板管蒸發(fā)式冷凝器流體流動特性及傳熱實驗研究

1、華南理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文板管蒸發(fā)式冷凝器流體流動特性及傳熱實驗研究 姓名：張景衛(wèi) 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：化學(xué)工程 指導(dǎo)教師：朱冬生 20080501 摘 要 節(jié)能節(jié)水已經(jīng)成為我國能源發(fā)展中長期規(guī)劃的目標(biāo)和重大需求。節(jié)能是國家發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一項長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是解決當(dāng)今能源問題的首要途徑；提高水的重復(fù)利用率是節(jié)水的首要途徑。蒸發(fā)式冷凝器作為一種節(jié)能節(jié)水的新型高效換熱設(shè)備，在我國能源與水資源日趨緊張的今天得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。 板管蒸發(fā)式冷凝器是根據(jù)薄膜傳熱傳質(zhì)理論和蒸發(fā)冷凝換熱理論相結(jié)合而開發(fā)出來的一種高效節(jié)能節(jié)水冷卻設(shè)備，其工作過程涉及氣液兩相流的流動特性、兩相流的傳熱傳質(zhì)及其耦合，這方面

2、尚無成熟的理論和計算公式，需要對板管表面氣液兩相流的流動特性及傳熱傳質(zhì)進(jìn)行深入理論研究和實驗研究。 本文首先對板管內(nèi)工藝流體冷凝傳熱特性、板管外水膜的流動分布及氣液兩相流熱質(zhì)交換過程進(jìn)行分析，建立了板內(nèi)流體流動的三維計算模型與板外氣液兩相降膜流動的二維計算模型，利用計算流體力學(xué)（）軟件進(jìn)行了模擬，研究了板結(jié)構(gòu)、噴淋水量、風(fēng)量及風(fēng)向?qū)λち鲃犹匦缘挠绊?，并分析了它們對板管蒸發(fā)式冷凝器的傳熱影響機(jī)理。結(jié)果表明：板內(nèi)工藝流體采用對角進(jìn)出比同側(cè)進(jìn)出時壓力場、溫度場分布更加均勻；波紋的結(jié)構(gòu)尺寸對液膜的流動分布影響較大，較小的觚可以降低重力在液膜表面法向分量的波動程度，降低液膜內(nèi)部壓力場的波動強(qiáng)度，有助于

3、連續(xù)液膜的形成；水膜厚度隨水量的增大而增大，空氣與水并流比逆流更有利于利用液體薄膜強(qiáng)化傳熱的特性。 建立了板管蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能實驗平臺。研究了不同風(fēng)向操作（氣液兩相并流、逆流與錯流）、噴淋密度、風(fēng)量、工藝流體進(jìn)出口位置及填料對板管蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能的影響，并采用高速攝像儀和紅外攝像儀對板管蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行了可視化分析，結(jié)果表明：（）實驗范圍內(nèi)，并流操作下，在廠為 ·”一，為 ·時，丘積為 ·；逆流操作下，在廠為 ·”，甜為 ·。時，鈿艤為 ·。；錯流操作下，在廠為 ·一，為 ·時，缸為·五，傳熱效果

4、依次為并流逆流錯流。（）實驗范圍內(nèi)，三種操作在各自最佳風(fēng)速下，蒸汽對角進(jìn)出時的熱流密度均比蒸汽同側(cè)進(jìn)出時大，錯流操作時增幅約，逆流約，并流約；相比較冷凝傳熱系數(shù)、水膜對流傳熱系數(shù)、空氣水當(dāng)量傳熱系數(shù)隨噴淋密度的變化情況，只有氣液界面處當(dāng)量傳熱系數(shù)與總傳熱系數(shù)隨噴淋密度的變化曲線很相似，可以認(rèn)為氣液界面處的傳熱階段是整個傳熱過程的關(guān)鍵控制階段。 （）相同噴淋密度或風(fēng)速下，熱流密度隨填料層厚度的增加而增大。 通過對板管蒸發(fā)式冷凝器模擬與實驗研究對比分析，結(jié)果表明，本文建立的數(shù)學(xué)模型與實驗研究的結(jié)果吻合甚好。 本課題通過對板管蒸發(fā)式冷凝器流體流動特性及傳熱實驗研究，豐富了蒸發(fā)式冷凝器的理論研究體系，

5、為進(jìn)一步研究板管蒸發(fā)式冷凝器的性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。關(guān)鍵詞：蒸發(fā)式冷凝器；模擬；可視化；傳熱；降膜 ” ， ， ， ， ， ， 也 ， ， ?螅瑁澹? （） ， ， ； ， ； ； （ ，）， ， ， 、 ， ：（） ，怖戤 · ·” ·。 ；戡 ·藝 ·”。 ， · ；救 · ·” · 、（） ， ， ， ， ； ， ， （） ， ， ， ： ； ； ； 物理量名稱及符號表 彳 面積 壓強(qiáng) 常數(shù) 抑 普朗特數(shù) 定壓比熱 ·埏。 熱負(fù)荷 萬 動量源項 ， 熱流密度 。 摩擦系數(shù) 雷諾準(zhǔn)數(shù)

