水平管降膜蒸发器传热特性研究 沈胜强

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：113345水平管降膜蒸发器传热特性研究沈胜强，梁刚涛，牟兴森，刘瑞(大连理工大学能源与动力学院，大连116024)Tel：0411-84708464，E-mail：zzbshen@dlut.edu.cn摘要：本文建立了水平管降膜蒸发和管内凝结传热实验台，通过对实验结果的归纳，分析了水平管降膜蒸发器总传热系数随喷淋密度、蒸发温度、总传热温差和入口蒸汽流速的变化规律，讨论了不同管间距对传热特性的影响。结果表明，总传热系数随喷淋密度、蒸发温度的增大而增大，随传热温差的增大而减小，而蒸汽流速对传热系数影响较小；

2、在本文研究的管间距范围内，当管间距为46.7mm时，总传热系数最高。关键词：水平管降膜蒸发器；蒸发；凝结0前言水平管降膜蒸发作为一种高效传热过程，传热系数较高，与竖管降膜蒸发相比较，水平管降膜蒸发传热系数是竖管降膜蒸发传热系数的2倍[1]，另外还具有传热效率高、传热温差小、低温传热性能优良等优点，被广泛应用于海水淡化、海洋温差发电、制冷工程、食品加工、制药、石油化工等领域。国内外的学者对水平管降膜蒸发器的传热过程进行了大量的实验研究，一些是关于降膜蒸发过程的研究，一些是关于管内凝结、管外降膜蒸发综合传热的研究。马学虎[2]的实验结果显示，总传热系数和

3、蒸发侧传热系数随喷淋密度的增加先减小后增大；增大管内蒸汽出口流速，蒸发传热系数和总传热系数基本保持不变，而凝结传热系数明显增大。解利昕[1]认为，总传热系数随传热管外流体Re的增加而增大，在一定传热温差范围内与传热温差无关，随蒸汽流速增加变化不大。任显龙[3]的实验表明，管外蒸发传热系数随喷淋密度和蒸发温度的增大而增大。Fletcher[4]发现，管外蒸发传热系数在高蒸发温度时随蒸发温度的升高基本不发生变化，在低蒸发温度时随蒸发温度的升高略有升高。Fujita[5]认为，当管外是对流传热时，蒸发传热系数与热流密度无关；随着喷淋密度的增大，传热系数先减

4、小后保持不变然后又增大。Parken[6]的实验结果显示，对流传热时蒸发传热系数随着蒸发温度、喷淋密度的增大而增大，与热流密度无关；沸腾传热时随蒸发温度和热流密度的增大而增大，随喷淋密度增大略有升高。纵观对水平管降膜蒸发器传热过程的实验研究，多数集中于管外降膜蒸发的研究上，对管内凝结、管外蒸发的总传热系数的研究仍显不足，而不同研究结论显示了基础研究的不足。本文针对水平管降膜蒸发传热特性，在对管内和管外传热过程分别测量的基础上，探讨水平管降膜蒸发器总传热系数受喷淋密度、蒸发温度、总传热温差和蒸汽流速的影响规律，并给出了不同管间距下传热系数的比较结果。1

5、实验装置及方法为了获得水平管降膜蒸发器总传热系数，分析管内凝结、管外蒸发各自的传热特点，分别建立了管外降膜蒸发传热实验台和管内凝结传热实验台。图1为管外降膜蒸发实验系统简图。该实验台用于测定水平管外降膜蒸发侧传热系数。蒸发流体在加热水箱1中加热到一定温度后被泵入高位水箱2中，通过流量调节阀进入到蒸发器3中并被均匀分布于传热管外表面，形成降膜蒸发；蒸发器产生的蒸汽进入冷凝器5中凝结，未蒸发的流体则进入到计量罐4中。传热管采用直径25.4mm、长度1600mm的HAL77-2A管，壁厚0.7mm，管子内部设置电加热器。实验参数范围为：蒸发温度40-70℃

6、，喷淋密度0.026-0.070kg·m-1·s-1，加热功率0-3kW。本文介绍的是采用淡水作为蒸发流体的结果。1加热水箱；2高位水箱；3蒸发器；4计量罐；5冷凝器图1管外蒸发实验系统简图图2为管内凝结实验系统简图。该实验台用于测定管内凝结传热系数及蒸汽流动阻力。实验蒸汽在一定压力下进入传热管中与管外的冷却水换热并凝结，实验段尾部未凝结蒸汽和凝结液在汽-液分离器3中分离，蒸汽进入冷凝器4，所有的凝结液收集到集液罐5中。凝结传热测试单元分为5段，每段由2000mm长的HAL77-2A管套管换热器组成，传热管外径25.4mm，壁厚0.7mm，有效传热长

7、度1800mm，每段之间是300mm长的石英玻璃管，用于观测每段末端的两相流型。实验参数范围为：蒸汽温度40-65℃，入口蒸汽流速20-80m·s-1。1锅炉；2实验段；3气-液分离器；4冷凝器；5集液罐；6冷却水箱图2管内凝结实验系统简图本文以上述两个实验台得出的实验数据及整理出的实验规律为基础，分析水平管降膜蒸发器的传热特性。2传热特性分析2.1喷淋密度对总传热系数的影响图3给出了不同管间距S下总传热系数K随喷淋密度Γ的变化趋势，图中蒸发温度为50℃，传热温差为3℃，蒸汽流速为45m·s-1。由图可以看出，在本实验参数范围内，K随Γ的增大而增大。

8、通过对管外降膜蒸发过程的分析可知，随着Γ的增加，一方面，液膜厚度增加，导致传热热阻增大；另一方面，管外液膜流