1、上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)第32卷第1期J.University of Shanghai for Science and TechnologyVol.32No.12010文章編號(hào):1007-6735(201001-0027-04收稿日期:2009-03-17作者簡(jiǎn)介:齊魯山(1986-,男,碩士研究生.E 2mail :qilinqilin1986水平管外降膜蒸發(fā)傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究齊魯山1,馬虎根1,李長(zhǎng)生1,羅忠2(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200093;2.高克聯(lián)管件(上海有限公司,上海200131摘要:建立了降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了在低壓狀態(tài)下水平管噴淋降膜蒸發(fā)的傳熱性能.實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)管分別

2、使用光管和某種型號(hào)強(qiáng)化管.實(shí)驗(yàn)測(cè)試了管子結(jié)構(gòu)、噴淋流量以及在噴淋液中加入添加劑對(duì)換熱的影響.結(jié)果表明,噴淋流量增大,管外換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)都會(huì)有一定的增加,當(dāng)增大到一定程度會(huì)出現(xiàn)換熱效果變差的情況.強(qiáng)化管的總傳熱系數(shù)比普通光管高62%.本次實(shí)驗(yàn)使用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.15%的添加劑對(duì)于換熱無(wú)強(qiáng)化效果.關(guān)鍵詞:降膜蒸發(fā);噴淋;水平管;低壓中圖分類號(hào):T K 124文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AExp e ri me nt al resea rc h on hea t t r a nsf e r p e rf or ma nce off alli ng f il m evap or a ti on on horiz

3、ont al t ubesQI Lu 2shan 1,MA Hu 2gen 1,LI Chang 2sheng 1,LUO Zhong2(1.School of Energy a n d Power Engi neeri ng ,U niversit y of S ha nghai f or Scie nce a n d Tech nology ,S ha nghai 200093,Chi na ;2.Wolveri ne Tube Comp a ny i n S ha nghai ,S ha nghai 200131,Chi n a A bs t r act :A falling film

4、evaporator test 2rig was designed and establis hed to st udy t he heat t ransfer performance of sp ray falling film evaporation on horizontal t ubes at low p ress ure.Smoot h t ubes and some kinds of enhanced t ubes we re taken as test objects.The impacts of t ube st ruct ure ,sp ray flow ,and addit

5、ives in sp ray solution on t he heat t ransfe r performance were st udied experimentally.By analyzing t he experimental res ults it is s hown t hat wit h t he increase of flow rate of sp ray liquid ,t he evaporative heat t ransfer coefficient and t he overall heat t ransfer coefficient have a certai

6、n degree of increase.However ,when t he flow increases to a certain extent ,t here may appear an instance at t hat t he effects of heat t ransfer become worse.The heat t ransfe r coefficient of enhanced tubes is higher by 62%t han t hat of s moot h t ubes.In t his experiment ,4.15%mass f raction of

7、t he additive has no enhancing effect on falling film evaporation heat t ransfer.Key w or ds :f alli ng f il m evap or a t ion ;sp r a y ;horizon t al t ube ;low p ress u re水平管降膜蒸發(fā)器是一種高效節(jié)能換熱設(shè)備,各國(guó)學(xué)者使用不同的制冷劑工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究表明,與其他類型的蒸發(fā)器相比它具有明顯優(yōu)勢(shì)1,2.水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)屬薄膜蒸發(fā),由于其傳熱壁面兩側(cè)均有相變產(chǎn)生,且蒸發(fā)側(cè)液膜波動(dòng),因而有高的傳熱系數(shù)和熱流密度,低的傳熱溫差

8、,尤其低溫傳熱性能優(yōu)良,適用于低溫余熱的回收3,4.水平管降膜蒸發(fā)是水在重力、離心力及界面剪力的作用下,由一上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)2010年第32卷個(gè)水平管向下滴落到與其串聯(lián)的另一個(gè)水平管上,沿加熱管外壁呈膜狀向下流動(dòng),并依靠管內(nèi)介質(zhì)的加熱而不斷蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽的過(guò)程,并在加熱管外形成氣液兩相共存的流動(dòng)狀態(tài)5.該過(guò)程屬于水分由液相向氣相轉(zhuǎn)移的熱質(zhì)傳遞,其熱傳遞主要依賴導(dǎo)熱和對(duì)流換熱,質(zhì)傳遞主要依賴分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散6.多年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)水平管降膜蒸發(fā)的傳熱進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn).杜亮坡等7在水平管為盲管(循環(huán)管路中存在死水的地方應(yīng)判斷是否是盲管,判斷標(biāo)準(zhǔn)為死水的總長(zhǎng)度大于6倍管徑的條件下,管外壁蒸發(fā)傳熱膜系

