板管蒸發(fā)式冷凝器流體流動特性及傳熱實驗研究

1、華南理工大學碩士學位論文板管蒸發(fā)式冷凝器流體流動特性及傳熱實驗研究 姓名：張景衛(wèi)中請學位級別：碩士專業(yè)：化學工程指導教師：朱冬生20080501 摘要節(jié)能節(jié)水已經成為我國能源發(fā)展屮長期規(guī)劃的目標和重大需求。節(jié)能是國家發(fā)展經 濟的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是解決當今能源問題的首要途徑；提高水的重復利用率 是節(jié)水的首要途徑。蒸發(fā)式冷凝器作為一種節(jié)能節(jié)水的新型高效換熱設備，在我國 能源與水資源日趨緊張的今天得到了快速的發(fā)展和應用。板管蒸發(fā)式冷凝器是根據(jù)薄膜傳熱傳質理論和蒸發(fā)冷凝換熱理論和結合而開發(fā)岀來 的一種高效節(jié)能節(jié)水冷卻設備，其工作過程涉及氣液兩相流的流動特性、兩相流的 傳熱傳質及其耦合，這方面尚無成

2、熟的理論和計算公式，需要對板管表面氣液兩相 流的流動特性及傳熱傳質進行深入理論研究和實驗研究。本文首先對板管內工藝流體冷凝傳熱特性、板管外水膜的流動分布及氣液兩相流熱 質交換過程進行分析，建立了板內流體流動的三維計算模型與板外氣液兩相降膜流 動的二維計算模型，利用計算流體力學（cfd）軟件f 1 u e n t進行了模擬， 研究了板結構、噴淋水量、風量及風向對水膜流動特性的影響，并分析了它們對板 管蒸發(fā)式冷凝器的傳熱影響機理。結果表明：板內工藝流體采用對角進出比同側進 岀吋壓力場、溫度場分布更加均勻；波紋的結構尺寸對液膜的流動分布影響較大， 較小的觥可以降低重力在液膜表面法向分量的波動程度，降

3、低液膜內部壓力場的波 動強度，有助于連續(xù)液膜的形成；水膜厚度隨水量的增大而增大，空氣與水并流比 逆流更有利于利用液體薄膜強化傳熱的特性。建立了板管蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能實驗平臺。研究了不同風向操作（氣液兩相并 流、逆流與錯流）、噴淋密度、風量、工藝流體進岀口位置及填料對板管蒸發(fā)式冷 凝器傳熱性能的影響，并采用高速攝像儀和紅外攝像儀對板管蒸發(fā)式冷凝器進行了 可視化分析，結果表明：（1）實驗范圍內，并流操作下，在廠為0. 1 9 6 kgm't s, u為 4. 5 m- s_ 時，g 丘 n積為13. 3 7k w-m. 2 ；逆流操作下，在廠為0 . 196 k呂，甜為3. 0 ms。1

4、吋，g鈿腰為1 2. 6 0 k w.mo 2；錯流操作下，在廠為0. 1 8 6 k g m 1. s , u為 2. 5m- s d時，g f h 1缸另1 03 3k wm五，傳熱效果依次為并流逆流錯 流。（2）實驗范圍內，三種操作在各自最佳風速下，蒸汽對角進出時的熱流密度 均比蒸汽同側進出時大，錯流操作時增幅約4 . 4 3%,逆流約4. 1 1%,并流 約04 2%；相比較冷凝傳熱系數(shù)、水膜對流傳熱系數(shù)、空氣.水當量傳熱系數(shù) 隨噴淋密度的變化情況，只有氣液界面處當量傳熱系數(shù)與總傳熱系數(shù)隨噴淋密度的 變化曲線很相似，可以認為氣液界面處的傳熱階段是整個傳熱過程的關鍵控制階段 o （ 3）

