蒸发式冷凝器管间下降液膜研究

中国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 热物理学会 学术会议 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 多相流 编号：066072 蒸发式冷凝器管间下降液膜研究 唐广栋，蒋翔：张景卫，王威，朱冬生 (华南理工大学化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州510640) 联系电话：020—87114568：Email．gdtang@163．COm 摘要蒸发式冷凝器内为水平管束外降液膜蒸发冷却过程，管间水膜流动可分为滴状流、柱状流、片 状流以及其它过渡流，这些不同的流动形态和特点对降膜换热有重要影响。通过对光滑圆管、椭圆管、 扭曲管三种管同水膜流动脱落和传热的研究，得出管间水膜流动形态的过渡过程及脱落特性，并结合 传热实验，得出水膜流动与传热性能间的关系． 关键词降膜：流动形态；蒸发冷却；蒸发式冷凝器 引言 水平管束降液膜热交换器早在1848年就已发明，作为蒸发器或冷凝器被广泛应用 于化学工业，海水淡化，制冷，石油化工，食品工业和节能过程中【I吲。蒸发式冷凝器就 是一种水平管束降液膜蒸发冷却装置，水均匀喷淋到管顶部，然后在管外滑落形成一层 水膜并在管底部积聚，脱落到下一层管排，同时气流从底部上升与水膜逆流流动。这个 过程中，水膜先是被管壁加热，然后由于汽液界面处水的蒸发作用而冷却。如图I所示， 管束间水膜的流动形态大体可分为：滴状流，柱状流，片状流，不同的水膜流动形态不 仅 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 了汽液界面的接触面积而且对界面处的蒸发过程也有重要影响，因此对蒸发式冷 凝器的传热传质和设计十分重要。本文将蒸发式冷凝器装置模型进行简化，主要对光滑 圆管、椭圆管、扭曲管管间水膜的流动和脱落特性进行了研究，得出了不同管型流动形 态的过渡过程，并结合传热实验进行进一步 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，以指导蒸发式冷凝器或其它降膜换热 器的设计及操作． ． 图l管闻水膜流动形态(a)滴状流(b)柱状流(c)片状流 项目基金：教育部新世纪人才支持 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (NCET040826)：广东省自然科学基金重点项目(04105950)： 顺德区产学研项目(SK20030809) 作者简介，唐广栋(1982一)。男(汉)，山东人聊堀人，硕士生研究生，从事蒸发式冷却和强化传热研究． 974 1实验方法与装置 1．1试验装置 如图2所示，实验装置主要由两部分组成。一个是测试部分，一个是液体循环系统。 1测试部分．它主要由一个箱体组成，箱体正面为透明有机玻璃，以便于实验观察； 布液管、稳液管、测试管、模型管从上到下依次固定在箱体两侧，通过移动固定螺丝可 以调节管子之间的间距S。布液管在箱体项部．来自水箱的液体通过它进行分布。关于 布液管的设计很多文献都有叙述，Fletcherl3】等(1975)采用钻孔板的形式；而Parkenl41 (1975)则利用圆管底部钻孔，并且孔问通过沟槽连接；MitroviciS](1986)采用布液管 底部开孔，并且紧贴注液管放置圆管以稳定水流分布；最近的文献中，如Hu【6】(1996)， Roquesl71(2002)等均采用Mitrovic的方法，证明能够得到稳定均一的液体分布．因此 本实验中也采用这种形式：布液管为①12mm的PVC管，底部开有一排小孔，孔径为① 1．5ram，孔间距为3mm：稳液管与布液管的间距SI为2mm，稳液管与测试管完全相同， 根据不同的测试管型对象来更换。