9、數(shù)隨著噴淋密度的增加而增大;管外壁蒸發(fā)傳熱膜系數(shù)隨熱通量的增加而增加.鄭東光等8通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:隨著噴淋密度的增加,管束總傳熱系數(shù)k 先增大再減小;隨著熱通量的增大,管束總傳熱系數(shù)k 增大;隨著蒸發(fā)溫度的增大,管束總傳熱系數(shù)k 也增大.雖然降膜蒸發(fā)技術(shù)以其高效的換熱效果得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入關(guān)注,但研究方向均在一個(gè)大氣壓下的工況,對(duì)于壓力比較低的工況沒(méi)有涉及.眾所周知,隨著絕對(duì)壓力的降低,水的蒸發(fā)溫度也隨之降低.當(dāng)降到容器內(nèi)壓力在2000Pa 以下時(shí),水的飽和溫度只有十幾度.這樣,就可以很容易實(shí)現(xiàn)在噴淋表面的蒸發(fā),可以有效地利用中低溫?zé)嵩?提高換熱效率.為在較低壓力下進(jìn)行降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),以探討

10、各種參數(shù)如壓力、溫度、噴淋密度、管子強(qiáng)化情況以及噴淋液中是否加入添加劑等對(duì)換熱情況的影響特搭建此噴淋式實(shí)驗(yàn)臺(tái).1噴淋式降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)介紹1.1低壓噴淋式降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示 .1.蒸發(fā)密封桶;2.加熱器;3.噴淋水冷卻器;4.過(guò)冷器;5.冷凝器水箱;6.蒸發(fā)器水箱;7.冷水機(jī)組;8.泵;9.屏蔽泵圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1Sche ma tic dia gr a m of expe ri ment al s ys tem本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括噴淋水循環(huán)系統(tǒng)、蒸發(fā)水循環(huán)系統(tǒng)、冷凝水循環(huán)系統(tǒng)以及冷水機(jī)組4個(gè)獨(dú)立工作的系統(tǒng)組成.噴淋水由在蒸發(fā)密封桶1上部的布液器噴在蒸發(fā)管上蒸發(fā)后,被冷凝管

11、冷凝成液體水,由筒體下部的管道進(jìn)入噴淋水冷卻器3,再經(jīng)一個(gè)電加熱器2到筒體內(nèi)完成一個(gè)噴淋水循環(huán).蒸發(fā)水由蒸發(fā)器水箱6出來(lái)后,經(jīng)蒸發(fā)器水泵8和過(guò)冷器4進(jìn)入位于筒體內(nèi)的蒸發(fā)器管道內(nèi),經(jīng)噴淋水噴淋蒸發(fā),冷凝后回到蒸發(fā)器水箱6,完成一個(gè)蒸發(fā)水循環(huán).冷凝水由冷凝器水箱5出來(lái)后,先經(jīng)冷凝器水泵8,進(jìn)入冷凝器管道后回到冷凝器水箱5,完成冷凝水循環(huán).冷凝水還有兩個(gè)作用:一是經(jīng)噴淋水冷卻器3跟噴淋水換熱;二是經(jīng)過(guò)冷器4與蒸發(fā)器水箱6內(nèi)的蒸發(fā)水換熱.這樣就可以在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前先將噴淋水與蒸發(fā)水的溫度降到要求的工況點(diǎn).冷水機(jī)組7是用來(lái)冷卻冷凝水和蒸發(fā)水,也可以獨(dú)立使用.1.2實(shí)驗(yàn)所用試件簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)所用光管,管外徑16

