含有不凝气水平管内膜状冷凝的传热特性

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1、含有不凝气水平管内膜状冷凝的传热特性杨洛鹏，陈学，沈胜强.（大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室，大连116024）(Tel:13130403891,Email:yanglp@dlut.edu.cn)摘要：建立了含有不凝气的水平管内膜状冷凝传热的物理模型，推导出了液膜换热系数、液膜厚度、轴向压力梯度、冷凝液层角度及厚度和冷凝界面温度的理论关系式。通过对纯蒸汽冷凝液膜特性数学模型计算值间的比较，验证了物理模型的通用性和准确性。研究结果表明：汽液两相流间剪切应力和不凝气对沿管长方向蒸汽冷凝温度的降低

2、有显著影响，要通过增加管长来抵消其对传热性能降低的影响；进口蒸汽中不凝气浓度的降低，有利于降低传热管管长。关键词：水平管内膜状冷凝；不凝气；剪切应力；轴向压力梯度；0前言对于水平管多效降膜蒸发器，传热管两侧均发生相变，以其小温差、小流量和传热系数高的特点[1]，已成为一项高效传热传质技术，在低温多效蒸发海水淡化中得到了广泛应用。现有的对于水平管内冷凝的研究主要是针对纯蒸汽冷凝过程，而对含有不凝气的水平管内膜状冷凝传热的研究较少。Shah[2]和Travis[3]对水平管内冷凝传热系数进行了理论和实验研究，

3、但在理论推导中，忽略了轴向压力梯度引起的冷凝温度降低；Friede[4]给出的水平管内摩擦压力梯度的实验关联式不是针对小温差的真空冷凝过程。Chen[5]和Moalem[6]给出了水平管内纯蒸汽冷凝过程传热特性的数值解，为简化模型求解，给出了较多假设，如假定忽略传热管表面曲率，冷凝液膜厚度按垂直管壁计算等。海水水平管降膜蒸发过程如图1所示，不凝气在汽液界面处积聚形成扩散层，在扩散层内，蒸汽分压力降低，不凝气分压力升高，降低了传热温差，即使有微量的不凝气存在也会对传热过程产生显著影响[7]，但对于含不凝气冷

4、凝过程的研究较少，关注的重点是不凝气对传热性能影响的实验研究[8,9]。针对现有研究中存在的实验关联式受实验参数限制、数值计算中假设过多以及数值计算中未考虑不凝气对冷凝传热影响的问题，本文建立了通用的含不凝气水平管内蒸汽冷凝传热特性的物理模型，推导出了冷凝液膜换热系数、液膜厚度、轴向压降梯度、冷凝液层角度及厚度和冷凝界面温度的理论关系式，分析了不同冷凝液膜特性数学模型计算值之间的差异以及含有不凝气的膜状冷凝传热性能随传热温差、不凝气浓度以及传热管长等因素的变化规律。1物理模型基金项目：辽宁省科学技术基金(

5、No.2008220040)如图1所示，蒸汽在水平管内冷凝时，在管内壁形成连续的薄冷凝液膜，液膜在重力的作用下沿管壁面向下流动，积聚在管内底部形成冷凝液层，冷凝液在流动蒸汽的作用下沿管长方向流动，物理模型中假定管壁温度保持不变。(图1含有不凝气的水平管内膜状冷凝过程示意图1.1水平管内蒸汽膜状冷凝传热系数和液膜厚度对如图1所示的液膜微元沿x轴方向建立动量平衡方程：d2w(x,y)?(t)???(?l??v)?g?sin?(1)dy2满足边界条件：在管壁处，y?0时，切向速度w?0；在汽液界面处，y??时，

6、dw?0。dy为简化动量方程求解，动力粘度?假定为：??a(2)1?b?(t?273.17)由式（1）可得液膜内速度分布为：w(x,y)?(((1?b?Tw)???(b?Ti?Tw)???0.5)?y?(1?b?Tw)?y2?0.5(b?Ti?Tw)?y3(???v)?g?sin??)?l6??a(3)如图2所示，取液膜微元dx??，对微元体建立能量平衡方程：.（4）Hl???Hl?(??d?)?Hv?dmv?q?dx?0由式（3）、（4）和（5）得到沿管壁圆周方向的液膜厚度分布和换热系数分布为：?13.

7、2?a?D??l?(ti?tw)??sin(?)d??(?)?((1?b?Tw?sin(?)43iw)??l?(?l??v)?g?r24)（5）14hl(?)??l（6）?(?)1.2水平管内冷凝液层角度和轴向压降梯度轴取微元?z，冷凝液微元体内质量守恒方程式如下：液膜v×dmv图2水平管截面液膜微元能量守恒示意图图3水平管长度方向冷凝液微元体质量守恒示意图mc,?z?z?mc（7）.D2dp(?)((2sin3(???s)cos(???s)?15?sin(???s)cos(???s)?(3?48??dz

8、（8）4?4h(t?t)sin(???)s12cos2(???s))(???s)?vl(6sin(???s)?2sin3(???s)?6cos(???s)(???s)))?liw?l?DrDdz由式（8）可以得到冷凝液层角度?s。冷凝液层深度?s为：?s?0.5D(1?cos(???s))（9）汽液界面处蒸汽剪切应?vl力与轴向压力梯度dp的关系满足如下关系式：dz4h(z)(ti?tw)d4hl(z)(ti?tw)dp?4?