5、相同噴淋密度或風速下，熱流密度隨填料層厚度的增加而增大。通過對板管蒸發(fā)式冷凝器cfd模擬與實驗研究對比分析，結果表明，本文建立的 數(shù)學模型與實驗研究的結果吻合甚好。本課題通過對板管蒸發(fā)式冷凝器流體流動特性及傳熱實驗研究，豐富了蒸發(fā)式冷凝 器的理論研究體系，為進一步研究板管蒸發(fā)式冷凝器的性能及結構優(yōu)化設計提供了 參考。關鍵詞：蒸發(fā)式冷凝器；c f d模擬；可視化；傳熱；降膜i i ab str act ene rgy conversat i o n andwater saving have become the long 一 term a i m a n d s igni ficantdeman

6、d i n the planning o f the ene rgy deve 1 opment o f 01 21 "co un try . en ergy conversation i s along . termstrategic p o 1 icy i n thenat10na1ec0n omi c deve 1 opmen t and thepr1maryappro ach to solve e n er g ypr0b1emthep r1ncipal meanso f s a v ingwater1st0imp rove the e f f i ci e n c y1nr

7、ecyc11ngw ate r . evaporati v ec0ndenser1sa k in d o f n e w h i gh 1 yeffect1vehea texchangeequi p m <ent, which h as t h eadvantages0f sav i n g e n e r g y andwateratpres ent , wefaceaser i o u ss1tuat10nc0n cer n i n g e n e r g ya n d w a terres0usces1nc h1n a . and such e q u i p m enthasbe

8、1nggrea t1y imp roved a nd w i d e 1yapp11edunder suc h ac1rcumstance plate tube e va p o r a t it ec0ndenser1so nekinds o f newhighlyeffect1vehea texchangeequip m e n tdeve10pedbyc 0mb i n i n g the heat a n d m a s stransfersthe ory o f thin fi lmandtheevap0rati o .ncondensa tion h e a ttransferth

9、eo ry its workingp r o c e ss1nv01vesthec haracteristics 0 fa1r11qu1dtw 0phase flow, heattransferandm ass transfer olf two 一 p has ef10wandth e1r c0u p 1 i n g , s o f ar , t her-ei sn0m aturethi eo ret i c a 1 and computati0n a 1f0rmu1a1nthi i sf1e1dtheref 0r 'e , i n . depth th e o r e t ica 1

10、researchande xpe r i m e n t a 1 s tu d y a b outthecharacter isticsofair 1i q u i dtw0phasef10 wanditsheatan d m a s stransferaren ece s s a r y . first也echaracter1st ics of heat t r a ns f e r o fpr0cessf1u1d inplate 一 tube,waterf11md1str1bu t1 «o n o u t o f plate a n dpr0cess0fhea tandmoist

11、uret r a n s f ero ftw0phasef10 wha v e b e e nana1yzedthe n ,three, dimensionalco m putedm0de 10f fluid flowin plate ；andthetw0d1men s1 «o n a 1 computed m o d e 1 i0fa1r11qu1dtw 0 -phase f a 1 1 i ng f i 1 m wer eestab1i?噓瑁澹？a n(simulated b yusingc0mputat10na 1f1 u i ddynam1cs(cfd)s «oft

12、warefluen t . e f f ect s0fp1atestruc tur e , sprayingwaterf0rce0 fthe wind and di r e c t i on0 fthew in do nt h ec h ar a c t e r 1st1cso f w aterf11m f1 0w w e:r e studlied andt h ei n f 1 u e:n cemech an icsconee m in g h e attransf e rwasa na 1y z ed . there s u 1 t ；ssho wthatpres su re f ie 1

13、 dandt e m p eraturef i e 1d0fpr0c es sf 1 ui d us e dd i a g ona11np1at e tu b ew e re d is t r i butedm0r e e ven1 ythan wh en u se d a t t 1he s a m <es1de ；s truet u re s an d s i zes0fthec0rr ug at i on g reath a v e great1mp a c t0nthef 10 wd i st r ibuti o n o fthe11qu i df11m.s ma 1 1er/7