6、 蒸汽質(zhì)量流量 · ， 汽化潛熱，熱阻 ·，·· 重力加速度 。 溫度 板壁高度 溫度，時間 ， 比焓，拱高 （·， 瓦 噴淋水溫度 空間步長 ， 時間步長 傳熱系數(shù) 。 潤濕周邊 傳質(zhì)系數(shù) 甜 流速 。 后 湍動動能 體積流量 板長 運(yùn)動粘度 。 常數(shù) 形 噴淋水質(zhì)量流量 ·。 板片數(shù) 片 蒸汽干度 撐 努謝爾特數(shù)希臘字母口 傳熱系數(shù) 之 善 兩相區(qū)空隙系數(shù)名 導(dǎo)熱系數(shù)，波長 ， 蒸汽比容 以 動力粘度 ·一· 密度 ·。 流道斷截面周長 萬 壁厚 拉普拉斯算子 廠 噴淋密度 一。廠 體積分率 占 湍流

7、耗散率 盯 表面張力 。上下標(biāo) 冷凝狀態(tài)，第個時間步長 口 空氣 板 水 當(dāng)量，板外表面 飽和狀態(tài)， 熱流體 ， 板管內(nèi)，第個節(jié)點 氣相 液膜， 液相，冷凝狀態(tài) 有效，平均廠 水膜表面，自由流動 坐標(biāo)處 氣相與板壁接觸面 華南理工大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：彳擻衛(wèi) 日期：矽辟月日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作

8、者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬華南理工大學(xué)。學(xué) 校有權(quán)保存并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許 學(xué)位論文被查閱（除在保密期內(nèi)的保密論文外）；學(xué)校可以公布學(xué)位論 文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、 匯編學(xué)位論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 本學(xué)位論文屬于： 口保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。 目不保密。 學(xué)位論文全文電子版提交后： 口同意在校園網(wǎng)上發(fā)布，供校內(nèi)師生和與學(xué)校有共享協(xié)議的單位瀏覽。 （，舊在以上相應(yīng)；框內(nèi)打“”） 作者繇豸緣衛(wèi) 日期：羅鄉(xiāng) 指導(dǎo)教師簽名： 日期

9、： 二。占。 第一章緒論 第一章 緒論 研究背景 我國能源資源利用現(xiàn)狀及政策 我國既是一個能源生產(chǎn)大國，又是一個能源消耗大國，單位能源消耗，年較上年上升，年較上年上升，年又較上年上升，年，全國能源消費(fèi)總量為億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比年增長，單位能耗噸標(biāo)準(zhǔn)埔萬元，比年下降，與的既定目標(biāo)有一定的差距，年較上年下降，節(jié)能萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能減排的成效較為明顯，但我國能源消耗仍然浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能潛力巨大。節(jié)約能源已經(jīng)被專家視為與煤炭、石油、天然氣和電力同等重要的“第五能源”， “十一五規(guī)劃綱要明確提出：到年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗要下降左右，首次將具體明確的節(jié)能降耗指標(biāo)納入了五年規(guī)劃，要把節(jié)約資源作為一項基本國策。 我國

10、是一個水資源緊缺的國家，全國正常年份缺水量約億。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和人口增長，“水”的問題已日益成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。節(jié)約用水、高效用水是緩解水資源供需矛盾的根本途徑。 節(jié)能節(jié)水是國家能源發(fā)展中長期規(guī)劃的目標(biāo)和重大需求，節(jié)約用水的核心是提高用水效率和效益。目前，我國用水效率不高，水污染嚴(yán)重，萬元用水量是世界平均水平的四倍左右，工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量是發(fā)達(dá)國家的五至十倍，距世界先進(jìn)水平還有較大差距。據(jù)統(tǒng)計，我國目前工業(yè)需水量約為億，其中用水綜合重復(fù)率為，到年，需水量約為億，而用水綜合重復(fù)率達(dá)到。因為在工業(yè)生產(chǎn)中約的用水是冷卻水，而冷卻水中的曠又是間接冷卻水，由于這部分水無其他水質(zhì)污

