水平管降膜蒸發(fā)器傳熱特性研究 沈勝強(qiáng)

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1、中國工程熱物理學(xué)會傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué)術(shù)會議論文編號：113345水平管降膜蒸發(fā)器傳熱特性研究沈勝強(qiáng)，梁剛濤，牟興森，劉瑞(大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，大連116024)Tel：0411-84708464，E-mail：zzbshen@dlut.edu.cn摘要：本文建立了水平管降膜蒸發(fā)和管內(nèi)凝結(jié)傳熱實(shí)驗(yàn)臺，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的歸納，分析了水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)隨噴淋密度、蒸發(fā)溫度、總傳熱溫差和入口蒸汽流速的變化規(guī)律，討論了不同管間距對傳熱特性的影響。結(jié)果表明，總傳熱系數(shù)隨噴淋密度、蒸發(fā)溫度的增大而增大，隨傳熱溫差的增大而減小，而蒸汽流速對傳熱系數(shù)影響較??；

2、在本文研究的管間距范圍內(nèi)，當(dāng)管間距為46.7mm時，總傳熱系數(shù)最高。關(guān)鍵詞：水平管降膜蒸發(fā)器；蒸發(fā)；凝結(jié)0前言水平管降膜蒸發(fā)作為一種高效傳熱過程，傳熱系數(shù)較高，與豎管降膜蒸發(fā)相比較，水平管降膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)是豎管降膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的2倍[1]，另外還具有傳熱效率高、傳熱溫差小、低溫傳熱性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海水淡化、海洋溫差發(fā)電、制冷工程、食品加工、制藥、石油化工等領(lǐng)域。國內(nèi)外的學(xué)者對水平管降膜蒸發(fā)器的傳熱過程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，一些是關(guān)于降膜蒸發(fā)過程的研究，一些是關(guān)于管內(nèi)凝結(jié)、管外降膜蒸發(fā)綜合傳熱的研究。馬學(xué)虎[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，總傳熱系數(shù)和

3、蒸發(fā)側(cè)傳熱系數(shù)隨噴淋密度的增加先減小后增大；增大管內(nèi)蒸汽出口流速，蒸發(fā)傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)基本保持不變，而凝結(jié)傳熱系數(shù)明顯增大。解利昕[1]認(rèn)為，總傳熱系數(shù)隨傳熱管外流體Re的增加而增大，在一定傳熱溫差范圍內(nèi)與傳熱溫差無關(guān)，隨蒸汽流速增加變化不大。任顯龍[3]的實(shí)驗(yàn)表明，管外蒸發(fā)傳熱系數(shù)隨噴淋密度和蒸發(fā)溫度的增大而增大。Fletcher[4]發(fā)現(xiàn)，管外蒸發(fā)傳熱系數(shù)在高蒸發(fā)溫度時隨蒸發(fā)溫度的升高基本不發(fā)生變化，在低蒸發(fā)溫度時隨蒸發(fā)溫度的升高略有升高。Fujita[5]認(rèn)為，當(dāng)管外是對流傳熱時，蒸發(fā)傳熱系數(shù)與熱流密度無關(guān)；隨著噴淋密度的增大，傳熱系數(shù)先減

4、小后保持不變?nèi)缓笥衷龃?。Parken[6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對流傳熱時蒸發(fā)傳熱系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度、噴淋密度的增大而增大，與熱流密度無關(guān)；沸騰傳熱時隨蒸發(fā)溫度和熱流密度的增大而增大，隨噴淋密度增大略有升高?？v觀對水平管降膜蒸發(fā)器傳熱過程的實(shí)驗(yàn)研究，多數(shù)集中于管外降膜蒸發(fā)的研究上，對管內(nèi)凝結(jié)、管外蒸發(fā)的總傳熱系數(shù)的研究仍顯不足，而不同研究結(jié)論顯示了基礎(chǔ)研究的不足。本文針對水平管降膜蒸發(fā)傳熱特性，在對管內(nèi)和管外傳熱過程分別測量的基礎(chǔ)上，探討水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)受噴淋密度、蒸發(fā)溫度、總傳熱溫差和蒸汽流速的影響規(guī)律，并給出了不同管間距下傳熱系數(shù)的比較結(jié)果。1

5、實(shí)驗(yàn)裝置及方法為了獲得水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)，分析管內(nèi)凝結(jié)、管外蒸發(fā)各自的傳熱特點(diǎn)，分別建立了管外降膜蒸發(fā)傳熱實(shí)驗(yàn)臺和管內(nèi)凝結(jié)傳熱實(shí)驗(yàn)臺。圖1為管外降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖。該實(shí)驗(yàn)臺用于測定水平管外降膜蒸發(fā)側(cè)傳熱系數(shù)。蒸發(fā)流體在加熱水箱1中加熱到一定溫度后被泵入高位水箱2中，通過流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到蒸發(fā)器3中并被均勻分布于傳熱管外表面，形成降膜蒸發(fā)；蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入冷凝器5中凝結(jié)，未蒸發(fā)的流體則進(jìn)入到計量罐4中。傳熱管采用直徑25.4mm、長度1600mm的HAL77-2A管，壁厚0.7mm，管子內(nèi)部設(shè)置電加熱器。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍為：蒸發(fā)溫度40-70℃

6、，噴淋密度0.026-0.070kg·m-1·s-1，加熱功率0-3kW。本文介紹的是采用淡水作為蒸發(fā)流體的結(jié)果。1加熱水箱；2高位水箱；3蒸發(fā)器；4計量罐；5冷凝器圖1管外蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖圖2為管內(nèi)凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖。該實(shí)驗(yàn)臺用于測定管內(nèi)凝結(jié)傳熱系數(shù)及蒸汽流動阻力。實(shí)驗(yàn)蒸汽在一定壓力下進(jìn)入傳熱管中與管外的冷卻水換熱并凝結(jié)，實(shí)驗(yàn)段尾部未凝結(jié)蒸汽和凝結(jié)液在汽-液分離器3中分離，蒸汽進(jìn)入冷凝器4，所有的凝結(jié)液收集到集液罐5中。凝結(jié)傳熱測試單元分為5段，每段由2000mm長的HAL77-2A管套管換熱器組成，傳熱管外徑25.4mm，壁厚0.7mm，有效傳熱長

7、度1800mm，每段之間是300mm長的石英玻璃管，用于觀測每段末端的兩相流型。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍為：蒸汽溫度40-65℃，入口蒸汽流速20-80m·s-1。1鍋爐；2實(shí)驗(yàn)段；3氣-液分離器；4冷凝器；5集液罐；6冷卻水箱圖2管內(nèi)凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖本文以上述兩個實(shí)驗(yàn)臺得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及整理出的實(shí)驗(yàn)規(guī)律為基礎(chǔ)，分析水平管降膜蒸發(fā)器的傳熱特性。2傳熱特性分析2.1噴淋密度對總傳熱系數(shù)的影響圖3給出了不同管間距S下總傳熱系數(shù)K隨噴淋密度Γ的變化趨勢，圖中蒸發(fā)溫度為50℃，傳熱溫差為3℃，蒸汽流速為45m·s-1。由圖可以看出，在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，K隨Γ的增大而增大。

8、通過對管外降膜蒸發(fā)過程的分析可知，隨著Γ的增加，一方面，液膜厚度增加，導(dǎo)致傳熱熱阻增大；另一方面，管外液膜流