zzbshen@dlut.edu.cn)

1、中國工程熱物理學(xué)會 傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)會議論文 編號：153565水平管外水與海水降膜蒸發(fā)傳熱研究陳學(xué)1,2，牟興森1，權(quán)生林1，龔路遠(yuǎn)1，沈勝強基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51336001,51376035）1,姜培學(xué)2（1大連理工大學(xué) 遼寧省海水淡化重點實驗室，大連 1160242清華大學(xué) 熱能工程系，北京100084）（Tel: Email: zzbshen）摘要：以水和天然海水為實驗流體，對直徑19mm鋁黃銅管外降膜蒸發(fā)的傳熱特性進行了實驗研究。實驗測量了不同位置的管表面溫度和蒸發(fā)器內(nèi)飽和蒸汽溫度，計算得到管外液膜平均與局部傳熱系數(shù)，分析了不同噴淋密度、蒸發(fā)

2、溫度和管間距情況下管外液膜傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在本實驗范圍內(nèi)， s/d=0.8和s/d=1.25管外平均傳熱系數(shù)隨著噴淋密度的增加呈現(xiàn)先增加后略微下降的趨勢。純水的平均傳熱系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的升高而上升，而海水的平均傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的升高而略微下降。平均傳熱系數(shù)隨著管間距的增加而增加，而管間距的增加使得上半管的局部傳熱系數(shù)有明顯的增加，且這種影響隨著周向角度的增加而減弱。關(guān)鍵詞：水平管；降膜蒸發(fā)；海水；傳熱系數(shù)0 前言水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)作為一種高效的傳熱手段被廣泛應(yīng)用在海水淡化、石油化工、制冷、食品加工等方面。水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)擁有傳熱系數(shù)高、傳熱溫差小等優(yōu)點，在低溫多效水平管降

3、膜蒸發(fā)海水淡化中，水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)更是表現(xiàn)出了良好的綜合特性。在水平管降膜蒸發(fā)傳熱領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作1。對于蒸發(fā)溫度的影響，Parken等2、Armbruster和Mitrovic3，Xu等4,5指出，水平管外平均傳熱系數(shù)在對流換熱過程中隨著蒸發(fā)溫度升高而升高，而Ganic和Roppo6的研究卻認(rèn)為蒸發(fā)溫度的變化對傳熱系數(shù)幾乎不構(gòu)成影響，而在對海水的研究中，Mu等5還發(fā)現(xiàn)海水的傳熱系數(shù)隨著溫度的上升而下降。在噴淋密度的變化上，Ganic和Roppo6、Hu和Jacobi7、Xu等4,8分別對不同的噴淋范圍做了研究，認(rèn)為管外平均傳熱系數(shù)隨著噴淋密度增加而增加，而Mu等5,9，歐陽

4、新萍等10，蔣翔等11則指出，隨著噴淋密度增大，管外傳熱系數(shù)到達一定程度后會出現(xiàn)略微下降的情況。Fujita 和Tsutsui12,13則認(rèn)為管外平均傳熱系數(shù)隨著噴淋密度先減小后增大。Ganic和Roppo6提出傳熱系數(shù)隨著管間距的增加而增加。Hu和Jacobi7認(rèn)為管間距對滴狀和簾狀流的平均傳熱沒有明顯影響，只是對沖擊區(qū)的局部傳熱有影響，對柱狀流情況，平均傳熱系數(shù)隨管間距增大而升高。在水平管周向局部傳熱系數(shù)的研究中，Parken等2，Hu和Jacobi7，Mu等5,9,14均討論了局部傳熱系數(shù)沿管周的變化，在變化的趨勢上得到較為一致的結(jié)果。針對海水的水平管降膜蒸發(fā)傳熱研究較少，且基本集中于沸

