真空條件下水平單管降膜蒸發(fā)液膜厚度及流場模擬研究.pdf

1、水平管降膜蒸發(fā)器和傳統(tǒng)的換熱器相比，具有傳熱溫差小、傳熱系數(shù)高、可低溫傳熱等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在海水淡化、食品加工、制冷工程、石油冶煉和化學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。本文研究的是真空狀態(tài)下水平單管降膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)過程，該過程中管內(nèi)是蒸汽冷凝過程，管外是降膜蒸發(fā)過程。管內(nèi)管外都屬于氣液兩相流范疇，且都存在相變潛熱交換，情況較為復(fù)雜。
　　建立水平管降膜蒸發(fā)冷凝管內(nèi)外換熱模型，對管內(nèi)蒸汽冷凝換熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻、污垢熱阻和管外降膜蒸發(fā)換熱熱阻進(jìn)行

2、了分析計(jì)算，分析計(jì)算出在四個熱阻中管外降膜蒸發(fā)換熱熱阻占總熱阻比重最大，且是管內(nèi)的兩倍左右，因此研究管外降膜蒸發(fā)換熱機(jī)理對于水平管降膜蒸發(fā)器的換熱性能的提高具有重要意義。
　　建立了水平管降膜蒸發(fā)器管外物理模型和單元仿真模型，加載了單元仿真模型的傳熱邊界條件，利用VOF模型以及ANSYS FLUENT自帶蒸發(fā)冷凝模型對不同噴淋密度和傳熱溫差下的管外降膜蒸發(fā)流動傳熱傳質(zhì)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同噴淋密度下的管外降膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)，與

3、相同條件，同種工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差在15％之內(nèi)，驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)模型以及VOF模型加蒸發(fā)冷凝模型模擬管外降膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)的準(zhǔn)確性。
　　模擬結(jié)果顯示隨著噴淋密度增大，傳熱溫差增大，噴淋密度由0.013 s)kg/(增大到0.058 s)kg/(管外降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)由716 k)W/(m2增大到2698 k)W/(m2，增大了4倍左右。對真空條件下水平管外降膜蒸發(fā)過程中液膜厚度以及流場流動換熱特

4、性進(jìn)行了數(shù)值模擬及分析，具體包括：液膜內(nèi)液體x方向速度分布規(guī)律、液膜內(nèi)液體y方向速度分布規(guī)律以及水平管圓周不同位置液膜厚度分布規(guī)律，還研究了不同噴淋量下的液膜厚度分布。研究發(fā)現(xiàn)，在最開始液體與管壁發(fā)生撞擊，液膜發(fā)生堆積所以液膜厚度較厚，然后在θ取5°~30°范圍內(nèi)時，液膜在管壁表面鋪展開來，液膜厚度逐漸變薄，且降低幅度較大；然后在θ取30o~90o范圍內(nèi)時由于重力以及管壁表面剪切力作用，液膜厚度逐漸緩慢減小，且液膜厚度達(dá)到最小值；θ為9

5、0°~155°時液膜厚度有較小幅度的增大；θ為155°~180°時由于管壁兩側(cè)液膜合流相互撞擊以及液膜脫離管壁，液膜在此范圍內(nèi)出現(xiàn)堆積，液膜厚度急速增大。因此，噴淋密度為0.4 kg/(m·s)、蒸發(fā)溫度為80℃、管壁溫度為85℃時水平單管降膜蒸發(fā)液膜最薄位置出現(xiàn)在90°，液膜最薄為0.001m，液膜最厚的位置出現(xiàn)在θ為180°的位置為0.006m,是最薄液膜厚度的6倍。隨著噴淋量增加，液膜厚度增厚發(fā)生在沿管壁圓周方向，但是不同區(qū)域厚度