水平圆管外薄液膜对流换热特性研究

发布时间：2018-03-17 17:26

本文选题：水平管降膜蒸发　切入点：液膜厚度　出处：《昆明理工大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：降膜蒸发器由于具有热效率高、占地面积小、操作温度低、和浸没式蒸发器相比存液少、有利于余热回收、可与其他系统联产等特点,刚被设计出来就引起了社会的广泛关注。降膜蒸发器有水平管和垂直管两种形式。水平管降膜蒸发器的换热系数为普通换热器的5～6倍,是垂直管降膜蒸发器的2～3倍,因此对水平管降膜蒸发器的研究具有更高的应用价值,对节约成本和能源有积极作用。鉴于水平管降膜蒸发器的优越性,本文对水平管降膜蒸发器进行了理论和实验研究,旨在探索水平管在降膜蒸发过程中液膜厚度分布情况和影响其传热的因素,完善系统缺陷。首先根据边界条件简化N-S方程,推导了水平圆管外液膜厚度沿周向角的分布和液膜厚度与喷淋密度的关系。研究发现,液膜厚度随着周向角的增大先减小后增大,且在周向角为90度时取得最小值;液膜厚度随着喷淋密度的增大而增大。然后根据力平衡理论分析了在降膜过程中由于热流密度的增大或者喷淋密度的减小而引起的干涸现象,推导得到临界热流密度的半经验关联式。影响临界液膜厚度的主要因素是喷淋密度和流体物性。由于降膜蒸发器在主要应用于海水淡化、蒸发结晶以及浓缩过程,这些工业过程中流体粘度较大,更容易在水平管上堆积、结晶,因此更容易出现干涸现象,本文希望为这种情况建立一个理论模型,并且对工程实践起指导作用。本文研究的是滴状流和柱状流下的液膜分布,由于喷淋密度较小,因此液膜厚度很小,液膜厚度测量很困难。对此采用探针法对液膜直接进行测量,并对水平管轴向和周向液膜厚度分布进行分析,得到了液滴/液柱滴落处和两液滴/液柱滴落处之间的液膜分布。由于泰勒不稳定性,液膜在流动过程中沿轴向和周向存在波动,液膜并非是均匀不变的。通过实验发现液膜厚度沿周向不是按照90度对称的,且由于受到冲击的影响液膜在轴向两液滴/液柱滴落处中间位置会形成一个拱起。对降膜蒸发过程中单根水平圆管的传热实验则考察了喷淋密度、热流密度、进口水温、周向角对传热系数的影响。当喷淋密度很小时,增大热流密度,液膜局部会出现干涸现象,但此时液膜远远未达到沸腾的条件,可以确定这种情况不同于液膜的沸腾以及剧烈的蒸发导致的烧干现象。同时发现同样的喷淋密度相同的进口水温情况也不尽相同。只有当进口水温较低时才有可能发生干涸现象。这种情况是由于热毛细现象造成的。由于温度的上升使流体物性发生改变:表面张力减小;粘度减小和蒸发使液膜变薄,重力减小,但表面张力减小速度小于重力减小速度。表面张力变小会使液膜产生一个横向的剪切应力。液膜正常流动时,表面张力大于重力,随着温度的增加,当表面张力等于重力时,由表面张力变化引起的横向剪切力导致了液膜的收缩,即出现了干涸现象。实验测得了发生干涸现象时的喷淋密度与热流密度,并与理论模型和他人实验数据进行对比。结果显示理论模型与实验数据对应良好,临界热流密度与喷淋密度成正比;临界热流密度与进口温度成正比;干涸发生的位置为周向最小液膜厚度附近。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ051.62

【参考文献】