12、mm ,3列18根叉排.強(qiáng)化管規(guī)格如下:外翅高0.65mm ;翅距0.64mm ;內(nèi)翅高0.25mm ;螺紋頭數(shù)45;螺旋角32;強(qiáng)化管內(nèi)徑14mm ,外徑16mm ,3列,每排6根,叉排.1.3換熱系數(shù)的確定對(duì)于光管,管內(nèi)換熱系數(shù)h i 由下式計(jì)算h i =d i0.023u d i0.8Pr 0.3(1式中,為管內(nèi)水的導(dǎo)熱系數(shù),d i 為橫管內(nèi)徑,u 為蒸發(fā)管內(nèi)水流速,為管內(nèi)水黏度系數(shù),Pr 為普朗特?cái)?shù),其中u =G 蒸/A i(2對(duì)于內(nèi)螺紋強(qiáng)化管,管內(nèi)換熱系數(shù)h i 由下式計(jì)算h i =d i0.023u d i0.8Pr 0.3(3系數(shù)的大小通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定,在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,=2.5.總傳

13、熱系數(shù)k 由下式計(jì)算k =Q/(A o t m (4式中,Q 為換熱量,A o 為管外總傳熱面積,t m 為平均對(duì)數(shù)溫差.Q =c G t (5根據(jù)Wilson 方法,管外換熱系數(shù)h o 由下式計(jì)算1/(k A o =1/(h i A i +1/(h o A o (682第1期齊魯山,等:水平管外降膜蒸發(fā)傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究因?yàn)闄M管管子材料為紫銅管,導(dǎo)熱熱阻很小,對(duì)整個(gè)計(jì)算的影響很小,在這里忽略不計(jì).式中,A i 為管內(nèi)表面積.2噴淋式降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果及分析2.1噴淋流量對(duì)換熱的影響實(shí)驗(yàn)管材為光管,總傳熱系數(shù)k 和管外換熱系數(shù)h o 隨噴淋流量的變化關(guān)系圖見(jiàn)2.由圖2可見(jiàn),當(dāng)流量增大時(shí),總傳熱

14、系數(shù)k 和管外對(duì)流換熱系數(shù)h o 也隨之增大.這是因?yàn)楫?dāng)流量增大,一方面使管外液膜的平均厚度增加,不利于導(dǎo)熱;另一方面又使管外液體流動(dòng)速度加快,管外液膜波動(dòng)加劇,增加了液膜的湍流度,有利于管外對(duì)流換熱. 實(shí)驗(yàn)管材為強(qiáng)化管,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3. 圖2光管總傳熱系數(shù)k 和管外換熱系數(shù)h 0與流量G 關(guān)系圖 Fig.2The rela tions hip bet ween k ,h o a nd sp r a yf low r a te G f or s m oot h tube 圖3強(qiáng)化管總傳熱系數(shù)k 和管外換熱系數(shù)h 0與流量G 關(guān)系圖Fig.3The rela tions hip bet ween

15、 k ,h o a nd sp r a yf low r a te G f or en ha nced t ube由圖3可見(jiàn),管外對(duì)流換熱系數(shù)h o 和總傳熱系數(shù)k 總體上隨著噴淋流量的增加而增加,因?yàn)榱髁康脑黾?雖然管外液膜厚度增加了,但同樣增加了液膜波動(dòng),增加了蒸發(fā)管外的湍流度.波動(dòng)對(duì)換熱的影響更大,從而增強(qiáng)了換熱.但是也有可能當(dāng)流量大于某個(gè)值時(shí),管外對(duì)流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)會(huì)隨流量的增大而有減小趨勢(shì).這是因?yàn)榇藭r(shí)管外液膜的厚度對(duì)換熱的影響比液膜波動(dòng)大,液膜厚度的增加阻礙了換熱,此時(shí)管外對(duì)流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)有減小趨勢(shì).由圖2和圖3可見(jiàn),管外液膜的波動(dòng)對(duì)換熱的影響更大,從而總傳熱系數(shù)和管

16、外對(duì)流換熱系數(shù)也增加.2.2管型對(duì)換熱的影響光管和強(qiáng)化管對(duì)于換熱的影響如圖4和圖5所示.圖4不同管型總傳熱系數(shù)k 與噴淋流量G 關(guān)系圖Fig.4Rela tions hip bet ween k a nd sp r a y f lowr a te G f or diff e rent tubes圖5不同管型管外換熱系數(shù)h 0與噴淋流量G 關(guān)系圖Fig.5Rela tions hip bet wee n h o a nd sp r a yf low r a te G f or diff e re nt t ubes由圖4和圖5看出,強(qiáng)化管的換熱效果比光管好.在兩個(gè)工況的相同流量范圍內(nèi),即噴淋流量