14、/2c a n r educethestre ng th o ff 1 uc t ua t i o ns0ftheg r a v1tybran ch ve c to r 1a w of t h e 11qu1df i 1 msurf ac e,r eduee t he s t r ength0fthef1uc tu at i on s of p re s s u ref1e1di nthei nt er n a1 1 iq u id f i 1 mandhe1p t h ef0rm at io n of c 0n t in u o u s11qu1dmemb ra ne ； thewater

15、f i 1 mth1ck in e s s1ncr ea se s whenthev o 1 u me0fw ai te r1ncr ea se s ；theadva n t a g «e is0fd0wn wi nd o perat i o】n o v e rupw1 :n <d0per at io n in m ak i ng u s e o f 1t h echar ac te r is t ic s 0f h e a ttransfe r o ff1ui df i1 m ar e ob v ious theexperimentp1at fo rm o fh e at t

16、 r a n s f erperf0r m a ncewase st ab 1 ishedef f e c t ,s0fthei i id1ff er en t wi n doperations(a1r -1 i q u1 1dtw0ph as epara 11 e1 flow,c o 1a n t e r c:u.rrent,c r oss -f10w),s praydens i ty , a i rv01ume :,the1mpo rt an d ei x p 0f t匸> o s i t i0n0ft:hi epr0c es sf 1 ui d an d f i 1 1 i ng0

17、nt:h eheattran sf er p er f or m an c e o fthep1at e tubeevap 0r at i ve c on d en s e r werestudied thev1su a1 an a 1y s is 0 ft h e p 1atetub eevap 0r at i ve c on d en s e r > 5v a sperf 0r me d ,b y me a ns o f t heh1gh s pe e dcameraa n d t he1nfrar e d v1de ocame ratheresu 1 ts showthat(1 )

18、 i ntherang eo fope:r a ti o nparameters ,ffim i s133 7k wm. 2 w h e n fi s 0 196kg-rr1"1 s a n d.u1s45m-s o 1i n th e do w n w i :n(d0per at io n ；q f m 戡 i s12.60k w.m藝whe n f is019 6k gm" 1.s 01 a nd z , i s30mi- s c1 i ntheu pw in d opera t io n ； q f m 救:l ,j10 .3 3k w-m. 2 w h e n f

19、i s 0. 1 8 6 kgmt，s andu i s 2 . 5 m- s ' 1 i n thecrosswind operation. the effect of heat transfer i s downwind>up vind>crosswind. ( 2 ) i n the range o f operation parameters and their respective best speed of the three opera to r s , t h e h e a tfl uxdens ityof the hot fluid used diago

20、nal i s larger than used a t the s a n 1 e side, a n increase o f t h ecpre0rs cs w1 tnd opera tioni sa b o u t 4 43enthe u p w i nd op erat ion i sabout411e)e r c:ent, t h e d o wn wi n d operation isab0ut042 p e r c e n t ； co mp a r i n g w it h t h ec0ndens1ng heat t r a ns fe rc0eff1c1ent. t h

21、e c o nv ec t i v e h e attransfercoefficient,the e q u i v ；a 1 e n theattrans f e r c o e f f ic ient of thewatera1rchangewith the water spraydens1tyonly the e q ui va 1 e n t h e attransfercoefficient 0f t h egas11qui d i s highlyc 0n s i s t e n twith thet0ta1 hea t 一 t r a n s f e r co e f f i

22、c i e nt. theheatstage o f the gas-1i q u i d i n t er f a c e1sbe11evedtobethek ey c o n t r o 1stage i nthewh01eprocess. ( 3)in the samespraydensityorwinds pe e d , t h e heatf11nucxrdeeansseity increas o f fillere swith the1ayerth1c k n e s s . afte rthe comparat i v eana1ys1s,c f d s i m u 1 at

