传热系数增大8。本文的实验结果显示，总传热系数的升高主要源于管外降膜蒸发传热系数的提高，以蒸发温度40 时为例，当S为57.2 mm、33.0 mm和46.7 mm时，蒸发侧传热系数分别是凝结侧传热系数的77.8%、68.6%和88.6%，因此管外降膜蒸发传热系数是整个传热过程的控制因素。2.3 总传热温差对总传热系数的影响图5 K随T的变化曲线图5为喷淋密度0.05 kgm-1s-1，蒸发温度40 ，蒸汽流速45ms-1时K随总传热温差T的变化规律。随着T的增大，K呈下降趋势。温差的增大使热流密度增大，增加了凝结液的流量，使凝结液膜厚度增加；另外凝结液流量的增加使传热管底部凝结液所占传热面积与总传热面积的比例增大，这两方面的影响导致管内传热系数降低。Ribatski9认为，当管外蒸发属于沸腾传热时，蒸发传热系数随热流密度的增大而增大；属于对流传热时，传热系数不受热流密度的影响。实验观察发现，喷淋液降膜蒸发时并没有气泡产生，因此本文实验参数范围属于对流传热，所以总传热系数随传热温差的增大而下降。2.4 蒸汽流速对总传热系数的影响图6 K随vs的变化曲线图6为总传热系数K随蒸汽入口流速vs的变化趋势，图中喷淋密度为0.05 kgm-1s-1，蒸发温度为50 ，传热温差为3 。K随vs增大略有升高，但影响不大。蒸汽流速的提高有助于管内不凝气的排除，蒸汽流速的提高还使得蒸汽对凝结液膜的剪切力增加，液膜厚度降低，表面波动加剧，所以管内凝结传热系数提高。管内蒸汽流速对管外蒸发传热系数的影响可以忽略7，根据本文2.2节的结论，蒸发传热系数在降膜蒸发过程中起主导作用，因此总传热系数随蒸汽入口流速的增加变化不大。由图3-图6可以看出，当管间距S=46.7 mm时，总传热系数K最大，分析认为管间距主要影响管外蒸发侧传热系数。在液滴下落过程中，由于重力作用，液滴下落速度近似等于（2gS）1/2，较大的管间距会增加液体下落速度，从而增强液体与传热管表面的碰撞，加剧液膜在传热管表面的波动，提高蒸发传热系数。但是当管间距过大时，液体在管壁的溅射损失加据，导致液膜分布不均匀，降低蒸发传热系数，因此过大的管间距对传热未必有利，在蒸发器设计中，必须选择合适的管间距。3 结 论本文通过对实验结果的归纳，总结出了水平管降膜蒸发器传热系数K在不同管间距下随喷淋密度、蒸发温度、总传热温差及入口蒸汽流速的变化规律，得出以下结论：（1）在实验范围内，K随喷淋密度的增大而增大，随蒸发温度的升高而增大。（2）K随总传热温差的增大而下降，随入口蒸汽流速的升高变化不大。（3）管间距为46.7 mm时，传热系数最高。符号说明K总传热系数，Wm-2S管间距，mmT蒸发温度，g重力加速度，ms-2vs入口蒸汽流速，ms-1顶排管喷淋密度，kgm-1s-1T总传热温差，参考文献1 解利昕, 阮国岭, 张耀江, 王世昌. 水平管薄膜式蒸发装置传热研究J. 水处理技术, 2000, 26 (02): 90-92XIE Lixin, RUAN Guoling, ZHANG Yaojiang, WANG Shichang. Heat Transfer of Horizontal-Tube Falling Film EvaporatorJ. Technology of Water Treatment, 2000, 26 (02): 90-922 马学虎, 安家明, 朱晓波, 陈嘉宾, 邓新禄. 表面处理水平管外海水降膜蒸发传热的初步实验研究J. 水处理技术, 2004, 30 (01): 22-25MA Xuehu, AN Jiaming, ZHU Xiaobo, CHEN Jiabin, DENG Xinlu. Preliminary Investigation of Seawater Falling Film Evaporation on Treated SurfacesJ. Technology of Water Treatment, 2004, 30 (01): 22-253 任显龙. 横管降膜蒸发传热实验研究D. 大连：大连理工大学, 2008REN Xianlong. Experimental investigation on heat transfer of horizontal-tube falling film evaporationD. Dalian: Dalian University of Technology, 20084 L. S. Fletcher, V. Sernas, W. H. Parken. Evaporation Heat Transfer Coefficients for Thin Sea Water Films on Horizontal TubesJ. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1975, 14 (4): 411-4165 Y. Fujita, M. Tsutsui. Experimental investigation of falling film evaporation on horizontal tubesJ. Heat Transfer - Japanese Research, 1998, 27 (8): 609-6186 W. H. Parken, L. S. Fletcher, J. C. Han, V. Sernas. Heat transfer through falling film evaporation and boiling on horizontal tubesJ. Journal of Heat Transfer, 1990, 112 744-7507 L. Xu, M. Ge, S. Wang, Y. Wang. Heat-transfer film coefficients of falling film horizontal tube evaporatorsJ. Desalination, 2004, 166 223-2308 L. Xu, S. Wang, S. Wang, Y. Wang. Studies on heat-transf