低喷淋密度下超亲水表面水平管降液膜流动及传热强化

摘要

薄液膜蒸发换热，具有传热温差小、热流密度高、传热系数高、均温性好、结构简单和动力消耗低等优点，被大量应用在石油、化工、制药、海水淡化、航天等领域。其中，水平管降液膜蒸发技术因具有传热效率高、耐结垢以及可利用低品位余热等优点，广泛应用于大型工业生产中，是解决能源消耗大、排放污染物严重等问题的一种高效换热技术。近年来，随着对于环保和节能要求日益提高，利用低流量、小温差实现高效换热已经越来越受到学者的重视。低喷淋密度下的水平管降液膜蒸发，是一个伴随中液滴与液膜相互作用、相互影响的分区特征显著的复杂的界面演化过程。因此，深入认识降液膜蒸发过程中的液滴和液膜的分区特性以及其对传热特性的影响，对进一步探究降液膜蒸发的低喷淋密度传热控制机理和高效传热强化技术的开发具有十分重要的意义。
　　为此本文聚焦于低喷淋密度下水平管降液膜蒸发全过程，通过理论分析，获得低喷淋密度下影响蒸发传热性能的关键因素;结合力平衡模型建立了水平管降液膜最小喷淋密度理论模型;并通过引入部分润湿表面的液膜厚度计算公式，提出低喷淋密度下利用亲水改造实现蒸发传热性能强化的新方法;利用氧化刻蚀法制备了两种润湿性不同的亲水表面:超亲水与一般亲水表面，观察了不同亲水表面的管间流型，测定了最小喷淋密度，最后通过引入了修正因子获得了与实验结果吻合良好的最小喷淋密度关系式。
　　通过数值模拟，建立了普适的超亲水表面三维模型降液膜模型，实现了间断液滴和连续液液柱的准确再现。着重分析了超亲水表面滴状流和柱状流的铺展特性和涟漪波动特性，揭示了马鞍形液膜和相邻液柱撞击区的“相互作用环”形成原因;考察了喷淋Re数对液膜厚度和铺展速度的影响，发现喷淋Re数对滴状流液膜厚度和铺展特性影响不大，而对柱状流影响显著;探讨了三维液膜的轴向和周向液膜厚度演化规律，结果表明在轴向上柱状流液膜呈波谷-波峰-波谷的分布形式，液膜厚度在中间汇聚区取得极值，在整个圆周角变化范围内，液膜厚度都几乎出现了翻倍现象。
　　利用高精度红热像仪对低喷淋密度下超亲水表面水平管降液膜表面的温度分区和波动特性进行了研究，分析了喷淋密度、初始液膜温度以及加热功率对不同流型表面液膜温度分布的影响。结果表明，超亲水表面滴状流液膜温度呈现周期性分布，分为撞击区和非撞击区，撞击区和非撞击位置并不固定，存在明显变化周期，非撞击区液膜温度基本不变，撞击区液膜温度升温明显，且温升主要发生在铺展液膜达到最大后，撞击区内部存在高温环状结构，其比主体温度高0.3-0.6K左右;柱状流液膜温度呈现均匀分布，在相邻液柱交汇区存在明显的低温区分界线，较主体低0.2K左右;处于中间的过渡流型具有两种温度分布—均匀分布和周期分布共存。换热管表面的温度波动周期随喷淋密度和初始液膜温度的升高降低，波动强度随喷淋密度的升高存在一个显著下降区间，其对应流型从滴状流到滴柱过渡流的转换。
　　结合红外示踪技术和统计学分析研究了超亲水表面低喷淋密度多液滴间的空间传递规律。发现液滴的产生并不是随机的，而是存在一定周期性，同时这种典型的周期性并不出现在全部范围内，只是在少数几个特殊流量才存在，重复单元数目随流量的增加而降低;利用能量最小理论和统计学分析获得了形成液滴周期性出现的原因，并给出了相关预测模型，与实验结果吻合良好，并基于此构建非稳态流动下的液膜厚度分布图。
　　最后设计并搭建了水平管降液膜蒸发实验平台，考察了润湿性对水平管降液膜蒸发传热的作用机制，研究了喷淋密度、入口流量、入口温度和饱和温度等对传热性能的影响。结果表明，在低喷淋密度下超亲水表面传热系数高于亲水表面和光滑铜管，且在较宽的范围内具有良好的耐受性，最大约为光管表面的4倍，从而利用超亲水表面实现低喷淋密度下的传热强化，为新型强化换热表面的设计和开发提供了理论指导和实验基础。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外相关工作研究进展

