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强化管外降膜蒸发的机理分析
报告人:程彬
天津大学热能研究所 TERI
前言
早在1848年,人们就已经开始研究水平管束降液膜式换热器,但直到1990年以后随CFC制冷剂被逐步禁用,才使得降膜蒸发器在制冷系统中得到应用。通过热阻分析可知,降膜蒸发器的主要热阻仍在管外降膜蒸发侧,采用功能表面强化管来代替一般换热管对于强化降膜蒸发器的换热性能具有重要意义。
功能表面强化管也即强化管最先是在强化池沸腾换热时提出的。早在20世纪80年代,我国的一些学者就开始研究将强化池沸腾换热的强化管引入到降膜蒸发器,并取得了显著的成果。
相对于光滑表面,强化表面对换热的影响主要体现在流动与传热两个方面。
强化管外液膜的流动模式与光滑管基本相同,其流型也可分为:滴状流、射(柱状)流和片状流,另有少量的滴-柱状流和柱-片状流两种过渡流态,只是比光滑管增加了射流模式的存在区域,减小了对喷淋密度的依赖性。
1 强化表面对液膜流动的影响
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下图为典型T型强化管外表面结构放大图,从图中可以看出,当管外均分液体时,强化管外液膜的流动可分为肋片间通道内的流动和横掠肋片的流动。
液膜在中间通道内流动时,中间通道宽度的不规则变化加强了液膜的扰动。
在液膜横掠肋片时,由于每个肋片的高度在液膜流动方向上是减小的,不仅增加了流动行程,而且也起到导流作用,在肋片与肋片的衔接处的高度差,使液膜在流动中不断与下一个肋片撞击,加强了液膜的扰动性。
由此可见,强化管外液膜的绕动性与波动性明显强于光管,而且肋片的导流作用,使得强化管外液膜的均布要明显优于光滑管。
2 强化表面对传热的影响
大量的研究已经表明,使用强化管来代替光滑管能够较大幅度的提高换热系数,减小换热器的体积。但目前对于强化管外降膜蒸发换热机理的研究还不是很多,下面将首先介绍几种常用的换热模型,进而对强化管外的传热特性进行分析。
叠加模型
和 ,在降膜蒸发过程中,总传热系数是对流换热与沸腾换热的叠加。并将管外液膜流动分成热发展区与完全发展区。其总传热系数的表达式为:
其中:hb为低液位沸腾换热系数,hd为热发展区换热系数,hc为对流换热系数,Ld为热发展区长度,L为液膜环绕长度。
热发展区是料液从饱和温度到达过热的线性轮廓,在该区域所有的来自壁面的热量进入过热的液膜,没有蒸发现象发生。
修正叠加模型
Liang-Han Chien,PhD 和Chuan-Hung Cheng依据Chen提出的叠加模型: ,通过对大量文献实验数据的整理,拟合出:
对于光管:
对于Turbo-B管:
降膜因子Kff模型
J.- ,定义Kff为降膜蒸发换热系数href与池沸腾换热系数hnb的比值,当雷诺数达到临界点的雷诺数时,降膜因子为:
其中,最小管心距tpo为无因次参数,常数b1-b4见文献[8];
qcrit为临界热流密度,表达式为:
由以上模型可以看出,在低热流密度下,即管外无沸腾现象时,模型1重点对对流换热的影响进行了分析;在高热流密度下,即管外发生沸腾时,模型3重点对沸腾蒸发换热的影响进行了分析;而模型2不区分热流密度,同时考虑对流换热与沸腾换热的影响,并用加权因子对其影响进行修正。而我们知道,管外表面蒸发与管外沸腾蒸发是两个机理完全不同的过程,一个是对流主导过程,一个是沸腾主导过程,原则上不能用一个统一关联式来表达,即使能够表达,也不能够通过该表达式的形式来说明或解释实际的换热过程。所以模型2的实际意义并不大。
在较低热流密度下,由于传热温差较小,热量传递主要依靠液膜流动对流来实现,液膜中无气泡产生,随热流密度的增大,在管壁处会产生少量的气泡,由于此时的热流密度不足以使气泡继续生长,少量气泡的扰动使对流换热也相应部分加强,该过程称为表面蒸发阶段;
随热流密度的进一步增大,管外更多的凹穴成为汽化核心,液膜内开始产生大量的气泡,液膜的沸腾现象明显,波动性增强,降膜蒸发过程处于沸腾蒸发阶段,热量传递主要依靠气泡来实现;
当热流密度继续增大时,在液膜比较薄的区域就会由于蒸发较快而产生干斑,局部壁面温度急剧增大,使换热效果恶化,这种情况应尽量避免。
热流密度 q(W/m2)
换热系数 h0(W/(m2K))
表面蒸发区
沸腾蒸发区
干涸区
过渡区
水平管外降膜蒸发的特性曲线