测试管外径为d(对椭圆管和扭曲管指基管外径)，实 验中d=25mm，与稳液管的管间距为S，可以通过移动螺栓进行调解，本实验中固定S 为2d。 2液体循环系统．水泵将测试箱体底部的液体打到水箱，经过稳压后流过转子流量 计．通入布液管进行均布喷淋下流。 图2实验装置示意图 1．2测试管 如图3所示，所测示的三种管型照片，管子材料均为碳钢，管表面经过热浸锌处理。 圆管外径为25mm，椭圆管和扭曲管【Il】均由o25ram圆管加工制作而成。椭圆长短轴长分 975 别为29．0mm，19．0mm．测试时正立放置，即水流沿长轴方向：扭曲管截面椭圆长短轴也 为29．0mm，19．0mm。扭距为230ram。测试管管长为500ram，并且所有测试管在进行实验 前均经过砂磨处理，以彻底除去管表面的油污。 (b) (c) 图3三种测试管型：a．圆管， b．椭圆管，c扭曲管 2实验测试与分析 影响管间降膜流动形态的主要因素为液体喷淋密度厂．它表示单位管长上的淋水量， 单位kg／m．s．还包括液体的物理性质：动力粘度∥，密度P．表面张力tr；以及管径d和 管间距＆如果有气流存在的情况下，空气流速‰，也有一定影响。HuN将这些因素无量 纲化，得到影响管间降膜流动形态的几个无因次参数形式：Re，Ga，Oh，s／d，We。 R-c数代表惯性力和粘性力的比值，与喷淋流量有关；Ga数代表重力与粘性力的比值， 与液体的性质有关；Oh数代表管径效应：s／d则代表管子的几何结构影响。而以往的研 究表明，鼬和Ga影响是最大的，对于蒸发式冷凝器或其它降膜换热器其工作流体一般 为水，因此本文不把Ga数作为考察对象，主要考察Re对降膜流动形态的影响。R．e数 的计算公式为： 一 2rKe=一 弘 因此，采用从小到大增大水流量观测管间流动形态的过渡，并记录过渡点的流量值， 测试的环境参数为室温25"(2．相对湿度75％。并用数码相机和高速摄像仪拍摄过程中的 图像·高速摄像仪最高可达10000fps(幅／秒)，对于我们的试验采用250fps即可将液膜 的下降过程放慢观看，清晰观察脱落及流动特性。 2．1分布特性 在水流量较小时管间形成滴状流，如图4和5所示。并且从图4还可以看出液滴的 下落过程为：水先在管子底部积聚。并且逐渐增大，当直径增大到7-8nun时，重力与表 面张力和粘性力达到平衡，液滴开始下落(如图l所示)。下落过程中主液滴(称一次液 滴)与管子之间先形成一小段细液柱，随着一次液滴的下落，液柱逐渐断开，形成几个 小的液滴(称二次液滴)像尾巴一样随一次液滴下落。而一次液滴的直径按照Yung[8】 的计算公式为： 小Cl跞 976 式中，O——液体表面张力； P广—液体的密度： n——为常数，对于水。经验值取3。此公式的偏差在5％以内。 按照此计算公式得到水滴下落的主液滴直径为8nun，比实际测试值6nun大30％。 从图5还可以得到滴状流(或者柱状流)分布间距有一定规律，且间距九对于圆管 为25ram。而对于椭圆管为18ram(扭曲管不存在这个问题．这将在后面的2．2部分叙述)。 这是由于当一种较重的流体位于一种较轻的流体上面时，在两种流体界面便会形成一种 波长一定的不稳定波，这就是经典的泰勒不稳定性原理，而实验中管子底部水膜位于空 气中，正好是一种泰勒不稳定性现象。Yung[8】等人采用的不稳定性波长的计算公式为： 见：2石f旦 、f局g 式中，r为常数，对于水，经验值取3。此公式的偏差在15％以内。 按照这个公式，波长只与液体的性质有关，对于我们的水膜实验其入波长计算值为 24mm，这比实验观测到的圆管测试值25ram小4％，比观测到的椭圆管测试值18ram大33％。 对于圆管值Yung的公式在误差范围内，而对椭圆管则偏差过大。至于波长入是否与管径 有关还有待进一步研究，’而可以肯定的是天与管型有关。 图4水滴脱落 图5水滴分布间距 2．2液滴脱落特性 对于三种测试管，在相同喷淋密度厂=O．02kg／m·s下，观察其水滴脱落过程和特性， 并利用高速摄像仪进行记录。如图6。7．8所示。为高速摄像仪250fps拍摄的三种管型 上水膜脱落过程。