蒸发式冷凝器的强化传热分析及程序化设计

摘要

蒸发式冷凝器是一种高效的换热设备,其综合性能优于其他型式的冷凝器。对蒸发式冷凝器进行传热机理研究和结构优化可以节约能源和水资源,对我国经济发展具有重要意义。
　　 本文主要理论分析、数值模拟和程序开发方法,从以下几个方面研究了蒸发式冷凝器的新型强化传热结构、强化传热机理和程序化设计方法:
　　 (1)对蒸发式冷凝器工作过程的分析表明,在蒸发式冷凝器中,热量从管内的制冷剂传递到管外空气的过程不仅包括对流传热,还包括对流传质。传热和传质相互耦合,这就导致了蒸发式冷凝器工作过程非常复杂。
　　 (2)通过对蒸发式冷凝器的热阻的分析可以知道,蒸发式冷凝器中最易改变的两个热阻是管外水膜热阻和管内冷凝热阻,对蒸发式冷凝器进行强化传热的主要方法是控制和减小这两个热阻。理论分析结果表明,采用竖管型式不仅可以减小冷凝热阻,而且可以使管外水膜分布更均匀,减小了水膜热阻。通过数值模拟的方法对竖管和水平管两种型式管外水膜分布情况进行比较,得到的结论和理论分析结果一致。
　　 (3)建立竖管蒸发式冷凝器的模型,采用数值计算的方法对不同风速和喷淋量条件下的水膜分布和传热情况进行了分析比较,得到如下一些结论:相同风速条件下气液逆流时的水膜要比气液顺流时的水膜厚；气液逆流时,风速在1～3m／s时,水膜厚度变化不大,风速继续增大时,水膜明显变厚,更加不稳定；气液顺流时,风速在1～7.5 m／s时,水膜厚度变化不大,风速继续增大,水膜将会出现破裂；喷淋量一定时,无论逆流或是顺流,风速的增大都会引起系统压降的增加和传热能力的增强；在风速一定时,喷淋量的增加都会导致水膜热阻的增大,降低传热能力；比较两种流动形式,顺流形式的性能要优于逆流时性能。
　　 (4)在管内开设沟槽可以减小冷凝热阻,制冷剂为氨时,文中设计开发的沟槽圆管冷凝换热量可比光滑竖管提高90％以上。竖管的高度为1m时的冷凝换热系数要比相同条件下的水平管换热系数高50％以上。
　　 (5)采用Visual Basic对曲线相交法进行编程,得到一个便捷的计算程序,使蒸发式冷凝器的设计计算更为简单、快捷;并通过对现有方法的改进,提出了改进型温降法。