11、染，通過冷卻設(shè)備降溫后即可循環(huán)利用。從節(jié)能和環(huán)保的觀點來看，冷卻水的直接排放，不僅會造成很大的能源浪費(fèi)，還會造成對環(huán)境的熱污染，因此提高冷卻水的循環(huán)率應(yīng)大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水重復(fù)利用技術(shù)，提高水的重復(fù)利用率是工業(yè)節(jié)水的首要途徑，重點要求大力發(fā)展高效換熱技術(shù)和設(shè)備【。美國工業(yè)用水的循環(huán)率達(dá)。，代表世界先進(jìn)水平，我國與之差距甚大，因而冷卻水循環(huán)利用設(shè)備的潛在市場很大【，】強(qiáng)化傳熱技術(shù)及其應(yīng)用 強(qiáng)化傳熱技術(shù)是指能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術(shù)，其主要內(nèi)容是采用強(qiáng)化傳熱 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文元件和改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)，提高傳熱效率，從而使設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到最低【。從強(qiáng)化的傳熱過程來分，可分為導(dǎo)熱過程的

12、強(qiáng)化、單相對流傳熱過程的強(qiáng)化、沸騰傳熱過程 的強(qiáng)化、凝結(jié)傳熱過程的強(qiáng)化和輻射傳熱過程的強(qiáng)化。從提高傳熱系數(shù)的各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)來分，可分為有功技術(shù)和無功技術(shù)，也將其稱為有源強(qiáng)化技術(shù)和無源強(qiáng)化技術(shù)，主動式強(qiáng)化技術(shù)和被動式強(qiáng)化技術(shù)【。主動強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到外加能量等因素制約，因而工程實際中常采用被動強(qiáng)化傳熱技術(shù)，即通過增加單位體積內(nèi)的傳熱面積或提高傳熱系數(shù)而使單位時間內(nèi)傳遞的熱量增加。 自傳熱學(xué)形成學(xué)科以來，強(qiáng)化傳熱的問題始終是人們關(guān)心的課題，是傳熱學(xué)研究的重要方向，被稱為第二代傳熱技術(shù)。迄今為止，強(qiáng)化傳熱技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如動力、冶金、石油、化工、材料、制冷以及空間、電子、核

13、能等，均涉及；熱、冷卻和熱量傳遞的問題。 用液膜進(jìn)行傳熱傳質(zhì)已經(jīng)成為動力、化工、制冷、輕工、食品等工業(yè)中最重要的單元操作之一。若液膜足夠薄，其傳熱、傳質(zhì)強(qiáng)度則是同等流動條件下的單相流動的幾倍或幾十倍。液膜傳熱傳質(zhì)具有一系列優(yōu)點：效率高，強(qiáng)度大，溫度或濃度梯度?。涣髁啃?，消耗功率少；液固、氣一液相之間的接觸面積大，傳熱傳質(zhì)充分，過程時間短；設(shè)備簡單，操作維護(hù)方便。因而在冷卻、蒸發(fā)和吸收過程中已作為一項高效強(qiáng)化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。板管蒸發(fā)式冷凝器就是利用薄膜傳熱傳質(zhì)理論與蒸發(fā)冷凝換熱理論開發(fā)出來的一種高效冷凝換熱設(shè)備。冷凝器的種類及特點 冷凝器是蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中必不可少的部件，它的作用是將制冷

14、壓縮機(jī)排出的高溫過熱蒸汽冷卻冷凝為高壓液態(tài)制冷劑，其運(yùn)行特性將直接影響制冷裝置的性能及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在制冷工藝中，冷凝器的合理設(shè)計是提高制冷能效比的一個重要環(huán)節(jié)。根據(jù)冷卻流體的不同種類，冷凝器可歸結(jié)為三類：空冷式、水冷式、空氣和水聯(lián)合冷卻式， 空冷式冷凝器最大優(yōu)點是不需要冷卻水，因此，它很適用于水資源缺乏的地區(qū)。因空冷式冷凝器傳熱系數(shù)小，造成設(shè)備制造成本和運(yùn)行費(fèi)用較高，故空冷式冷凝方式一般只運(yùn)用于小型制冷機(jī)組。 由于水資源短缺，目前水冷式冷凝器普遍采用循環(huán)水的形式，有臥式殼管式冷凝器、立式殼管式冷凝器和套管式冷凝器等型式。 臥式殼管式冷凝器的優(yōu)點是傳熱系數(shù)較高，冷卻水耗用量較少。目前已廣泛應(yīng)用

