淋激式污水换热器管外传热研究

摘要

污水热回收系统推广和应用的关键在于寻找一种合适的换热器。相比于常用的浸没式换热器和壳管式换热器，淋激式换热器具有传热性能好、结构简单、维护方便等优点。目前针对淋激式污水换热器设计还主要基于经验公式，但是为了进一步优化换热器设计和减小设备费用，需要对淋激式污水换热器流动传热进一步研究。
　　在污水热物性参数缺乏的条件下，本文假设污水为近似清水的纯流体；综合考虑淋激式污水换热器的经济型和可行性，本文认为换热管间呈现膜状流最有利于淋激式污水换热器的应用，因而将其简化为二维物理模型，应用VOF(volumeoffluid)模型对污水在等壁温条件下水平管外的流动特性和传热特性进行了研究分析。本文研究了不同周向角度、喷淋密度、管径大小、污水粘度、表面张力等参数对管外液膜厚度和传热系数的影响。本文同时搭建了近似等壁温条件下水平单管降膜管外传热系数测试试验台，与模拟结果相比较。本文主要的研究内容和结果如下：
　　1)水平管降膜膜状流时从管顶沿圆周方向，管壁液膜厚度中间薄两端厚；液膜厚度随着喷淋密度的增加而增加，随着管径的增大而减小，随着粘度的增加而增加。表面张力对液膜厚度的影响主要集中管项滞留区域，自由降膜区受其影响较小，并且Re数较小时表面张力的影响较大。进一步分析得到：喷淋密度、粘度对管壁液膜厚度影响较大，管径、表面张力对管壁液膜影响较小。
　　2)液膜内沿液膜厚度方向，贴近壁面处温度变化趋势较快，靠近液膜自由表面处温度趋势一致；管外换热系数在管顶滞留区域取得最大值，沿圆周方向逐渐减小，在170°附近取得最小值，170°～180°处换热系数大于等于170°处换热系数；管外换热系数随着喷淋密度的增大而增大、随管径的增大而减小、随喷淋高度的增加而增加、随粘度的增大而减小；引入无量纲换热系数Nu数，得到努赛尔数Nu与雷诺数Re，普朗特数Pr，阿基米德数Ar的关联式为：Nu=0.3904Re0.2312pr0.3810Ar-0.1198，将拟合结果与文献实验结果比较，具有较好一致性。
　　3)通过建立三根水平管管束模型研究其传热特性。计算得到，随着Re数增加各个换热管换热系数逐渐增大；并且从上到下在换热管各处顶部换热管换热系数大于中间换热管换热系数大于底部换热管换热系数，但是变化幅度趋于平缓。
　　4)搭建了近似等壁温条件下水平单管降膜管外传热系数测试试验台，试验显示换热系数随着喷淋密度增加而增大，通过与模拟结果比较，试验结果比模拟结果略大，但是发展趋势一致。