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1、中国工程热物理学会 传热传质学术会议论文 编号：153565水平管外水与海水降膜蒸发传热研究陈学1,2，牟兴森1，权生林1，龚路远1，沈胜强基金项目：国家自然科学基金项目（51336001,51376035）1,姜培学2（1大连理工大学 辽宁省海水淡化重点实验室，大连 1160242清华大学 热能工程系，北京100084）（Tel: Email: zzbshen）摘要：以水和天然海水为实验流体，对直径19mm铝黄铜管外降膜蒸发的传热特性进行了实验研究。实验测量了不同位置的管表面温度和蒸发器内饱和蒸汽温度，计算得到管外液膜平均与局部传热系数，分析了不同喷淋密度、蒸发

2、温度和管间距情况下管外液膜传热系数的变化规律。实验结果表明，在本实验范围内， s/d=0.8和s/d=1.25管外平均传热系数随着喷淋密度的增加呈现先增加后略微下降的趋势。纯水的平均传热系数随着蒸发温度的升高而上升，而海水的平均传热系数随蒸发温度的升高而略微下降。平均传热系数随着管间距的增加而增加，而管间距的增加使得上半管的局部传热系数有明显的增加，且这种影响随着周向角度的增加而减弱。关键词：水平管；降膜蒸发；海水；传热系数0 前言水平管降膜蒸发技术作为一种高效的传热手段被广泛应用在海水淡化、石油化工、制冷、食品加工等方面。水平管降膜蒸发技术拥有传热系数高、传热温差小等优点，在低温多效水平管降

3、膜蒸发海水淡化中，水平管降膜蒸发技术更是表现出了良好的综合特性。在水平管降膜蒸发传热领域，国内外学者做了大量研究工作1。对于蒸发温度的影响，Parken等2、Armbruster和Mitrovic3，Xu等4,5指出，水平管外平均传热系数在对流换热过程中随着蒸发温度升高而升高，而Ganic和Roppo6的研究却认为蒸发温度的变化对传热系数几乎不构成影响，而在对海水的研究中，Mu等5还发现海水的传热系数随着温度的上升而下降。在喷淋密度的变化上，Ganic和Roppo6、Hu和Jacobi7、Xu等4,8分别对不同的喷淋范围做了研究，认为管外平均传热系数随着喷淋密度增加而增加，而Mu等5,9，欧阳

4、新萍等10，蒋翔等11则指出，随着喷淋密度增大，管外传热系数到达一定程度后会出现略微下降的情况。Fujita 和Tsutsui12,13则认为管外平均传热系数随着喷淋密度先减小后增大。Ganic和Roppo6提出传热系数随着管间距的增加而增加。Hu和Jacobi7认为管间距对滴状和帘状流的平均传热没有明显影响，只是对冲击区的局部传热有影响，对柱状流情况，平均传热系数随管间距增大而升高。在水平管周向局部传热系数的研究中，Parken等2，Hu和Jacobi7，Mu等5,9,14均讨论了局部传热系数沿管周的变化，在变化的趋势上得到较为一致的结果。针对海水的水平管降膜蒸发传热研究较少，且基本集中于沸

5、腾传热15,16。牟兴森17针对对流占主导情况下的海水水平管降膜传热进行了实验研究，结果表明海水的传热系数随盐度的升高而降低。杨雁鸣等18研究发现脱硬处理对海水随蒸发温度的变化规律有较大影响。前人的研究由于条件的不同，其结论存在较大的差异，因此需要根据实际情况进行研究。本文以纯水与天然海水为实验流体，按照海水淡化装置中的常用喷淋密度范围，对不同蒸发温度和管间距的水平管降膜蒸发过程进行了实验。 1 实验系统与数据处理实验装置如图1所示，主要包含两个部分：循环系统和蒸发/冷凝系统。循环系统中，流体先在低位水箱中加热到合适温度，然后被水泵抽送到高位水箱，经过流量计后进入蒸发器，蒸发器底部的积液流入计

6、量罐，最后把流体通过射流泵送回低位水箱。内部设有溢流隔板与防扰隔板，分别用于平稳箱体内水位和防止进水的流动对出水产生干扰，保证出水口水流的平稳。蒸发/冷凝系统中，进入蒸发器的流体在水平管表面形成降膜，受热蒸发后产生蒸汽，蒸汽在冷凝器中凝结，未蒸发的流体进入循环系统。蒸发器通过真空泵及时抽取不凝气以及控制内部压力保持在蒸发温度对应的饱和压力。蒸发器内部结构如图2所示，管束均采用的是铝黄铜H A L77-2，从上至下第一根为喷淋管，有效喷淋长度为1600mm，管径25.4mm，喷淋方式采用管底部母线喷淋孔式喷淋，喷淋管开孔孔间距根据Yung等19总结的“泰勒不稳定式”计算确定为20mm，开孔孔径为