5、騰傳熱15,16。牟興森17針對對流占主導(dǎo)情況下的海水水平管降膜傳熱進行了實驗研究，結(jié)果表明海水的傳熱系數(shù)隨鹽度的升高而降低。楊雁鳴等18研究發(fā)現(xiàn)脫硬處理對海水隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律有較大影響。前人的研究由于條件的不同，其結(jié)論存在較大的差異，因此需要根據(jù)實際情況進行研究。本文以純水與天然海水為實驗流體，按照海水淡化裝置中的常用噴淋密度范圍，對不同蒸發(fā)溫度和管間距的水平管降膜蒸發(fā)過程進行了實驗。 1 實驗系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理實驗裝置如圖1所示，主要包含兩個部分：循環(huán)系統(tǒng)和蒸發(fā)/冷凝系統(tǒng)。循環(huán)系統(tǒng)中，流體先在低位水箱中加熱到合適溫度，然后被水泵抽送到高位水箱，經(jīng)過流量計后進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器底部的積液流入計

6、量罐，最后把流體通過射流泵送回低位水箱。內(nèi)部設(shè)有溢流隔板與防擾隔板，分別用于平穩(wěn)箱體內(nèi)水位和防止進水的流動對出水產(chǎn)生干擾，保證出水口水流的平穩(wěn)。蒸發(fā)/冷凝系統(tǒng)中，進入蒸發(fā)器的流體在水平管表面形成降膜，受熱蒸發(fā)后產(chǎn)生蒸汽，蒸汽在冷凝器中凝結(jié)，未蒸發(fā)的流體進入循環(huán)系統(tǒng)。蒸發(fā)器通過真空泵及時抽取不凝氣以及控制內(nèi)部壓力保持在蒸發(fā)溫度對應(yīng)的飽和壓力。蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，管束均采用的是鋁黃銅H A L77-2，從上至下第一根為噴淋管，有效噴淋長度為1600mm，管徑25.4mm，噴淋方式采用管底部母線噴淋孔式噴淋，噴淋管開孔孔間距根據(jù)Yung等19總結(jié)的“泰勒不穩(wěn)定式”計算確定為20mm，開孔孔徑為

7、1.5mm。液體從噴淋管流出，在下列管表面形成均勻液膜。第二到五根為盲管，最下根為測試管，管徑均為19mm，測試管內(nèi)安裝有定制加熱棒。測試管表面通過開槽安置熱電偶探頭，開槽深度0.3mm，槽寬3mm，植入熱電偶后用焊錫固定并填充間隙，然后將表面打磨光滑使之不影響液膜流動。測試管共安裝有22個熱電偶，在周向角度上以45間隔分布，如圖3所示。實驗采用熱流密度為9.66kW/m2，蒸發(fā)溫度范圍為5070，噴淋密度范圍為0.017 0.087 kg/(ms)，無量綱管間距s/d 為0.3、0.8和1.25（s為上下管間間隔長度，d為管徑）。海水取自大連附近海域，鹽度為3.0%。流量計誤差為1.5%，機

8、械加工誤差為1mm，熱電偶精度I級。實驗數(shù)據(jù)是在實驗工況穩(wěn)定后，每10秒記錄一次，每組工況的數(shù)據(jù)采集量均達到200次以上，以保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。圖1 水平管外降膜蒸發(fā)傳熱實驗系統(tǒng)圖Fig. 1 The schematic of the experimental system圖2 蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The structure of evaporator圖3 熱電偶分布示意圖Fig. 3 The distribution of thermocouples2 結(jié)果分析2.1 平均傳熱系數(shù)本文中的平均傳熱系數(shù)為整個管周上所有局部傳熱系數(shù)的算術(shù)平均值，平均傳熱系數(shù)通過下式計算獲得

9、： (1)式中，ha為平均傳熱系數(shù)，q為熱流密度，Tsat是飽和蒸發(fā)溫度；Ta為管表面平均溫度與飽和蒸發(fā)溫度的差，平均溫度為測得的管表面溫度的平均值。2.1.1 噴淋密度對平均傳熱系數(shù)的影響圖46所示為三種不同管間距的情況下，蒸發(fā)溫度和噴淋密度對純水和海水平均傳熱系數(shù)的影響，為單邊噴淋密度。可以發(fā)現(xiàn)，在較小噴淋密度時，隨著噴淋密度的增加，s/d=0.8和1.25的平均傳熱系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)噴淋密度超過一定值時，平均傳熱系數(shù)則大體上呈現(xiàn)平穩(wěn)或者略微下降趨勢。以圖6中60的海水為例，從0.017到0.061kg/(ms)時，其管外平均傳熱系數(shù)增加了22.9%，在0.061到0.087kg/(ms