从图6可以看到，水滴在圆管底部完成形成、增大、下落和脱离再到 恢复初始状态的全过程。其脱落过程需要时间356ms．完全脱离管子壁面时，一次液滴 的下降高度为65mm，而完成一个周期的时问为520ms；从图7可知，椭圆管上水膜的 脱落所用时间为304ms，完成一个周期的时间为344ms，全脱离时主液滴的下降高度为 46mm，因此椭圆管上水膜的形成、增大、下落和脱离所用时间都比圆管的少； 从图8可知，扭曲管上水膜的特性与圆管和椭圆管都不相同，这是由其特殊的结构 唧决定的：扭曲管截面均为相同的椭圆，并沿管子轴向连续变化，因此管子底部不在一 水平面上，为一凹凸曲面形式．因此存在一最低点。不难理解，扭曲管最低点处截面正 好是正立椭圆，即长轴沿竖直方向。从以上分析可知，扭曲管底部水滴(或水柱)分布 977 并不按泰勒不稳定性的规律，而是从正立椭圆处脱落，而相邻脱落点的距离应为扭距的 一半，在本实验中为115mmj要比圆管和椭圆管的分布间距大的多。由于脱落点的固定 和间距较大，圆管和椭圆管上形成的是滴状流，而扭曲管上却形成了柱状流(图8)，还 可以看到，水柱并不是成直线，而随时间不断扭动变化。 图6圆管水膜脱落过程 图7椭圆管水膜脱落过程 978 图8扭曲管水膜脱落过程 2．3流态过渡过程 从小到大增大喷淋水量，在三种管型上均可观测到滴状流、柱状流、片状流三种主 要流态及滴．柱状流、柱．片状流两种过渡流。如图9所示为流态过渡过程与Rc数的关系 图，l表示滴状流到滴．柱状流的过渡，2表示滴．柱状流到柱状流的过渡．3表示柱状流 到柱．片状流的过渡，4表示柱．片状流到片状流的过渡。从图9可知，流态过渡点处椭圆 管的Re数最高，其次为圆管和扭曲管，而椭圆管与圆管过渡点的k数比较接近，扭曲 管的则较低．这种结果应该和上面分析的水膜分布和脱落特性有关：椭圆管脱落速度快 而且下落距离短，因此不易形成柱状流和片状流，因此过渡点喷淋密度大，Rc数也较大； 扭曲管由于分布间距大，过渡点喷淋密度小．所以Rc数也较小。 另外实验还观测了三种管型刚好达到表面全面润湿时的喷淋密度值．圆管、椭圆 管、扭曲管的值分别为：O．02kg／m·S，O．015kg／m·S，O．03kg／m．s，这和水滴分布脱落和流 态过渡Re分布有一定相符性又有一定排斥性。对于椭圆管，。由于其顶部面积较小，且 水滴在其表面的重力的向下的分力较圆管大约l倍．所以水滴在椭圆管的顶部很快向下 铺展形成水膜。它的表面张力小。重力的向下分力大决定了其水膜铺展速度快、水膜厚 度薄的特点，因此容易达到全面的润湿；而扭曲管虽然过渡点对应的Rc数即喷淋密度 最小．而达到全面润湿所需的喷淋水量却最大，我们认为这是由于扭曲管复杂的表面结 构，在小水量时不易达到全面润湿，而且扭曲管与圆管和椭圆管不同的是它还存在上下 两层管的旋转排布问题，这里将不作深入讨论。 800 700 600 500 盏400 O ● ▲ 0 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．JL．．．．．．．．．．．．．．．．一 2 3 4 5 过渡状态 图9水膜流动过渡状态与Rc数的关系 979 2．4传热特性 根据我们所做的其它工作，具体参考文献10，11。是在蒸发式冷凝器中试样机上所 做的传热性能实验，得到三种管型在不同喷淋密度下热流密度的关系式，如图lO所示。 在实验范围内，三种管型的热流密度均随喷淋密度增大而增大。且扭曲管的传热效果最 好，椭圆管次之．圆管最差。这基本上正好和我们前面所得到的Re数与流态的过渡特 性相符，即R．e越低的管型其传热效果越好。而椭圆管却并不是很符合，但从椭圆管水 膜分布脱落和全面润湿的分析也能够得到椭圆管传热效果优于圆管的原因，而且实际的 蒸发式冷凝器中还存在气流的影响等，有一定的复杂性，有待因一步研究。 从图10中还看出，蒸发式冷凝器工业应用中喷淋密度操作值一般在0．04咖．05 kg，m·s之间，根据图9的实验测试值，对扭曲管这时应为柱状流，而对圆管和椭圆管 应为滴状流和柱状流的混合流动形态。 