17、為0.02850.1211kg s -1,對(duì)于管外換熱系數(shù),強(qiáng)化管比光管平均大79%;對(duì)于總傳熱系數(shù),強(qiáng)化管比光管平均大62%.這是因?yàn)橐环矫鎻?qiáng)化管管外螺紋極大的增強(qiáng)了管外液膜的波動(dòng),增加了管外換熱,另一方面管內(nèi)螺紋增強(qiáng)了管內(nèi)流體擾動(dòng),增強(qiáng)了管內(nèi)換熱效果.另外在熱流密度較大時(shí),在強(qiáng)化管降膜92上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)2010年第32卷表面更容易出現(xiàn)局部沸騰.在這幾方面的作用下,強(qiáng)化管的換熱效果比光管好.2.3添加劑對(duì)換熱的影響為了探討添加劑對(duì)換熱的影響,使用異辛醇作為添加劑.異辛醇一般用于化工生產(chǎn),它也可以用來(lái)增加液體表面活性度.為考察添加劑對(duì)換熱的影響,在噴淋液中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.15%的異辛醇,

18、對(duì)光管噴淋蒸發(fā)效果的比較見(jiàn)圖6和圖7. 圖6添加劑對(duì)總傳熱系數(shù)k 的影響Fig.6I nf l u nce of a dditives onk 圖7添加劑對(duì)管外換熱系數(shù)h 0的影響Fi g.7I nf l u nce of a dditives on h o由圖6和圖7可以看出,在這種條件下,當(dāng)噴淋液中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.15%的添加劑(異辛醇時(shí),與沒(méi)有添加相比,換熱情況要稍差一點(diǎn).根據(jù)文獻(xiàn)9,10,添加劑在一定程度上對(duì)于某種工質(zhì)可以提高液體表面活性度,從而提高整體換熱性能.但是否能真正強(qiáng)化換熱,還取決于異辛醇物性的沸點(diǎn)和混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù).在本次實(shí)驗(yàn)條件下可以認(rèn)為,添加劑不具有增強(qiáng)換熱的效果.3

19、結(jié)論a.隨著流量的增大,管外換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)都會(huì)有一定的增加.但是,當(dāng)流量增大到一定程度時(shí),有可能會(huì)出現(xiàn)換熱效果變差的情況.這是因?yàn)楣芡鈸Q熱主要由兩個(gè)因素決定:一為管外流體的波動(dòng),二為管外流體液膜厚度.當(dāng)流量變大時(shí),管外流體波動(dòng)增強(qiáng),強(qiáng)化換熱;但同時(shí),管外流體液膜厚度也增加,又阻礙了換熱.因此,隨流量的增加,當(dāng)管外流體波動(dòng)占主導(dǎo)位置時(shí),換熱增強(qiáng);當(dāng)管外流體液厚度占主導(dǎo)位置時(shí),阻礙換熱.b.強(qiáng)化管的換熱效果比普通光管好.這是因?yàn)閺?qiáng)化管一方面增加了管內(nèi)蒸發(fā)流體紊流,增大了管內(nèi)換熱系數(shù);另一方面增加了管外降膜液體的波動(dòng),減小了管外降膜液厚對(duì)換熱的阻礙.實(shí)驗(yàn)中所用強(qiáng)化管總傳熱系數(shù)比光管傳熱系數(shù)平均

20、大62%.c.在噴淋液中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.15%的添加劑(異辛醇,但對(duì)換熱無(wú)明顯改善,蒸發(fā)換熱系數(shù)反而有一定的下降.這也許與添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān).可能存在某一個(gè)合適的質(zhì)量分?jǐn)?shù),異辛醇會(huì)對(duì)換熱有較好的影響,其效果有待進(jìn)一步研究.參考文獻(xiàn):1ZENG X ,CHY U M C ,AY UB Z H.An experimentalstudy of sp ray evaporation of ammonia in a square 2pitch low 2fin tube bundle J .International J ournal of Heat Exchangers ,2001,2(1:129-150.2L IU Zhenhua ,J I E Y i.Enhanced evaporation heatt ransfer of water and