10、)時，平均傳熱系數(shù)反而下降了2.1%。在s/d=0.3時，海水和純水在隨噴淋密度變化上沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，在整體上大致呈現(xiàn)略微上升的趨勢。 純水 海水圖4 s/d=0.3時，噴淋密度和蒸發(fā)溫度對平均傳熱系數(shù)的影響Fig.4 The effect of and T on ha with s/d=0.3純水 海水圖5 s/d=0.8時，噴淋密度和蒸發(fā)溫度對平均傳熱系數(shù)的影響Fig.5 The effect of and T on ha with s/d=0.8純水 海水 圖6 s/d=1.25時，噴淋密度和蒸發(fā)溫度對平均傳熱系數(shù)的影響Fig. 6 The effect of and T on

11、 ha with s/d=1.25在以對流換熱占主導(dǎo)的液膜中，液膜厚度和液膜波動程度對傳熱系數(shù)有著最主要的影響。隨著噴淋密度的增加，液膜的厚度增加，而液膜的波動幅度也會增加。這兩種變化帶來一種矛盾的影響：液膜厚度的增加使得液膜的導(dǎo)熱熱阻增加；相反，液膜波動幅度的增加會使得液膜擾動劇烈從而促進了對流換熱。在本實驗范圍內(nèi)，噴淋密度較小的時候，液膜波動幅度的增大在對平均傳熱系數(shù)的影響上占主導(dǎo)地位，因此噴淋密度增加，平均傳熱系數(shù)也增大。當(dāng)噴淋密度到達一定程度時，液膜厚度的增加會抑制傳熱，因而平均傳熱系數(shù)出現(xiàn)了極值點。2.1.2 蒸發(fā)溫度對平均傳熱系數(shù)的影響圖46還表明了蒸發(fā)溫度對平均傳熱系數(shù)的影響，可

12、以發(fā)現(xiàn)純水的平均傳熱系數(shù)隨著溫度的升高而升高。這是由于以下三點原因：1.水的粘度隨溫度增加而降低，這使得液膜的流動速度有所增加，從而減小了液膜厚度，降低了導(dǎo)熱熱阻；2.水的表面張力隨著溫度的增加而降低，使得液膜波動更為劇烈，因此提高了換熱效果；3.純水的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而升高。相比純水，海水表現(xiàn)出了不同的變化趨勢，平均傳熱系數(shù)并沒有隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，反而表現(xiàn)出了隨溫度升高而略微降低的趨勢。Mu等9在用25.4mm管徑的鋁黃銅管的研究中，在相近實驗條件下也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。雖然純水的平均傳熱系數(shù)隨溫度上升這一機理可以從其物性變化得知，但是海水的平均傳熱系數(shù)隨溫度變化要更為復(fù)雜。一方

13、面，天然海水的物性研究極其匱乏20，由于海水中不僅所含鹽類眾多，更含有諸多有機物，而目前對所謂海水的物性研究多集中在一元或多元鹽水上。另一方面，海水在蒸發(fā)過程中會釋放出大量諸如二氧化碳等不凝氣，而液膜中的不凝氣對傳熱會造成很大的影響，此外海水鈣鎂鹽類的沉淀也可能對傳熱會造成一定的影響18。因此根據(jù)實驗結(jié)果推斷可能這是由海水的鹽類沉淀或者在蒸發(fā)過程中海水中二氧化碳釋放所導(dǎo)致。但是由于缺乏相關(guān)研究，因而在本文中還未能對此現(xiàn)象給出合理全面的解釋。2.1.3 管間距對平均傳熱系數(shù)的影響管間距是蒸發(fā)器的重要的參數(shù)，它直接影響流體的下落距離，決定蒸發(fā)器的尺寸。圖7和圖8分別表示了60的純水和海水在三種不同