7、1.5mm。液体从喷淋管流出，在下列管表面形成均匀液膜。第二到五根为盲管，最下根为测试管，管径均为19mm，测试管内安装有定制加热棒。测试管表面通过开槽安置热电偶探头，开槽深度0.3mm，槽宽3mm，植入热电偶后用焊锡固定并填充间隙，然后将表面打磨光滑使之不影响液膜流动。测试管共安装有22个热电偶，在周向角度上以45间隔分布，如图3所示。实验采用热流密度为9.66kW/m2，蒸发温度范围为5070，喷淋密度范围为0.017 0.087 kg/(ms)，无量纲管间距s/d 为0.3、0.8和1.25（s为上下管间间隔长度，d为管径）。海水取自大连附近海域，盐度为3.0%。流量计误差为1.5%，机

8、械加工误差为1mm，热电偶精度I级。实验数据是在实验工况稳定后，每10秒记录一次，每组工况的数据采集量均达到200次以上，以保证实验数据的准确性和可重复性。图1 水平管外降膜蒸发传热实验系统图Fig. 1 The schematic of the experimental system图2 蒸发器内部结构图Fig. 2 The structure of evaporator图3 热电偶分布示意图Fig. 3 The distribution of thermocouples2 结果分析2.1 平均传热系数本文中的平均传热系数为整个管周上所有局部传热系数的算术平均值，平均传热系数通过下式计算获得

9、： (1)式中，ha为平均传热系数，q为热流密度，Tsat是饱和蒸发温度；Ta为管表面平均温度与饱和蒸发温度的差，平均温度为测得的管表面温度的平均值。2.1.1 喷淋密度对平均传热系数的影响图46所示为三种不同管间距的情况下，蒸发温度和喷淋密度对纯水和海水平均传热系数的影响，为单边喷淋密度。可以发现，在较小喷淋密度时，随着喷淋密度的增加，s/d=0.8和1.25的平均传热系数呈现上升趋势。当喷淋密度超过一定值时，平均传热系数则大体上呈现平稳或者略微下降趋势。以图6中60的海水为例，从0.017到0.061kg/(ms)时，其管外平均传热系数增加了22.9%，在0.061到0.087kg/(ms

10、)时，平均传热系数反而下降了2.1%。在s/d=0.3时，海水和纯水在随喷淋密度变化上没有表现出明显的变化规律，在整体上大致呈现略微上升的趋势。 纯水 海水图4 s/d=0.3时，喷淋密度和蒸发温度对平均传热系数的影响Fig.4 The effect of and T on ha with s/d=0.3纯水 海水图5 s/d=0.8时，喷淋密度和蒸发温度对平均传热系数的影响Fig.5 The effect of and T on ha with s/d=0.8纯水 海水 图6 s/d=1.25时，喷淋密度和蒸发温度对平均传热系数的影响Fig. 6 The effect of and T on

11、 ha with s/d=1.25在以对流换热占主导的液膜中，液膜厚度和液膜波动程度对传热系数有着最主要的影响。随着喷淋密度的增加，液膜的厚度增加，而液膜的波动幅度也会增加。这两种变化带来一种矛盾的影响：液膜厚度的增加使得液膜的导热热阻增加；相反，液膜波动幅度的增加会使得液膜扰动剧烈从而促进了对流换热。在本实验范围内，喷淋密度较小的时候，液膜波动幅度的增大在对平均传热系数的影响上占主导地位，因此喷淋密度增加，平均传热系数也增大。当喷淋密度到达一定程度时，液膜厚度的增加会抑制传热，因而平均传热系数出现了极值点。2.1.2 蒸发温度对平均传热系数的影响图46还表明了蒸发温度对平均传热系数的影响，可

12、以发现纯水的平均传热系数随着温度的升高而升高。这是由于以下三点原因：1.水的粘度随温度增加而降低，这使得液膜的流动速度有所增加，从而减小了液膜厚度，降低了导热热阻；2.水的表面张力随着温度的增加而降低，使得液膜波动更为剧烈，因此提高了换热效果；3.纯水的导热系数随着温度的升高而升高。相比纯水，海水表现出了不同的变化趋势，平均传热系数并没有随着蒸发温度的升高而升高，反而表现出了随温度升高而略微降低的趋势。Mu等9在用25.4mm管径的铝黄铜管的研究中，在相近实验条件下也发现了类似的现象。虽然纯水的平均传热系数随温度上升这一机理可以从其物性变化得知，但是海水的平均传热系数随温度变化要更为复杂。一方

