低溫流體在豎直通道中降膜蒸發(fā)研究進(jìn)展

萬智華厲彥忠周媛媛

（1江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑設(shè)備與市政工程學(xué)院 徐州 221116；2西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049）

低溫流體在豎直通道中降膜蒸發(fā)研究進(jìn)展

萬智華1，2厲彥忠2周媛媛2

（1江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑設(shè)備與市政工程學(xué)院 徐州 221116；2西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049）

降膜蒸發(fā)作為一種高效傳熱傳質(zhì)技術(shù)，已經(jīng)在空分領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文介紹了空分膜式主冷凝蒸發(fā)器的原理和特點(diǎn)，從波狀特性和破斷特性方面闡述了下降液膜的動(dòng)態(tài)特性，總結(jié)了入口流量、壁面結(jié)構(gòu)、工質(zhì)組分和熱流密度因素對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響，重點(diǎn)介紹了低溫液氮在大空間平板上降膜過程的臨界熱流密度規(guī)律和過熱壁面再濕潤(rùn)動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)現(xiàn)有豎直通道內(nèi)降膜蒸發(fā)過程換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了歸納。由于低溫工質(zhì)物性和通道結(jié)構(gòu)的特殊性，已有的常溫工質(zhì)換熱關(guān)聯(lián)式應(yīng)用于空分膜式主冷凝蒸發(fā)器的傳熱設(shè)計(jì)還存在較大差距。最后指出小傳熱溫差條件下，復(fù)雜狹窄通道內(nèi)低溫流體降膜蒸發(fā)過程需要進(jìn)一步研究。

空分；冷凝蒸發(fā)器；降膜；蒸發(fā)；傳熱傳質(zhì)

由于薄膜蒸發(fā)在流量低和溫差小的情況下具有良好的傳熱傳質(zhì)性能，膜式主冷凝蒸發(fā)器已經(jīng)在空分裝置中得到一定程度的應(yīng)用。在能源緊張的今天，膜式主冷凝蒸發(fā)器的突出節(jié)能效果對(duì)客戶的吸引力將會(huì)越來越大。目前，國(guó)際一流的空分制造商已經(jīng)掌握了膜式主冷凝蒸發(fā)器的應(yīng)用技術(shù)，也積累了一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［1］。由于國(guó)內(nèi)對(duì)于膜式主冷凝蒸發(fā)器核心技術(shù)的認(rèn)識(shí)和研究并不深入，使得該技術(shù)并沒有得到廣泛應(yīng)用，掌握豎直通道內(nèi)低溫流體的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)特性是解決上述問題的關(guān)鍵。

由于降膜蒸發(fā)器在化工等領(lǐng)域應(yīng)用較廣，有大量學(xué)者研究了豎直圓管和光滑平板上的降膜蒸發(fā)過程［2-3］。Ohara J等［4］研究了豎直鋸齒形通道內(nèi)制冷劑降膜蒸發(fā)過程。目前國(guó)內(nèi)外公開的關(guān)于板翅式換熱器通道內(nèi)流體降模蒸發(fā)研究比較少，特別是采用低溫流體工質(zhì)進(jìn)行研究的就更少了。這主要是因?yàn)椴捎玫蜏毓べ|(zhì)做降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)需要考慮很好的保溫隔熱，實(shí)驗(yàn)條件比較復(fù)雜苛刻。由于空分膜式主冷凝蒸發(fā)器兩側(cè)流動(dòng)的是標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)低于120 K的低溫工質(zhì)液氧和氮?dú)?，其物性和常溫工質(zhì)存在較大差異［5］，導(dǎo)致常溫工質(zhì)的傳熱傳質(zhì)規(guī)律無法適用，因此有必要研究低溫工質(zhì)的降膜蒸發(fā)特性。為了便于學(xué)者進(jìn)行研究，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外流體（以低溫流體為主）在豎直通道中降膜蒸發(fā)過程的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并指出目前存在的問題和將來需要進(jìn)一步研究的方向。

1　膜式主冷凝蒸發(fā)器

如圖1所示的一種空分流程，主冷凝蒸發(fā)器是空分裝置中連接上、下塔的關(guān)鍵換熱設(shè)備［6］。它的作用是使來自上塔的液氧和下塔的氮?dú)獍l(fā)生相變換熱，液氧蒸發(fā)，氮?dú)饫淠?，以獲得氧氣和液氮產(chǎn)品。由于板翅式換熱器的換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，常作為膜式主冷凝蒸發(fā)器的換熱器形式。圖2所示為一種板翅式膜式主冷凝蒸發(fā)器的示意圖。

