強(qiáng)化管外降膜蒸發(fā)的機(jī)理分析

天津大學(xué)熱能研究所TERI強(qiáng)化管外降膜蒸發(fā)的機(jī)理分析1前言

早在1848年，人們就已經(jīng)開(kāi)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(guò)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(qiáng)化管來(lái)代替一般換熱管對(duì)于強(qiáng)化降膜蒸發(fā)器的換熱性能具有重要意義。功能表面強(qiáng)化管也即強(qiáng)化管最先是在強(qiáng)化池沸騰換熱時(shí)提出的。早在20世紀(jì)80年代，我國(guó)的一些學(xué)者就開(kāi)始研究將強(qiáng)化池沸騰換熱的強(qiáng)化管引入到降膜蒸發(fā)器，并取得了顯著的成果。相對(duì)于光滑表面，強(qiáng)化表面對(duì)換熱的影響主要體現(xiàn)在流動(dòng)與傳熱兩個(gè)方面。前言早在1848年，人們就已經(jīng)開(kāi)始研究水平管束降液膜式換熱2強(qiáng)化管外液膜的流動(dòng)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(guò)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(duì)噴淋密度的依賴性。1強(qiáng)化表面對(duì)液膜流動(dòng)的影響a.滴狀流模式；b.射流模式；c.片狀流模式強(qiáng)化管外液膜的流動(dòng)模式與光滑管基本相同，其流型也可分為：滴狀3下圖為典型T型強(qiáng)化管外表面結(jié)構(gòu)放大圖，從圖中可以看出，當(dāng)管外均分液體時(shí)，強(qiáng)化管外液膜的流動(dòng)可分為肋片間通道內(nèi)的流動(dòng)和橫掠肋片的流動(dòng)。液膜在中間通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，中間通道寬度的不規(guī)則變化加強(qiáng)了液膜的擾動(dòng)。在液膜橫掠肋片時(shí)，由于每個(gè)肋片的高度在液膜流動(dòng)方向上是減小的，不僅增加了流動(dòng)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(dòng)中不斷與下一個(gè)肋片撞擊，加強(qiáng)了液膜的擾動(dòng)性。由此可見(jiàn)，強(qiáng)化管外液膜的繞動(dòng)性與波動(dòng)性明顯強(qiáng)于光管，而且肋片的導(dǎo)流作用，使得強(qiáng)化管外液膜的均布要明顯優(yōu)于光滑管。下圖為典型T型強(qiáng)化管外表面結(jié)構(gòu)放大圖，從圖中可以看出，當(dāng)管外42強(qiáng)化表面對(duì)傳熱的影響大量的研究已經(jīng)表明，使用強(qiáng)化管來(lái)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(duì)于強(qiáng)化管外降膜蒸發(fā)換熱機(jī)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(jìn)而對(duì)強(qiáng)化管外的傳熱特性進(jìn)行分析。2強(qiáng)化表面對(duì)傳熱的影響大量的研究已經(jīng)表明，使用強(qiáng)化管來(lái)代替5疊加模型J.J.Lorenz和D.Yung認(rèn)為，在降膜蒸發(fā)過(guò)程中，總傳熱系數(shù)是對(duì)流換熱與沸騰換熱的疊加。并將管外液膜流動(dòng)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(dá)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(duì)流換熱系數(shù)，Ld為熱發(fā)展區(qū)長(zhǎng)度，L為液膜環(huán)繞長(zhǎng)度。熱發(fā)展區(qū)是料液從飽和溫度到達(dá)過(guò)熱的線性輪廓，在該區(qū)域所有的來(lái)自壁面的熱量進(jìn)入過(guò)熱的液膜，沒(méi)有蒸發(fā)現(xiàn)象發(fā)生。疊加模型J.J.Lorenz和D.Yung認(rèn)為，在降膜蒸6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(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，擬合出：對(duì)于光管：對(duì)于Turbo-B管：