13、面，天然海水的物性研究极其匮乏20，由于海水中不仅所含盐类众多，更含有诸多有机物，而目前对所谓海水的物性研究多集中在一元或多元盐水上。另一方面，海水在蒸发过程中会释放出大量诸如二氧化碳等不凝气，而液膜中的不凝气对传热会造成很大的影响，此外海水钙镁盐类的沉淀也可能对传热会造成一定的影响18。因此根据实验结果推断可能这是由海水的盐类沉淀或者在蒸发过程中海水中二氧化碳释放所导致。但是由于缺乏相关研究，因而在本文中还未能对此现象给出合理全面的解释。2.1.3 管间距对平均传热系数的影响管间距是蒸发器的重要的参数，它直接影响流体的下落距离，决定蒸发器的尺寸。图7和图8分别表示了60的纯水和海水在三种不同

14、管间距下平均传热系数随喷淋密度变化的分布。从图中可以发现，s/d=1.25和s/d=0.8这两种管间距的平均传热系数明显要高于s/d=0.3。而s/d=1.25的平均传热系数略高于s/d=0.8。例如，在=0.052kg/(ms)，s/d=1.25的平均传热系数比s/d=0.3要高出70.5%，而s/d=0.8的平均传热系数要比s/d=0.3要高出62%。导致这种原因是由于管间距的增大提高了流体撞击管壁的速度，使得管的上半部分液膜波动更为剧烈，从而促进了对流换热，同时管间距的增加使得液膜厚度略微变薄，在一定程度上降低了导热热阻。对于s/d=0.3，在19mm管径时，上下两管的间距仅5.7mm，

15、过窄的管间距使得液滴尚在生长阶段便已经接触到下管壁面，因此在几乎没有存在流体对管壁面的碰撞，使得作为重要扰动源之一的顶部液膜波动的影响大大下降，所以s/d=0.3的平均传热系数远远低于其他两个较大的管间距。此外可以发现s/d=0.3管间距的平均传热系数随喷淋密度变化相对不明显，管间流体是通过导流作用流走而不存在碰撞，所以喷淋密度的增加只提高了液膜的周向速度，而没有像较大管间距时同时提高周向速度和液膜法向波动。而在本实验中，液膜都处于层流状态，对于这种情况下的传热，法向波动加剧对液膜传热的影响比液膜流速提升带来的影响更大。因此管间距过小时，管外平均传热系数对喷淋密度的变化将变得相对不敏感。从两图

16、中还可以发现，管间距对平均传热系数的极值有一定的影响。s/d=1.25的极值位于0.061 kg/ms附近，而s/d=0.8位于0.052kg/(ms)附近。由于随着喷淋密度的增加，液膜的厚度逐渐增加，液膜波动也有增加，极值正是由于液膜厚度增加到一定程度而对传热产生抑制而产生的。这种管间距导致的极值差异正是由于管间距的增加，使得液膜厚度变薄的原因所造成的，液膜在原本的临界喷淋密度值时并未达到抑制传热时对应的厚度，因此需要继续增加喷淋密度使得液膜厚度达到传热系数变化的极大值，所以使得极值对应的临界喷淋密度有所向大喷淋密度偏移。图7 T=60时，管间距对纯水平均导热系数的影响Fig. 7 The

17、effect of tube spacing on ha of water with T=60图8 T=60时，管间距对海水平均导热系数的影响Fig. 8 The effect of tube spacing on ha of seawater with T=602.2 局部传热系数局部传热系数根据下面式子获得： (2)式中hl为局部传热系数，Tl为局部管壁温度与饱和蒸发温度的差。2.2.1 喷淋密度对局部传热系数的影响如图9所示为T=60，s/d=0.8时，喷淋密度对纯水局部传热系数的影响。由于喷淋密度的增加同时提高了液膜的厚度和速度，在这两种矛盾的影响下，喷淋密度对局部传热系数的影响变得较

18、为复杂。从图中可以看出，在喷淋密度从0.017到0.043kg/(ms)的变化中，随着喷淋密度的增加，液膜周向各点的局部传热系数均略微有所提高，以=45位置为例，传热系数提高了4.6%。这是由于喷淋密度增加提高了液膜的流速，因而整体各点的局部传热系数均有提高。当喷淋密度达到0.078kg/(ms)时，从图上可以看出，=0位置的局部传热系数则没有出现明显的下降，而=45到180的局部传热系数均有所下降，在=45位置，传热系数在喷淋密度0.043到0.078kg/(ms)下降了1.9%。这是由于0位置处于冲击区，没有受到液膜变厚带来的热阻增加的影响，而=45到180则由于液膜变厚对传热效果产生了抑

