【摘 要】
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水平管外降膜蒸发具有传热高效、工质用量少、传热温差小等优点,有望用于制冷空调、海水淡化、化工石油等领域。工质在水平换热管外降膜蒸发涉及汽液两相流动传热,液态工质在管外的液膜流动特征,如液膜的形成与分布(沿轴向、周向的流动铺展)、液膜厚度与分布、液膜内的汽泡成核与分布等,对提升管的换热性能,避免管外出现局部干涸区等起到决定性的作用。本文提出用波纹管取代光管,利用波纹管轴向截面大小呈周期性变化的特点,
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水平管外降膜蒸发具有传热高效、工质用量少、传热温差小等优点,有望用于制冷空调、海水淡化、化工石油等领域。工质在水平换热管外降膜蒸发涉及汽液两相流动传热,液态工质在管外的液膜流动特征,如液膜的形成与分布(沿轴向、周向的流动铺展)、液膜厚度与分布、液膜内的汽泡成核与分布等,对提升管的换热性能,避免管外出现局部干涸区等起到决定性的作用。本文提出用波纹管取代光管,利用波纹管轴向截面大小呈周期性变化的特点,尝试运用波纹管结构特征改善工质在水平管外降膜蒸发过程,达到强化传热的目的。为此,基于VOF模型,考虑管外液膜流动的湍动效应,结合SST k-ω湍流模型与自行开发的用户自定义函数(相变模块,体现管外实际发生的传热、传质),构建工质R134a在水平管外降膜蒸发的数学模型。在此基础上开展数值模拟,比较R134a在水平波纹管、光管外降膜蒸发过程的差异,重点关注液膜沿轴向、周向的流动与换热特性,具体研究液膜在管外的流动、液膜厚度与分布、液膜内的汽泡成核与分布等。同时,分析、讨论工况参数、波纹管几何结构参数变化对管外液膜流动(如液膜形成与分布、液膜厚度等)、换热特性(管外平均换热系数)的作用规律,在满足柱状流的工况条件下,给出较优的波纹管结构参数。主要工作及结论如下:(1)对比R134a在水平波纹管、光管外降膜蒸发过程中液膜流动与分布的差异。波纹管能够改善液膜流动,避免换热管背面区出现局部干涸区。轴向上,波纹管外的液膜流动速度较光管快。周向上,波纹管外的液膜流动速度较光管慢。波纹管外的铺展相对均衡,距离波峰截面越近,管外的液膜铺展速度越快。波纹管外液膜脱离时能形成几股较大的新液柱。(2)比较对R134a在水平波纹管与光管外降膜蒸发时液膜厚度与分布的差异。波纹管外的液膜厚度为0.120mm,比光管薄7.00%。其中,迎面区(周向角=0°~90°)液膜厚度为0.119mm,比光管薄13.14%;背面区(周向角=90°~180°)的液膜厚度为0.121mm,比光管薄0.24%。(3)分析R134a在水平波纹管、光管外液膜内汽泡行为(如起始成核点时间、成核点数量与分布等)的差异。与光管相比,波纹管外液膜内汽泡起始成核时间提早2.6ms,较薄的液膜对应较多的汽泡成核点,波纹管外成核点数多出15.32%,且分布较广(周向角=55°~135°),平均换热系数高出光管10.17%。(4)研究热流密度、液柱冲击点位置变化对水平管外降膜蒸发换热特性的影响。增大换热管热流密度,管外液膜内的汽泡成核点数量增多,管外换热系数增大;液柱冲击点位于波纹管的波峰截面上,可以更好地消除管外局部干涸区的发生,表现出较好的换热效果。(5)分析降膜雷诺数Ref在525~875范围内,波纹管结构参数变化对管外换热性能的影响程度。相同波距,增大波幅,波距与波幅之比减小,波纹管外的液膜厚度减小,换热系数增大;相同波幅,减小波距,同样可以减小波距与波幅之比,液膜铺展速度加快,波纹管外的液膜厚度减小,换热系数增大。低降膜雷诺数(Ref=525、612)工况下,波距与波幅之比过小(λp/A=18.75、15、18)会导致波纹管背面区出现局部干涸区。Ref=525~875范围内,#9波纹管具有较优的结构参数(λp/A=20,λp=20mm、A=1.0mm)。
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