23、io n and expe r i m e n t0fthep 1ate tubeevap orat i v ec0ndenser , the r e s u 1t sshow thatthec0nc1us1onsofcfdsim u1 a t i o n a na 1 y s i sandtheresuits o f expe ri m e n t s w er e veryc0ns1stenteachother the studyo n flowcharacter i s t i c of f 1u id and heattransfere x p e r i m e n ti nthis

24、sub jecten r i c h e d theo re t i c a 1 r esearchsystem0fthe e v a p o r at iv e c o n d e ns e r andsupp11edreference fo rfurther st u d y o ftheperf0r m a n c e and op ti m a 1 d e s ig n o fthep1ate一 tube e v a p or at i v ecc00nnd deennsseer . keywords： r ； c f devaporat i ves1mu1at1o n ； visua

25、l i ;乙a 1tion； heattransfer；f a 1 1 i n g f i1 mi v物理量名稱及符號表彳而積m2 p壓強p a c常數(shù)抑普陰特數(shù)q定壓比熱k j坯。q熱負荷k w萬 動量源項n. mq g,熱流密度kw. mo 2 /摩擦系數(shù)r e雷諾準數(shù)g 蒸汽質量流量k g-s，.汽化潛熱，熱阻k j. k g- 1 , m2.k.wd g 重力加速度m. s。2 t溫度k iv板壁高度m r溫度，時間°c, s h 比焰，拱高1 （jkg，m瓦噴淋水溫度i空間步長厶，時間步長 傳熱系數(shù)w. m。2 . ko 1 u潤濕周邊m k傳質系數(shù)k g . m. s，1

26、 甜流速r ns o 1后湍動動能n. m。1 y體積流量m3. s 4 1 £板長m v運動粘度m 2s o 1 m常數(shù)形噴淋水質量流量k g s。1 iv板片數(shù)片 x蒸汽干度m扌掌j 努謝爾特數(shù)希臘字母口傳熱系數(shù)w. mz. k d善 兩相區(qū)空隙系數(shù)名導熱系數(shù)，波長w.n.k，m d蒸汽比容 k 9 3 . m以ii動力粘度k g -m s d p密度k g-mo 3流道斷截面周長 m萬壁厚mv拉普拉斯算子廠噴淋密度k g . s m。廠體積分率占 湍流耗散率n. s q v i i i盯表面張力n. mo 1上下標k 冷凝狀態(tài)，第k個時間步長口空氣p板w水0當量，板外表面s 飽

27、和狀態(tài)，.熱流體，板管內，第f個節(jié)點g氣相ni液膜，液相，冷凝狀態(tài) p有效，平均廠水膜表面，自由流動x坐標x處s c氣相與板壁接觸面ix 華南理工大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成 果。除了文屮特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經 發(fā)表或撰寫的成果作品。對木文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均己在文中以 明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：彳擻衛(wèi)日期：矽辟/月/日學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，b|j： 研究生在校攻讀學位期間論文工作

28、的知識產權單位屬華南理工大學。學 校有權保存并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許 學位論文被查閱（除在保密期內的保密論文外）；學?？梢怨紝W位論 文的全部或部分內容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、 匯編學位論文。本人電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。 本學位論文屬于：口保密，在年解密后適用本授權書。目不保密。 學位論文全文電子版提交后：口同意在校園網上發(fā)布，供校內師生和與學校有共享協(xié)議的單位瀏覽。（“，舊 k在以上相應;b _框內打"4"）作者繇疥緣衛(wèi)日期：ii羅t鄉(xiāng) 指導教師簽名：h期:m 1 i 二。占。第一章緒論第一章緒論 11研究背景