19、制作用，传热系数反而下降。在随喷淋密度变化上，管周各点局部传热系数的变化与平均传热系数一致，在喷淋密度到达临界值前，传热系数随喷淋密度增加而增大，在超过临界值后，传热系数出现了略微下降。 图9 T=60，s/d=0.8时，喷淋密度对局部传热系数的影响Fig. 9 The effect of on hl with =60, s/d=0.82.2.2 蒸发温度对局部传热系数的影响图10所示为以纯水为例，蒸发温度对局部传热系数的影响。从图上看出，蒸发温度的提高对水在整个周向角度上的传热效果均有较为明显的提升。蒸发温度所影响的是水的物性，温度升高，水的粘度降低，表面张力降低，导热系数增加。以上变化均促

20、进了整体液膜的传热。图10 =0.043kg/(ms)，s/d=0.8，蒸发温度对纯水局部传热系数的影响Fig. 10 The effect of Tsat on hl of water with =0.043kg/(ms), s/d=0.82.2.3 管间距对局部传热系数的影响如图11所示为管间距对局部传热系数的影响。图中可以看出随着管间距的增加，周向各点的局部传热系数均有不同程度的增加，且较小管间距s/d=0.3的局部传热系数总体上远小于s/d=0.8和1.25。图中可以发现，管间距对局部传热系数的影响主要集中在管的上半部（90），管间距对=0位置的局部传热系数影响最大，s/d=1.25比

21、s/d=0.8高出了11.68%。随着周向角度的增加，管间距增加带来的影响逐渐减弱。在=45时，s/d=1.25的局部传热系数比s/d=0.8高出了7.65%，而在=90时，该值仅为5.1%。这是由于管间距的提高加强了液膜撞击管壁时的速度，从而在撞击之后使得液膜产生了法相上的波动。因而在冲击区，液膜的扰动得到了一定程度的提升，但是随着周向角度的增加，这种法向上的波动逐渐减弱，在=90之后影响变得不明显。图11 T=60，=0.043kg/(ms) 时，管间距对局部传热系数的影响Fig.11 The effect of s/d on hl with T=60, =0.043kg/(ms)结论在本

22、实验范围内，得出结论如下：(1) 随着喷淋密度的增加，平均传热系数先增加后略微下降。在极值点之前，管周局部传热系数整体上随喷淋密度增加均有所上升，在极值点之后，除冲击区外的局部传热系数随喷淋密度增加而略微下降。(2) 随蒸发温度的升高，纯水的平均传热系数上升，而海水的平均传热系数略微下降。(3) 随管间距的增加，平均传热系数有所上升。管间距增加主要对管顶部的局部传热系数有较大的促进作用，这种促进作用随周向角度增加而降低。参考文献1Ribatski G, Jacobi M A. Falling-film evaporation on horizontal tubes-a critical rev

23、iewJ. INT J Refrigeration, 2005, 28: 635-653.2Parken H W, Fletcher S L. Heat transfer through falling film evaporation and boiling on horizontal tubesJ. Journal of Heat Transfer, 1990, 112: 744-750.3Armbruster R, Mitrovic J. Evaporative cooling of a falling film water film on horizontal tubesJ. Exp.

24、 Thermal Fluid Science, 1998, 18(3): 183-194.4Xu L, Ge M R, Wang S C, et al. Heat transfer film coefficients of falling film horizontal tube evaporatorsJ. Desalination, 2004, 166: 223-230.5Mu X S, Yang Y, Shen S Q, et al. Experimental study of heat transfer characteristics for horizontal tube fallin

25、g film evaporationC/Proceedings of the ASME 2012 Summer Heat Transfer , 2012.6Ganic N E, Roppo N M. An experimental study of falling liquid film breakdown on a horizontal cylinder during heat transferJ. J. Heat Transfer, 1980, 102: 342-346.7Hu X, Jacobi A M. The intertube falling film. Part 2. Mode

26、effects on sensible heat transfer to a falling liquid filmJ. Journal of Heat Transfer, 1996, 118(3): 626-633.8许莉,王世昌,王宇新,等.水平管外壁薄膜蒸发侧表面传热系数J.化工学报,2004,55(1):19-24.9Mu X S, Shen S Q, Yang Y, et al. Experimental study of falling film evaporation heat transfer coefficient on horizontal tubeJ. Desalinat

27、ion and Water Treatment, 2012, 50(1/3): 310-316.10欧阳新萍,邱雪松,姜帆.水平管外R404A降膜蒸发传热的实验研究J.制冷学报,2014,35(1):77-81.11蒋翔,朱冬生,唐广栋,等.蒸发式冷凝器管外流体流动与传热传质强化J.工程热物学报,2008,29(10):1698-1702.12Fujita Y, Tsutsui M. Experimental investigation of falling film evaporation on horizontal tubesJ. Heat Transfer JPN, 1998, 27: 609-618.13Fujita Y, Tsutsui M. Evaporation heat transfer o