低喷淋密度下超亲水表面水平管降液膜流动及传热强化

发布时间：2020-08-14 08:52

【摘要】：薄液膜蒸发换热,具有传热温差小、热流密度高、传热系数高、均温性好、结构简单和动力消耗低等优点,被大量应用在石油、化工、制药、海水淡化、航天等领域。其中,水平管降液膜蒸发技术因具有传热效率高、耐结垢以及可利用低品位余热等优点,广泛应用于大型工业生产中,是解决能源消耗大、排放污染物严重等问题的一种高效换热技术。近年来,随着对于环保和节能要求日益提高,利用低流量、小温差实现高效换热已经越来越受到学者的重视。低喷淋密度下的水平管降液膜蒸发,是一个伴随中液滴与液膜相互作用、相互影响的分区特征显著的复杂的界面演化过程。因此,深入认识降液膜蒸发过程中的液滴和液膜的分区特性以及其对传热特性的影响,对进一步探究降液膜蒸发的低喷淋密度传热控制机理和高效传热强化技术的开发具有十分重要的意义。为此本文聚焦于低喷淋密度下水平管降液膜蒸发全过程,通过理论分析,获得低喷淋密度下影响蒸发传热性能的关键因素;结合力平衡模型建立了水平管降液膜最小喷淋密度理论模型;并通过引入部分润湿表面的液膜厚度计算公式,提出低喷淋密度下利用亲水改造实现蒸发传热性能强化的新方法;利用氧化刻蚀法制备了两种润湿性不同的亲水表面:超亲水与一般亲水表面,观察了不同亲水表面的管间流型,测定了最小喷淋密度,最后通过引入了修正因子获得了与实验结果吻合良好的最小喷淋密度关系式。通过数值模拟,建立了普适的超亲水表面三维模型降液膜模型,实现了间断液滴和连续液液柱的准确再现。着重分析了超亲水表面滴状流和柱状流的铺展特性和涟漪波动特性,揭示了马鞍形液膜和相邻液柱撞击区的“相互作用环”形成原因;考察了喷淋Re数对液膜厚度和铺展速度的影响,发现喷淋Re数对滴状流液膜厚度和铺展特性影响不大,而对柱状流影响显著;探讨了三维液膜的轴向和周向液膜厚度演化规律,结果表明在轴向上柱状流液膜呈波谷-波峰-波谷的分布形式,液膜厚度在中间汇聚区取得极值,在整个圆周角变化范围内,液膜厚度都几乎出现了翻倍现象。利用高精度红热像仪对低喷淋密度下超亲水表面水平管降液膜表面的温度分区和波动特性进行了研究,分析了喷淋密度、初始液膜温度以及加热功率对不同流型表面液膜温度分布的影响。结果表明,超亲水表面滴状流液膜温度呈现周期性分布,分为撞击区和非撞击区,撞击区和非撞击位置并不固定,存在明显变化周期,非撞击区液膜温度基本不变,撞击区液膜温度升温明显,且温升主要发生在铺展液膜达到最大后,撞击区内部存在高温环状结构,其比主体温度高0.3-0.6K左右;柱状流液膜温度呈现均匀分布,在相邻液柱交汇区存在明显的低温区分界线,较主体低0.2K左右;处于中间的过渡流型具有两种温度分布—均匀分布和周期分布共存。换热管表面的温度波动周期随喷淋密度和初始液膜温度的升高降低,波动强度随喷淋密度的升高存在一个显著下降区间,其对应流型从滴状流到滴柱过渡流的转换。结合红外示踪技术和统计学分析研究了超亲水表面低喷淋密度多液滴间的空间传递规律。发现液滴的产生并不是随机的,而是存在一定周期性,同时这种典型的周期性并不出现在全部范围内,只是在少数几个特殊流量才存在,重复单元数目随流量的增加而降低;利用能量最小理论和统计学分析获得了形成液滴周期性出现的原因,并给出了相关预测模型,与实验结果吻合良好,并基于此构建非稳态流动下的液膜厚度分布图。最后设计并搭建了水平管降液膜蒸发口流实验平台,考察了润湿性对水平管降液膜蒸发传热的作用机制,研究了喷淋密度、入量、入口温度和饱和温度等对传热性能的影响。结果表明,在低喷淋密度下超亲水表面传热系数高于亲水表面和光滑铜管,且在较宽的范围内具有良好的耐受性,最大约为光管表面的4倍,从而利用超亲水表面实现低喷淋密度下的传热强化,为新型强化换热表面的设计和开发提供了理论指导和实验基础。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.62
【图文】：

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２０世纪８０年代早期，受第二次石油危机导致的能源价格大幅上涨的影响，具有较高传逡逑热性能，较小占地面积，结构简单的水平管降液膜蒸发器重新受到了重视１２］，典型水平逡逑管降液膜蒸发设备示意图如图１．１所示。水平降膜蒸发器作为蒸发操作的核心设备，其逡逑性能的好坏直接关系到蒸发效率和产品品质。为此，国内外的众多学者围绕水平管降液逡逑膜蒸发技术的原理及强化传热措施，对降液膜过程中的流体动力学和热质传递特性展开逡逑了大量工作。目前学者的研究工作主要集中在管间流动形态、液膜分布特性以及蒸发传逡逑热实验和机理的宏观探索［３—７］，业已指出传质主要发生在液滴或液膜在空中运动过程中，逡逑而传热主要发生在液膜周向和轴向铺展过程中。然而，对液膜内部的速度分布、温度波逡逑动、分区特性以及局部微细传热现象的研究尚处于起步阶段。同时，现阶段的强化传热逡逑技术主要适用于较大喷淋密度，但较低的喷淋密度对应的较高回收率，较小的设备尺寸，逡逑因而，对低喷淋密度下的水平管降液膜流动特性、温度分布特性以及微细传热特性的研逡逑－１邋－逡逑

理想流型,降液膜,水平管,管间距

性除了对流型的转变你数有影响外，还对流型是否出现产生影响。Ｈｕ等［１３］的研究表明，逡逑对于水等Ｇａ较大的流体，只存在错列柱状流，而乙醇、乙二醇等Ｇａ数适中的流体管逡逑间柱状流存在三种形式，分别为直列柱状流、错列柱状流和不稳定柱状流，如图１．３所逡逑示。虽然，有学者己经指出这种单独考虑流体物性而忽略界面特征来解释多种柱状流的逡逑形成机制并不严谨，但是流体物性对流型转变临界数的重大影响还是受到了学者的逡逑普遍认可。逡逑Ｌ＾＾Ｙ）逡逑ａ邋）滴状流逦ｂ）柱状流逦ｃ邋）片状流逡逑图１．２水平管降液膜理想流型逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｉｄｅａｌｉｚｅｄ邋ｉｎｔｅｒ－ｔｕｂｅ邋ｆａｌｌｉｎｇ邋ｆｉｌｍ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ｆｏｒ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｔｕｂｅ逡逑Ｆｕｊｉｔａ和Ｔｓｕｔｓｕｉ［１９］实验研究了管间距对流型转变的影响，发现管间距对滴状流向柱逡逑状流的转变有着重要影响，并且认为管间距是除了流量外影响管间流型的最重要因素。逡逑Ｒｏｑｕｅｓ等［２（）］的研究表明，在中等管间距，转变数随着管间距的增加而增大。Ｗａｎｇ等逡逑１１８１的研究表明，随着管间距的增加，流型转变的临界数增加，同时指出矩形管的柱逡逑状流范围相对于普通圆管明显变小。尽管，管间距对流型转变的影响显著，但是较大的逡逑管间距增大了液体撞击的动能

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【参考文献】