1．2．1 水平管降液膜流动特性的研究

1．2．2水平管降液膜液膜厚度的实验测量和理论研究

1．2．3水平管降液膜蒸发传热机理

1．2．4水平管降液膜蒸发传热的实验研究

1．2．5低喷淋密度下传热特性及传热强化

1．2．6超亲水表面及其对液膜流动和传热性能的影响

1．2．7水平管降液膜流动与传热的数值模拟研究

1．2．8尚存在的问题和研究的不足

1．3本文主要研究思路

2水平管降液膜传热性能的理论分析及其表面液膜流动形态

2．1水平管降液膜蒸发传热模型分析

2．1．1降液膜蒸发物理模型

2．1．2表面润湿性对最小喷淋密度的影响

2．1．3表面润湿性对传热的影响机制

2．2水平管降液膜流动形态及最小喷淋密度测量

2．2．1表面制备方法及表征

2．2．2实验装置与流程

2．2．3润湿性对水平管降液膜管间流动形态的影响

2．3本章小结

3超亲水表面水平管降液膜流动与铺展特性的数值模拟研究

3．1物理模型及数值模拟方法

3．1．1物理模型和网格划分

3．1．2控制方程

3．1．3求解方法

3．2网格无关性及模型验证

3．3水平管降液膜换热器设计参数的选取

3．3．1喷淋密度对流型转变的的影响

3．3．1喷淋高度对液膜厚度的影响

3．3．2管径对液膜厚度的影响

3．4超亲水表面水平管降液膜流动与铺展特性

3．4．1超亲水表面滴状流全过程拓扑结构分析

3．4．2柱状流流动及液膜铺展特性分析

3．5超亲水表面液膜厚度演化规律

3．5．1超亲水表面滴状流液膜厚度演化规律

3．5．2超亲水表面柱状流液膜厚度演化规律

3．6本章小结

4超亲水表面水平管降液膜表面温度分布规律

4．1表面制备与实验原理

4．1．1表面制备与表征

4．1．2实验流程与数据处理

4．1．3实验原理

4．2超亲水表面液膜温度演化规律

4．2．1超亲水表面滴状流温度演化规律

4．2．2超亲水表面柱状流温度演化规律

4．3超亲水表面温度波动特性及整体传热性能分析

4．4超亲水表面滴状流高温环状结构形成的机理研究

4．5本章小结

5超亲水表面液滴空间传递规律及模型分析

5．1表面制备与实验原理

5．1．1表面制备与实验方法

5．1．2界面追踪实验原理

5．2超亲水表面单液滴运动特性

5．3超亲水表面多液滴空间传递规律

5．4超亲水表面多液滴空间传递规律机理分析及滴状流液膜厚度分析

5．4．1超亲水表面多液滴空间传递规律的机理分析

5．4．2超亲水表面非连续滴状流液膜厚度的简单分析

5．5本章小结

6润湿性对水平管降液膜蒸发性能影响的实验研究

6．1实验装置与实验流程

6．1．1实验装置简介

6．1．2实验流程

6．2实验数据处理与误差

6．2．1 水平管降膜蒸发实验数据处理

6．2．2实验系统误差分析

6．3实验结果与讨论

6．3．1系统热平衡测试

6．3．2操作参数对水平管降液膜传热性能的影响

6．4本章小结

7结论与展望

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果