14、管間距下平均傳熱系數(shù)隨噴淋密度變化的分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，s/d=1.25和s/d=0.8這兩種管間距的平均傳熱系數(shù)明顯要高于s/d=0.3。而s/d=1.25的平均傳熱系數(shù)略高于s/d=0.8。例如，在=0.052kg/(ms)，s/d=1.25的平均傳熱系數(shù)比s/d=0.3要高出70.5%，而s/d=0.8的平均傳熱系數(shù)要比s/d=0.3要高出62%。導(dǎo)致這種原因是由于管間距的增大提高了流體撞擊管壁的速度，使得管的上半部分液膜波動更為劇烈，從而促進了對流換熱，同時管間距的增加使得液膜厚度略微變薄，在一定程度上降低了導(dǎo)熱熱阻。對于s/d=0.3，在19mm管徑時，上下兩管的間距僅5.7mm，

15、過窄的管間距使得液滴尚在生長階段便已經(jīng)接觸到下管壁面，因此在幾乎沒有存在流體對管壁面的碰撞，使得作為重要擾動源之一的頂部液膜波動的影響大大下降，所以s/d=0.3的平均傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩個較大的管間距。此外可以發(fā)現(xiàn)s/d=0.3管間距的平均傳熱系數(shù)隨噴淋密度變化相對不明顯，管間流體是通過導(dǎo)流作用流走而不存在碰撞，所以噴淋密度的增加只提高了液膜的周向速度，而沒有像較大管間距時同時提高周向速度和液膜法向波動。而在本實驗中，液膜都處于層流狀態(tài)，對于這種情況下的傳熱，法向波動加劇對液膜傳熱的影響比液膜流速提升帶來的影響更大。因此管間距過小時，管外平均傳熱系數(shù)對噴淋密度的變化將變得相對不敏感。從兩圖

16、中還可以發(fā)現(xiàn)，管間距對平均傳熱系數(shù)的極值有一定的影響。s/d=1.25的極值位于0.061 kg/ms附近，而s/d=0.8位于0.052kg/(ms)附近。由于隨著噴淋密度的增加，液膜的厚度逐漸增加，液膜波動也有增加，極值正是由于液膜厚度增加到一定程度而對傳熱產(chǎn)生抑制而產(chǎn)生的。這種管間距導(dǎo)致的極值差異正是由于管間距的增加，使得液膜厚度變薄的原因所造成的，液膜在原本的臨界噴淋密度值時并未達到抑制傳熱時對應(yīng)的厚度，因此需要繼續(xù)增加噴淋密度使得液膜厚度達到傳熱系數(shù)變化的極大值，所以使得極值對應(yīng)的臨界噴淋密度有所向大噴淋密度偏移。圖7 T=60時，管間距對純水平均導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig. 7 The

17、effect of tube spacing on ha of water with T=60圖8 T=60時，管間距對海水平均導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig. 8 The effect of tube spacing on ha of seawater with T=602.2 局部傳熱系數(shù)局部傳熱系數(shù)根據(jù)下面式子獲得： (2)式中hl為局部傳熱系數(shù)，Tl為局部管壁溫度與飽和蒸發(fā)溫度的差。2.2.1 噴淋密度對局部傳熱系數(shù)的影響如圖9所示為T=60，s/d=0.8時，噴淋密度對純水局部傳熱系數(shù)的影響。由于噴淋密度的增加同時提高了液膜的厚度和速度，在這兩種矛盾的影響下，噴淋密度對局部傳熱系數(shù)的影響變得較