修正疊加模型Liang-HanChien，PhD和Chu7降膜因子Kff模型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(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)的雷諾數(shù)時(shí)，降膜因子為：其中，最小管心距tpo為無(wú)因次參數(shù)，常數(shù)b1-b4見(jiàn)文獻(xiàn)[8]；qcrit為臨界熱流密度，表達(dá)式為：降膜因子Kff模型J.-F.ROQUES和J.R.THOM8由以上模型可以看出，在低熱流密度下，即管外無(wú)沸騰現(xiàn)象時(shí)，模型1重點(diǎn)對(duì)對(duì)流換熱的影響進(jìn)行了分析；在高熱流密度下，即管外發(fā)生沸騰時(shí)，模型3重點(diǎn)對(duì)沸騰蒸發(fā)換熱的影響進(jìn)行了分析；而模型2不區(qū)分熱流密度，同時(shí)考慮對(duì)流換熱與沸騰換熱的影響，并用加權(quán)因子對(duì)其影響進(jìn)行修正。而我們知道，管外表面蒸發(fā)與管外沸騰蒸發(fā)是兩個(gè)機(jī)理完全不同的過(guò)程，一個(gè)是對(duì)流主導(dǎo)過(guò)程，一個(gè)是沸騰主導(dǎo)過(guò)程，原則上不能用一個(gè)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)式來(lái)表達(dá)，即使能夠表達(dá)，也不能夠通過(guò)該表達(dá)式的形式來(lái)說(shuō)明或解釋實(shí)際的換熱過(guò)程。所以模型2的實(shí)際意義并不大。由以上模型可以看出，在低熱流密度下，即管外無(wú)沸騰現(xiàn)象時(shí)，模型9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(dòng)對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)，液膜中無(wú)氣泡產(chǎn)生，隨熱流密度的增大，在管壁處會(huì)產(chǎn)生少量的氣泡，由于此時(shí)的熱流密度不足以使氣泡繼續(xù)生長(zhǎng)，少量氣泡的擾動(dòng)使對(duì)流換熱也相應(yīng)部分加強(qiáng)，該過(guò)程稱為表面蒸發(fā)階段；隨熱流密度的進(jìn)一步增大，管外更多的凹穴成為汽化核心，液膜內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生大量的氣泡，液膜的沸騰現(xiàn)象明顯，波動(dòng)性增強(qiáng)，降膜蒸發(fā)過(guò)程處于沸騰蒸發(fā)階段，熱量傳遞主要依靠氣泡來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)熱流密度繼續(xù)增大時(shí)，在液膜比較薄的區(qū)域就會(huì)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(guò)渡區(qū)水平管外降膜蒸發(fā)的特性曲線在較低熱流密度下，由于傳熱溫差較小，熱量傳遞主要依靠液膜流動(dòng)10因此更為理想的換熱模型應(yīng)采用分段模式：強(qiáng)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(qiáng)化管外表面的特殊結(jié)構(gòu)，使得管外液膜的流動(dòng)性與波動(dòng)性強(qiáng)于光滑管，進(jìn)而對(duì)流換熱系數(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(qiáng)化管外表面的凹穴和溝壑遠(yuǎn)多于光管，進(jìn)而在同樣熱流密度下，強(qiáng)化管外的潛在汽化核心要遠(yuǎn)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(qiáng)化管較早（低熱流密度下）的進(jìn)入沸騰蒸發(fā)區(qū)。因此，不論換熱管處于什么樣的換熱條件（干涸除外）下，強(qiáng)化管都能有效的提高換熱系數(shù)，節(jié)省換熱管長(zhǎng)度，減小換熱器體積。BA因此更為理想的換熱模型應(yīng)采用分段模式：BA113結(jié)論1）由于強(qiáng)化管外表面特殊的結(jié)構(gòu)，使得強(qiáng)化管外液膜流動(dòng)的波動(dòng)性與擾動(dòng)性強(qiáng)