能源是推动社会发展的支撑动力,而我国能源需求量大,能源资源却相对贫乏。工业余热资源量丰富,且分布范围广,尤其在冶金、煤炭、钢铁、水泥、化工等行业,而工业余热回收有效利用率低,所以研究和开发高效余热利用技术及装置成为我国实现节能减排的重要途径。目前对于中高温余热(温度>300℃)这种高品质余热利用技术日渐成熟,但是对于低温余热(温度<300℃)这种低品质余热利用方面的研究还处于发展阶段。而降膜蒸发作为高效蒸发技术可实现微温差蒸发,减少资源的浪费,大大提高余热资源利用效率,实现工业余热深度回收利用,已广泛应用于能源、海水淡化、制冷等领域。针对工业低质余热深度回收关键科技问题,开展了垂直管内降膜蒸发器传热特性研究。论文提出了低沸点有机工质微温差降膜蒸发方法,开展了低沸点有机工质垂直管内高效微温差降膜蒸发器传热特性研究,试验研究了垂直单管内有机工质降膜流动与蒸发特性,拟合出相应传热系数试验关联式;提出了降膜蒸发器设计方法,设计降膜蒸发器并开发了相应的设计软件;采用数值试验方法研究了降膜蒸发器的耦合传热性能。研究结果可为工业低质余热深度回收关键换热装置提供新的方法。对不同变量下热通量、传热温差、质量流量等在垂直管内进行传热特性的试验研究。试验表明:在工质进口质量流量一定时,出口R113蒸汽质量流量随着热通量的增加而增加,当增加至一个峰值时增加趋势变缓直至稳定;当进口质量流量较小时,换热系数随热通量的增加呈现逐渐下降的变化趋势,随着进口质量流量的增大,传热系数先增大而后减小。在热通量一定时,传热系数随着传热温差的增大而逐渐减小,且变化趋势也逐渐变缓。在热通量一定时,随着进口质量流量的增加,传热系数先增后降,增大进口质量流量在一定范围内能够增加传热,存在某个临界进口质量流量,使降膜蒸发传热效果最好。通过试验研究,拟合得到降膜蒸发器垂直单管的传热特性经验关联式,通过与试验数据对比,平均误差为8.08%,绝对值误差为24.60%,有67%的试验数据点落入±30%误差带内,吻合效果良好,可为降膜蒸发传热特性研究提供参考。基于C++Builder计算机程序平台,构建降膜蒸发器设计方法。由试验拟合出的传热系数试验关联式建立降膜蒸发器流动传热数学模型,开发高效降膜蒸发器设计软件,可以得到变工况下降膜蒸发器的传热特性。计算结果表明:在设计工况下,最佳有机工质进口流量范围为4 kg/s左右,最佳进口烟气温度在520~530K,最佳进口烟气速度范围为4 m/s左右。在管型设计中,最佳管径为35~45 mm,管长范围为3000 mm左右。利用CFD软件进行数值研究。根据开发软件优化参数计算出的结果以及降膜蒸发管的传热特性,建立物理模型,对单管降膜蒸发以及垂直管降膜蒸发器内烟气流动和传热进行了数值模拟。通过模拟仿真结果可以得出温度、压力以及速度在垂直管降膜蒸发器内的分布规律,降膜蒸发器内具有良好的传热效果。该研究结果对垂直管内降膜蒸发器的传热特性和开发设计具有重要参考作用,具有良好的应用前景。