圖1　一種空分流程圖［6］Fig.1 Air separation plant flowsheet［6］

圖2　板翅式膜式主冷凝蒸發(fā)器Fig.2 Plate-fin main downflow condenser/reboiler

根據(jù)冷凝蒸發(fā)器浸液方式的不同，可以將其分為浴式冷凝蒸發(fā)器和膜式冷凝蒸發(fā)器，分別如圖3和圖4所示。傳統(tǒng)的主冷凝蒸發(fā)器一般采用浴式，即將整個(gè)換熱器浸在液氧里，由于液氧存在一定液柱（高度可達(dá)2 m），下端的液氧處于過冷狀態(tài)，沸點(diǎn)升高，需要升溫到飽和溫度后才會(huì)蒸發(fā)，因此降低了傳熱效率。膜式主冷凝蒸發(fā)器中液氧通過重力的作用成膜狀沿著壁面向下流動(dòng)，不存在液氧的液位，沸點(diǎn)不會(huì)升高，氮?dú)鈧?cè)和液氧側(cè)的換熱溫差可以保持恒定。一般空分用浴式冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差控制在1.3～2℃，而膜式為0.7～0.8℃，傳熱溫差的降低可以使得空壓機(jī)的能耗降低2%～2.8%，這對(duì)于一個(gè)大型的空分設(shè)備來說是非?？捎^的。因此膜式主冷凝蒸發(fā)器具有廣泛的應(yīng)用前景［7］。

圖3　浴式冷凝蒸發(fā)器Fig.3 Thermosyphon condenser/reboiler

圖4　膜式冷凝蒸發(fā)器Fig.4 Downflow condenser/reboiler

2　動(dòng)態(tài)特性

2.1波動(dòng)特性

根據(jù)垂直下降管中兩相流動(dòng)沸騰過程流型的分類，薄膜流動(dòng)類似于環(huán)狀流。在工業(yè)領(lǐng)域中，薄膜流動(dòng)主要是湍流狀態(tài)，氣液界面上產(chǎn)生的表面波對(duì)傳熱和傳質(zhì)具有一定影響［8］，因此研究液膜表面波特性有助于分析降膜蒸發(fā)的傳熱傳質(zhì)機(jī)制。Pavlenko A等［9］研究表明，由液膜波動(dòng)導(dǎo)致的對(duì)流換熱作用比較微弱，但是波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致孤立波之間的液膜底層厚度減小，進(jìn)而降低傳熱熱阻，起到強(qiáng)化傳熱的作用。

Ohara J等［10］通過高速攝像的方法觀察了鋸齒形通道內(nèi)R123降膜蒸發(fā)的流型，并繪制出了如圖5所示的流型圖。通過觀察發(fā)現(xiàn)，主要存在五種流型，分別為:光滑流、波狀流、滴狀流、霧狀流和干斑流。

圖5　流型圖［10］Fig.5 Flow pattern map［10］

2.2破斷特性

液膜在壁面上能否均勻分布決定了降膜蒸發(fā)過程的傳熱傳質(zhì)性能。但是當(dāng)液膜出現(xiàn)破斷時(shí)，壁面會(huì)產(chǎn)生干斑或干區(qū)，進(jìn)而降低壁面和流體之間的換熱系數(shù)，甚至導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的破壞。因此，為安全起見，應(yīng)該避免液膜出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

導(dǎo)致液膜出現(xiàn)破斷現(xiàn)象的原因主要包括以下四個(gè)方面:液膜的蒸發(fā)導(dǎo)致孤立波之間的液膜底層逐漸變薄［9］；氣相運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致液膜的分離［11］；混合物組分中濃度梯度或液膜表面的溫度梯度導(dǎo)致的熱擴(kuò)散和熱毛細(xì)應(yīng)力［12］；液膜溫度達(dá)到臨界熱流密度（CHF）時(shí)，這一臨界對(duì)應(yīng)點(diǎn)又稱為沸騰臨界點(diǎn)［13-15］。

3　傳熱傳質(zhì)影響因素

降膜蒸發(fā)是一種復(fù)雜的兩相流動(dòng)，影響其傳熱傳質(zhì)的因素很多，主要可以分為運(yùn)行參數(shù)（如液膜流量、熱流密度、入口溫度、操作壓力、工質(zhì)種類、表面張力等）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（如壁面形式、通道尺寸、液體分布器結(jié)構(gòu)等）。

3.1入口流量的影響

當(dāng)液相流量較小時(shí)，液膜易出現(xiàn)干斑甚至是燒干現(xiàn)象。例如，撫順某化工廠6 000 m3/h空分塔發(fā)生爆炸事故與液氧液面過低而造成的干蒸發(fā)問題有一定關(guān)系［7］，因此液膜的流量不能太小。但是過大的流量會(huì)導(dǎo)致液膜厚度增加，進(jìn)而增加傳熱熱阻，降低壁面的傳熱性能，因此合理控制液膜的入口流量顯得尤為重要［16］。

3.2壁面結(jié)構(gòu)的影響

Aviles M L等［17-18］實(shí)驗(yàn)研究了水和乙二醇水溶液降膜蒸發(fā)過程，研究結(jié)果表明，與光滑管相比，開有溝槽的豎直平板可以提高傳熱性能。這是因?yàn)?，開有溝槽的平板上表面液膜的波幅較高，孤立波之間的底層液膜厚度較小，減小了傳熱熱阻。但是上述規(guī)律還受到工質(zhì)的物性的影響。另外，Aviles M L等［17-18］還指出，縱向開槽表面會(huì)增大臨界熱流密度，并阻止干斑在橫向方向的擴(kuò)散。