29、111我國能源資源利用現(xiàn)狀及政策 我國既是一個能源牛產大國，乂是一個能源消耗大國，單位gdp能源消耗，2 0 0 3年較上年上升4 . 9%, 2 0 0 4年較上年上升55 4 %, 2 0 0 5年又較 上年上升016%, 2 0 0 6年，全國能源消費總量為2 4. 6億噸標準煤，比 2 0 0 5年增長9 . 6 1 %,單位g d p能耗12 0 6噸標準埔萬元，比2 0 0 5年下降1. 3 3 %，與4 %的既定目標有一定的差距，2 0 0 7年較上年下降3 2 7%，節(jié)能8 9 8 0萬噸標準煤，節(jié)能減排的成效較為明顯，但我國能源消耗 仍然浪費嚴重，節(jié)能潛力巨大。節(jié)約能源已經被

30、專家視為與煤炭、石油、天然氣和 電力同等重要的“第五能源"，“十一五“規(guī)劃綱要明確提出：到2 0 1 0年，單位國內生產總值能耗要下降2 0 %左右，首次將具體明確的節(jié)能降耗指標納入了五年規(guī)劃，要把節(jié)約資源作為一項 基木國策。我國是一個水資源緊缺的國家，全國正常年份缺水量約4 0 0億m3。隨著經濟社會的快速發(fā)展和人口增長，“水”的問題已日益成為制約我國經濟社會發(fā)展的重要因 素。節(jié)約用水、高效用水是緩解水資源供需矛盾的根本途徑。節(jié)能節(jié)水是國家能源發(fā)展中長期規(guī)劃的目標和重大需求，節(jié)約用水的核心是提高用 水效率和效益。目前，我國用水效率不高，水污染嚴重，萬元gdp用水量是世界 平均水平的

31、四倍左右，工業(yè)萬元產值取水量是發(fā)達國家的五至十倍，距世界先進水 平述有較大差距。據(jù)統(tǒng)計，我國目前工業(yè)需水量約為1 0 6 7億m3,其中用水綜 合重復率為5 6 %，到2 0 1 0年，需水量約為1 5 6 0億m 3 ,而用水綜合重復 率達到6 7%。因為在工業(yè)生產中約7 0%8 0 %的用水是冷卻水，而冷卻水中的 7 0 0 /曠8 0 %又是間接冷卻水，由于這部分水無其他水質污染，通過冷卻設備 降溫后即可循環(huán)利用。從節(jié)能和環(huán)保的觀點來看，冷卻水的直接排放，不僅會造成 很大的能源浪費，述會造成對環(huán)境的熱污染，因此提高冷卻水的循環(huán)率應大力發(fā)展 和推廣工業(yè)用水重復利用技術，提高水的重復利用率是

32、工業(yè)節(jié)水的首要途徑，重點 要求大力發(fā)展高效換熱技術和設備【12 . 1。美國工業(yè)用水的循環(huán)率達9 2 % 。9 5%,代表世界先進水平，我國與之差距甚大，因而冷卻水循環(huán)利用設備的 潛在市場很大【3 , 4】1 . 1 . 2強化傳熱技術及其應用強化傳熱技術是指能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術，其主要內容是采用強化傳熱 華南理工大學碩士學位論文元件和改進換熱器結構，提高傳熱效率，從而使設備投 資和運行費用達到最低【51。從強化的傳熱過程來分，可分為導熱過程的強化、 單相對流傳熱過程的強化、沸騰傳熱過程的強化、凝結傳熱過程的強化和輻射傳熱過程的強化。從提高傳熱系數(shù)的各種強化 傳熱技術來分，可分為有功

33、技術和無功技術，也將其稱為有源強化技術和無源強化 技術，主動式強化技術和被動式強化技術【6 1 o主動強化傳熱技術受到外加能量 等因素制約，因而工程實際中常采用被動強化傳熱技術，即通過增加單位體積內的 傳熱面積或提高傳熱系數(shù)而使單位時間內傳遞的熱量增加。自傳熱學形成學科以來，強化傳熱的問題始終是人們關心的課題，是傳熱學研究的 重要方向，被稱為第二代傳熱技術。迄今為止，強化傳熱技術在現(xiàn)代科學技術的許 多領域得到廣泛應用，如動力、冶金、石油、化工、材料、制冷以及空間、電子、 核能等，均涉及n； bn熱、冷卻和熱量傳遞的問題。用液膜進行傳熱傳質已經成為動力、化工、制冷、輕工、食品等工業(yè)屮最重要的單

