水平管降膜蒸发器的数值模拟

摘要

由于水平管降膜蒸发具有小温差传热、薄液膜和管内外相变传热的特点，水平管降膜蒸发器在海水淡化、制冷、空调和化工等领域得到广泛应用。对水平管降膜蒸发传热机理的研究对于强化蒸发器传热和进一步提高传热器性能具有十分重要的意义。
　　为了深入了解水平管管降膜的微观传热机理和特性，本文采用数值计算的方法，对水平管内蒸汽冷凝和管外降膜蒸发过程进行了数值描述。采用边界层理论获得液膜沿圆周流动的初始速度。管外降膜蒸发的数学模型中考虑了液体粘度和重力对液膜的影响，模拟了管外液膜厚度，液膜速度，液膜温度和局部传热系数等沿管圆周方向的分布特性。管内冷凝的模型中考虑了剪切应力，重力，压力变化对液膜的影响，计算了管内液膜厚度，分层流角度，局部传热系数沿管圆周方向和管长方向的分布规律。通过耦合管内蒸汽冷凝和管外降膜蒸发过程，得到了等壁温条件下沿管圆周方向、管长方向和管束的传热特性。计算结果表明:通过对管内外传热特性计算值与实验值的对比，验证了数学模型的准确性和可靠性;计算得到了单管和管束沿管外圆周方向上热力发展区和热力充分发展区的分布规律;通过分析径向液膜流动速度与局部传热系数的分布规律，发现即使对于小流量的液膜流动过程，法向速度变化引起的对流传热对液膜内的传热过程也有重要影响。在水平管内汽液两相流间剪切应力作用下，传热温差沿管长方向逐渐降低;由于冷凝液的逐渐积累，沿管长方向液膜厚度逐渐增加，分层流角逐渐减小，管内有效传热面积逐渐减少，传热系数逐渐降低。通过优化管外液膜喷嘴的分布，提高了水平管降膜蒸发的总传热系数;采用二流程管束分布可以显著提高蒸发器地传热效率。
　　对水平管降膜蒸发过程微观传热过程的数值模拟，对于深化降膜蒸发传热机理具有重要意义;对水平管降膜蒸发器管束的计算结果对于蒸发器的设计具有较好的指导意义。