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1、強化管外降膜蒸發(fā)的機理分析天津大學熱能研究所TERI前言早在1848年，人們就已經(jīng)開始研究水平管束降液膜式換熱器，但直到1990年以后隨CFC制冷劑被逐步禁用，才使得降膜蒸發(fā)器在制冷系統(tǒng)中得到應(yīng)用。通過熱阻分析可知，降膜蒸發(fā)器的主要熱阻仍在管外降膜蒸發(fā)側(cè)，采用功能表面強化管來代替一般換熱管對于強化降膜蒸發(fā)器的換熱性能具有重要意義。功能表面強化管也即強化管最先是在強化池沸騰換熱時提出的。早在20世紀80年代，我國的一些學者就開始研究將強化池沸騰換熱的強化管引入到降膜蒸發(fā)器，并取得了顯著的成果。相對于光滑表面，強化表面對換熱的影響主要
2、體現(xiàn)在流動與傳熱兩個方面。強化管外液膜的流動模式與光滑管基本相同，其流型也可分為：滴狀流、射（柱狀）流和片狀流，另有少量的滴-柱狀流和柱-片狀流兩種過渡流態(tài)，只是比光滑管增加了射流模式的存在區(qū)域，減小了對噴淋密度的依賴性。1強化表面對液膜流動的影響a.滴狀流模式；b.射流模式；c.片狀流模式下圖為典型T型強化管外表面結(jié)構(gòu)放大圖，從圖中可以看出，當管外均分液體時，強化管外液膜的流動可分為肋片間通道內(nèi)的流動和橫掠肋片的流動。液膜在中間通道內(nèi)流動時，中間通道寬度的不規(guī)則變化加強了液膜的擾動。在液膜橫掠肋片時，由于每個肋片的高度在液膜流動
3、方向上是減小的，不僅增加了流動行程，而且也起到導(dǎo)流作用，在肋片與肋片的銜接處的高度差，使液膜在流動中不斷與下一個肋片撞擊，加強了液膜的擾動性。由此可見，強化管外液膜的繞動性與波動性明顯強于光管，而且肋片的導(dǎo)流作用，使得強化管外液膜的均布要明顯優(yōu)于光滑管。2強化表面對傳熱的影響大量的研究已經(jīng)表明，使用強化管來代替光滑管能夠較大幅度的提高換熱系數(shù)，減小換熱器的體積。但目前對于強化管外降膜蒸發(fā)換熱機理的研究還不是很多，下面將首先介紹幾種常用的換熱模型，進而對強化管外的傳熱特性進行分析。疊加模型J.J.Lorenz和D.Yung認為，在降
4、膜蒸發(fā)過程中，總傳熱系數(shù)是對流換熱與沸騰換熱的疊加。并將管外液膜流動分成熱發(fā)展區(qū)與完全發(fā)展區(qū)。其總傳熱系數(shù)的表達式為：其中：hb為低液位沸騰換熱系數(shù)，hd為熱發(fā)展區(qū)換熱系數(shù)，hc為對流換熱系數(shù)，Ld為熱發(fā)展區(qū)長度，L為液膜環(huán)繞長度。熱發(fā)展區(qū)是料液從飽和溫度到達過熱的線性輪廓，在該區(qū)域所有的來自壁面的熱量進入過熱的液膜，沒有蒸發(fā)現(xiàn)象發(fā)生。修正疊加模型Liang-HanChien，PhD和Chuan-HungCheng依據(jù)Chen提出的疊加模型：，通過對大量文獻實驗數(shù)據(jù)的整理，擬合出：對于光管：對于Turbo-B管：降膜因子Kff模型
5、J.-F.ROQUES和J.R.THOME提出了適用于水平管束的Kff模型，定義Kff為降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)href與池沸騰換熱系數(shù)hnb的比值，當雷諾數(shù)達到臨界點的雷諾數(shù)時，降膜因子為：其中，最小管心距tpo為無因次參數(shù)，常數(shù)b1-b4見文獻[8]；qcrit為臨界熱流密度，表達式為：由以上模型可以看出，在低熱流密度下，即管外無沸騰現(xiàn)象時，模型1重點對對流換熱的影響進行了分析；在高熱流密度下，即管外發(fā)生沸騰時，模型3重點對沸騰蒸發(fā)換熱的影響進行了分析；而模型2不區(qū)分熱流密度，同時考慮對流換熱與沸騰換熱的影響，并用加權(quán)因子對其影響進行
6、修正。而我們知道，管外表面蒸發(fā)與管外沸騰蒸發(fā)是兩個機理完全不同的過程，一個是對流主導(dǎo)過程，一個是沸騰主導(dǎo)過程，原則上不能用一個統(tǒng)一關(guān)聯(lián)式來表達，即使能夠表達，也不能夠通過該表達式的形式來說明或解釋實際的換熱過程。所以模型2的實際意義并不大。在較低熱流密度下，由于傳熱溫差較小，熱量傳遞主要依靠液膜流動對流來實現(xiàn)，液膜中無氣泡產(chǎn)生，隨熱流密度的增大，在管壁處會產(chǎn)生少量的氣泡，由于此時的熱流密度不足以使氣泡繼續(xù)生長，少量氣泡的擾動使對流換熱也相應(yīng)部分加強，該過程稱為表面蒸發(fā)階段；隨熱流密度的進一步增大，管外更多的凹穴成為汽化核心，液膜內(nèi)
7、開始產(chǎn)生大量的氣泡，液膜的沸騰現(xiàn)象明顯，波動性增強，降膜蒸發(fā)過程處于沸騰蒸發(fā)階段，熱量傳遞主要依靠氣泡來實現(xiàn)；當熱流密度繼續(xù)增大時，在液膜比較薄的區(qū)域就會由于蒸發(fā)較快而產(chǎn)生干斑，局部壁面溫度急劇增大，使換熱效果惡化，這種情況應(yīng)盡量避免。熱流密度q(W/m2)換熱系數(shù)h0(W/(m2K))表面蒸發(fā)區(qū)沸騰蒸發(fā)區(qū)干涸區(qū)過渡區(qū)水平管外降膜蒸發(fā)的特性曲線因此更為理想的換熱模型應(yīng)采用分段模式：強化管之所以較光管能較大幅度的提高換熱系數(shù)，主要表現(xiàn)在：在表面蒸發(fā)區(qū)，由于強化管外表面的特殊結(jié)構(gòu)，使得管外液膜的流動性與波動性強于光滑管，進而對流換熱系
8、數(shù)較光管有較大提高；在沸騰蒸發(fā)區(qū)，如放大中的A、B區(qū)域所示，強化管外表面的凹穴和溝壑遠多于光管，進而在同樣熱流密度下，強化管外的潛在汽化核心要遠多于光管，因而沸騰程度要比光管劇烈，沸騰換熱系數(shù)也較光管有較大提高，并且，大量潛在汽化核心的存在能夠使強