34、元操作之一。若液膜足夠薄，其傳熱、傳質強度則是同等流動條件下的單相流動的 幾倍或幾十倍。液膜傳熱傳質具有一系列優(yōu)點：效率高，強度大，溫度或濃度梯度 ?。涣髁啃?，消耗功率少；液.固、氣一液相之間的接觸面積大，傳熱傳質充分， 過程時間短；設備簡單，操作維護方便。因而在冷卻、蒸發(fā)和吸收過程中已作為一 項高效強化技術得到了廣泛應用。板管蒸發(fā)式冷凝器就是利用薄膜傳熱傳質理論與 蒸發(fā)冷凝換熱理論開發(fā)出來的一種高效冷凝換熱設備。113冷凝器的種類及 特點冷譙器是蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中必不可少的部件，它的作用是將制冷壓縮機排出的 高溫過熱蒸汽冷卻冷凝為高壓液態(tài)制冷劑，其運行特性將直接影響制冷裝置的性能 及運行的

35、經濟性。在制冷工藝屮，冷凝器的合理設計是提高制冷能效比的一個重要 環(huán)節(jié)。根據(jù)冷卻流體的不同種類，冷凝器可歸結為三類：空冷式、水冷式、空氣和 水聯(lián)合冷卻式f 7 , 8 1 o空冷式冷凝器最大優(yōu)點是不需要冷卻水，因此，它很適用于水資源缺乏的地區(qū)。因 空冷式冷凝器傳熱系數(shù)小，造成設備制造成本和運行費用較高，故空冷式冷凝方式 一般只運用于小型制冷機組。由于水資源短缺，目前水冷式冷凝器普遍釆用循環(huán)水的形式，有臥式殼管式冷凝器 、立式殼管式冷凝器和套管式冷凝器等型式。臥式殼管式冷凝器的優(yōu)點是傳熱系數(shù)較高，冷卻水耗用量較少。目前已廣泛應用于 2第一章緒論氨和氟利昂制冷系統(tǒng)中。立式殼管式冷凝器的優(yōu)點是占地面

36、積小，可以 裝在室外；清洗較方便，可在制冷系統(tǒng)運行的情況下清洗。缺點是冷卻水消耗量較 大。目前，立式殼管式冷凝器主要用于大、中型氨制冷系統(tǒng)中。套管式冷凝器的優(yōu) 點是結構簡單、便于制造、體積小、傳熱性能好、冷卻水的利用率高。它的缺點是 清除水垢困難，一旦岀現(xiàn)故障很難修理，必須更換整套冷凝器，并口缺乏足夠的空 間使液態(tài)制冷劑與氣態(tài)制冷劑分離，因此大型制冷系統(tǒng)很少采用套管式冷凝器。冷卻塔按通風的方式可分為自然通風和機械通風冷卻塔，按塔體的結構可分為逆流 塔、橫流塔、斜流塔和噴射式冷卻塔等【9】。由于冷卻塔中要引入空氣，運用風 機和其他輔助設備，消耗能量；冷卻塔主要利用水的顯熱完成冷卻過程，其循環(huán)水 用量大，飄水率高，導致水耗散量大。淋水式冷凝器結構簡單，容易制造，清洗方便，對水質要求低，一旦岀現(xiàn)故障，維 修方便。其缺點是占地面積大，金屬材料耗用量大，受氣候的影響較大，主要靠顯 熱傳熱，傳熱系數(shù)低。朵發(fā)蕓冷凝嘉主要利用水的潛熱帶走制冷劑熱量，完成對制冷劑冷凝過程，與淋水 式不同，它靠強制對流蒸發(fā)換熱，其潛熱傳熱量達冷凝負