18、為復(fù)雜。從圖中可以看出，在噴淋密度從0.017到0.043kg/(ms)的變化中，隨著噴淋密度的增加，液膜周向各點的局部傳熱系數(shù)均略微有所提高，以=45位置為例，傳熱系數(shù)提高了4.6%。這是由于噴淋密度增加提高了液膜的流速，因而整體各點的局部傳熱系數(shù)均有提高。當(dāng)噴淋密度達到0.078kg/(ms)時，從圖上可以看出，=0位置的局部傳熱系數(shù)則沒有出現(xiàn)明顯的下降，而=45到180的局部傳熱系數(shù)均有所下降，在=45位置，傳熱系數(shù)在噴淋密度0.043到0.078kg/(ms)下降了1.9%。這是由于0位置處于沖擊區(qū)，沒有受到液膜變厚帶來的熱阻增加的影響，而=45到180則由于液膜變厚對傳熱效果產(chǎn)生了抑

19、制作用，傳熱系數(shù)反而下降。在隨噴淋密度變化上，管周各點局部傳熱系數(shù)的變化與平均傳熱系數(shù)一致，在噴淋密度到達臨界值前，傳熱系數(shù)隨噴淋密度增加而增大，在超過臨界值后，傳熱系數(shù)出現(xiàn)了略微下降。 圖9 T=60，s/d=0.8時，噴淋密度對局部傳熱系數(shù)的影響Fig. 9 The effect of on hl with =60, s/d=0.82.2.2 蒸發(fā)溫度對局部傳熱系數(shù)的影響圖10所示為以純水為例，蒸發(fā)溫度對局部傳熱系數(shù)的影響。從圖上看出，蒸發(fā)溫度的提高對水在整個周向角度上的傳熱效果均有較為明顯的提升。蒸發(fā)溫度所影響的是水的物性，溫度升高，水的粘度降低，表面張力降低，導(dǎo)熱系數(shù)增加。以上變化均促

20、進了整體液膜的傳熱。圖10 =0.043kg/(ms)，s/d=0.8，蒸發(fā)溫度對純水局部傳熱系數(shù)的影響Fig. 10 The effect of Tsat on hl of water with =0.043kg/(ms), s/d=0.82.2.3 管間距對局部傳熱系數(shù)的影響如圖11所示為管間距對局部傳熱系數(shù)的影響。圖中可以看出隨著管間距的增加，周向各點的局部傳熱系數(shù)均有不同程度的增加，且較小管間距s/d=0.3的局部傳熱系數(shù)總體上遠(yuǎn)小于s/d=0.8和1.25。圖中可以發(fā)現(xiàn)，管間距對局部傳熱系數(shù)的影響主要集中在管的上半部（90），管間距對=0位置的局部傳熱系數(shù)影響最大，s/d=1.25比

21、s/d=0.8高出了11.68%。隨著周向角度的增加，管間距增加帶來的影響逐漸減弱。在=45時，s/d=1.25的局部傳熱系數(shù)比s/d=0.8高出了7.65%，而在=90時，該值僅為5.1%。這是由于管間距的提高加強了液膜撞擊管壁時的速度，從而在撞擊之后使得液膜產(chǎn)生了法相上的波動。因而在沖擊區(qū)，液膜的擾動得到了一定程度的提升，但是隨著周向角度的增加，這種法向上的波動逐漸減弱，在=90之后影響變得不明顯。圖11 T=60，=0.043kg/(ms) 時，管間距對局部傳熱系數(shù)的影響Fig.11 The effect of s/d on hl with T=60, =0.043kg/(ms)結(jié)論在本

22、實驗范圍內(nèi)，得出結(jié)論如下：(1) 隨著噴淋密度的增加，平均傳熱系數(shù)先增加后略微下降。在極值點之前，管周局部傳熱系數(shù)整體上隨噴淋密度增加均有所上升，在極值點之后，除沖擊區(qū)外的局部傳熱系數(shù)隨噴淋密度增加而略微下降。(2) 隨蒸發(fā)溫度的升高，純水的平均傳熱系數(shù)上升，而海水的平均傳熱系數(shù)略微下降。(3) 隨管間距的增加，平均傳熱系數(shù)有所上升。管間距增加主要對管頂部的局部傳熱系數(shù)有較大的促進作用，這種促進作用隨周向角度增加而降低。參考文獻1Ribatski G, Jacobi M A. Falling-film evaporation on horizontal tubes-a critical rev

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