t 妻 》 型 翻 秘 壤 图10三种管型不同喷淋密度下传热特性 3结果与讨论 光滑圆管、椭圆管、扭曲管三种管型上的下降水膜均存在滴状流、柱状流、片状流 三种主要流态及滴．柱状流、柱．片状流两种过渡流。椭圆管上水膜的铺展脱落速度较快。 水滴(或水柱)分布间距较小；扭曲管上水膜在其管子最低点即正立椭圆处脱落，分布 问距等于扭距的一半。流态的过渡过程与Ik的关系图表明扭曲管上在较小的喷淋水密 度下即可达到柱状流或片状流。传热实验表明，三种管型的热流密度均随喷淋密度增大 而增大，且扭曲管的传热效果最好，椭圆管次之，圆管最差。Rc数分布图与传热特性有 ～定关系，但考虑蒸发式冷凝器实际的复杂性。特别是存在气流的影响，囚此水膜的流 动特性和传热特性的关系有待进一步的研究。 参考文献 【l】蒋翔，朱冬生．蒸发式冷凝器的发展和应用[J]．制冷，2002，21(4)：29--33． 980 【2】&Armbruster,J．Mitrovic，Evaporativecoolingofa fallingwaterfilmonhorizon协ltubes。[Jl Experimentalthermalandfluidscience,1998,18。183．194 【3】Fletcher．L．S，Semas．、‘Parken．w．H．Evaporationheattransfercoefficientsforthinseawaterfil吣∞ horizontaltube[J]．Industrialengineeringchemistry,ProcessDeS．1975，14(12)：411-416． 【4】Parken．w．H．Heattransfertothinwaterfilmsonhorizontaltubes[D]．RutgersUniversity,NJ。1975． f5】J．Mitrovic,InfluenceoftubespacingandflowrateonheatWansferfromahorizontaltubetOafalling 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1atertubeflowpatternsmainlycontaindropletmode，columnmode，andsheetmodetogether withintermediatemodes(coexistenceofdroplet-columnmodesandofcolumn．sheetmode)． thesedifferentflowmodesandpropertiesplayanimportantroleonfallingfilmheattramfen neflowchartanddroppropertiesoffallingfilmalsowiththeheattransferarestudiedfor plaintubes(circulartube)，ellipticaltubes，andtwistedtubes，theflowmodestransitionsalegot WithRenumber,reladOIlSbetweenflowcharacteristicsandheattransferarediscussed． Keywordsfallingfilm；patternsofflow；evaporativecooling；evaporativecondenser 98l 蒸发式冷凝器管间下降液膜研究 作者： 唐广栋， 蒋翔， 张景卫， 王威， 朱冬生 作者单位： 华南理工大学,化工与能源学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,广州,510640 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6193142.aspx