15、于 第一章緒論氨和氟利昂制冷系統(tǒng)中。立式殼管式冷凝器的優(yōu)點是占地面積小，可以裝在室外；清洗較方便，可在制冷系統(tǒng)運(yùn)行的情況下清洗。缺點是冷卻水消耗量較大。目前，立式殼管式冷凝器主要用于大、中型氨制冷系統(tǒng)中。套管式冷凝器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、便于制造、體積小、傳熱性能好、冷卻水的利用率高。它的缺點是清除水垢困難，一旦出現(xiàn)故障很難修理，必須更換整套冷凝器，并且缺乏足夠的空間使液態(tài)制冷劑與氣態(tài)制冷劑分離，因此大型制冷系統(tǒng)很少采用套管式冷凝器。 冷卻塔按通風(fēng)的方式可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，按塔體的結(jié)構(gòu)可分為逆流塔、橫流塔、斜流塔和噴射式冷卻塔等【】。由于冷卻塔中要引入空氣，運(yùn)用風(fēng)機(jī)和其他輔助設(shè)備，消耗

16、能量；冷卻塔主要利用水的顯熱完成冷卻過程，其循環(huán)水用量大，飄水率高，導(dǎo)致水耗散量大。 淋水式冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，清洗方便，對水質(zhì)要求低，一旦出現(xiàn)故障，維修方便。其缺點是占地面積大，金屬材料耗用量大，受氣候的影響較大，主要靠顯熱傳熱，傳熱系數(shù)低。 蒸發(fā)式冷凝器主要利用水的潛熱帶走制冷劑熱量，完成對制冷劑冷凝過程，與淋水式不同，它靠強(qiáng)制對流蒸發(fā)換熱，其潛熱傳熱量達(dá)冷凝負(fù)荷的以上。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，節(jié)約用電和用水成為制冷空調(diào)行業(yè)的重要問題，特別是耗電量大與缺水嚴(yán)重的場合，風(fēng)冷式及水冷式冷凝方式受到了嚴(yán)格限制。因此，高效節(jié)能節(jié)水的蒸發(fā)式冷凝器必將成為今后許多冷換設(shè)備的替代品。蒸發(fā)式冷凝器的

17、運(yùn)行原理、分類及其特點蒸發(fā)式冷凝器的運(yùn)行原理 蒸發(fā)式冷凝器是將冷卻塔與冷凝器進(jìn)行復(fù)合，將傳統(tǒng)的水冷和風(fēng)冷冷卻塔的二次冷卻換熱過程合二為一。主要由冷凝器（盤管式或板片式）、水循環(huán)系統(tǒng)及鼓風(fēng)機(jī)三部分組成。冷卻水用循環(huán)水泵壓送到冷凝器的上方，經(jīng)噴嘴或其它噴淋裝置噴灑到冷凝器（管或板）上，當(dāng)制冷壓縮機(jī)排出的過熱蒸汽進(jìn)入冷凝器內(nèi)時，冷卻循環(huán)水連續(xù)不斷的噴淋在冷凝器外側(cè)，在冷凝器（管或板）的外表面形成水膜而流下，水膜從冷凝器壁吸取制冷劑的熱量后，在蒸發(fā)作用下，部分水蒸發(fā)為蒸汽，被快速流動的空氣帶走，這樣就有效的利用水的蒸發(fā)潛熱，以較少的水達(dá)到冷凝器內(nèi)制冷劑氣體冷凝冷卻的目的，增強(qiáng)傳熱效果。空氣的作用主要是

18、將冷凝器外面受熱蒸發(fā)的水蒸汽帶走，當(dāng)空氣的溫度低于水溫時，它還可以起一定的冷卻作用，空氣自下而上或者與噴淋水成交叉流動從水膜表面吹過時，除把水蒸汽帶走外，還夾帶一部分小水滴。為了減少水的吹散損失，在冷凝器 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文與風(fēng)機(jī)之間加裝擋水板，它的作用是盡量把空氣中夾帶的水滴分離下來。蒸發(fā)式冷凝器的分類及其特點 蒸發(fā)式冷凝器按風(fēng)機(jī)的操作不同可分為鼓風(fēng)式和吸風(fēng)式（目前大多數(shù)采用吸風(fēng)式），從其換熱的核心部件的結(jié)構(gòu)分為管式蒸發(fā)式冷凝器和板式蒸發(fā)式冷凝器兩大類；管式蒸發(fā)式冷凝器又可以分為水平管式與立管式兩類。目前工業(yè)上應(yīng)用最多是管式蒸發(fā)式冷凝器，且以水平管式居多。通過改變換熱盤管管型結(jié)構(gòu)以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的蒸發(fā)式冷凝器稱之為異型管蒸發(fā)式冷凝器。將換熱盤管與其它換熱單元體結(jié)合起來構(gòu)成的蒸發(fā)式冷凝器還有填料蒸發(fā)式冷凝器與鼓泡蒸發(fā)式冷凝器，它們與異型管蒸發(fā)式冷凝器統(tǒng)稱為管式蒸發(fā)式冷凝器。管式蒸發(fā)式冷凝器填料蒸發(fā)式冷凝器 空氣出 空氣入： 圖填料蒸發(fā)式冷凝器 填料蒸發(fā)式冷凝