3.3工質(zhì)組分的影響

Ohara J等［4］研究了R123和R134a混合制冷劑在垂直矩形通道內(nèi)的降膜蒸發(fā)特性，文中研究的試驗(yàn)工況范圍為:質(zhì)量通量為28～70 kg/（m2·s），熱流密度為30～50 kW/m2，操作壓力為100～260 kPa。研究結(jié)構(gòu)表明，當(dāng)質(zhì)量通量大于55 kg/（m2·s）時(shí)，在干度大于0.3的區(qū)域，增加低沸點(diǎn)組分R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)降低換熱系數(shù)。分析原因主要有兩點(diǎn):首先，當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)組分工質(zhì)較多時(shí)，大量產(chǎn)生的蒸氣導(dǎo)致通道內(nèi)的壓力增大，進(jìn)而抑制了氣體的流速，減小了氣液表面間的切應(yīng)力，降低了液膜的湍動(dòng)效果；其次，生成的蒸氣增大了氣液界面的質(zhì)量擴(kuò)散阻力，使得液膜蒸發(fā)變得更加困難。對(duì)于干度大于0.8的區(qū)域，換熱系數(shù)迅速降低，這是因?yàn)楸诿嬉呀?jīng)出現(xiàn)了干斑現(xiàn)象，導(dǎo)致壁面?zhèn)鳠嵝阅軔夯?。Palen J等［19］研究了乙烯和丙二醇二元混合物的降膜蒸發(fā)過程，試驗(yàn)工況是在大氣壓條件下，熱流密度為3 000～25 000 W/m2，液膜雷諾數(shù)為300～3 000，沸騰溫度最高達(dá)55℃。研究結(jié)果表明，二元混合物的降膜蒸發(fā)的有效換熱系數(shù)比單組分的有效換熱系數(shù)低80%多，并指出壁面過熱度和液膜雷諾數(shù)對(duì)混合物的換熱系數(shù)影響很小，主要是工質(zhì)組分的影響。

3.4熱流密度的影響

根據(jù)壁面熱流密度是否變化可分為定熱流工況和變熱流工況。但是，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由于壁面局部換熱系數(shù)分布不均勻，要做到絕對(duì)的等壁溫和等熱流邊界條件是不可能的。Pavlenko A等［9］認(rèn)為采用導(dǎo)熱性好的厚壁面加熱可近似等同于等壁溫條件，采用導(dǎo)熱性差的薄壁面加熱可以近似等同于等熱流條件。圖6所示為當(dāng)?shù)缺跍丶訜釙r(shí)，液氮降膜蒸發(fā)過程的無量綱換熱系數(shù)h′隨無量綱熱流密度q′的變化。其中h′=h/hevap和q′=q/qd.s，h和q分別為液氮降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的換熱系數(shù)和熱流密度，qd.s是形成穩(wěn)定干斑時(shí)的熱流密度，hevap是文獻(xiàn)［20］采用水和制冷劑R11在低熱流密度下降膜蒸發(fā)得出的換熱系數(shù)。在熱流密度達(dá)到qd.s之前，降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)隨著熱流密度的增加而增加，這與液膜厚度降低和液膜波動(dòng)有一定關(guān)系［9，16，21-23］。 從圖 6還可以看出，除了熱流密度為qd.s時(shí)，液氮降膜蒸發(fā)的換熱系數(shù)均比常溫工質(zhì)的要高，這說明已有常溫工質(zhì)的降膜蒸發(fā)換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式并不適用于低溫工質(zhì)。

為了研究流動(dòng)方向不同壁面位置處（壁面上端、中間和下端）的換熱系數(shù)，Matsekh A等［11］采用長(zhǎng)度為64 mm的厚鋁合金平板作為加熱壁面，研究了入口雷諾數(shù)為620時(shí)，流動(dòng)方向不同位置處液膜換熱系數(shù)隨熱流密度的變化，結(jié)果如圖7所示。圖中的qb.b、qd.s和qc.r（qb.b＜qd.s＜qc.r）qb.b是充分發(fā)展泡狀沸騰時(shí)的熱流密度，qd.s是形成穩(wěn)定干斑時(shí)的熱流密度，qc.r是臨界熱流密度。在熱流密度達(dá)到qb.b之前，不同壁面處的換熱系數(shù)區(qū)別不大，且不隨熱流密度變化。當(dāng)熱流密度大于qb.b之后，換熱系數(shù)逐漸增大，但是三個(gè)位置處換熱系數(shù)增長(zhǎng)速率并不相同。在熱流密度為qb.b時(shí)，下端壁面的換熱系數(shù)最大，但是隨著熱流密度的增加，下端壁面換熱系數(shù)增長(zhǎng)的速率在三個(gè)位置中最小，當(dāng)熱流密度達(dá)到qd.s時(shí)，其換熱系數(shù)迅速降低，這是因?yàn)殡S著加熱的不斷進(jìn)行，液膜沿著流動(dòng)方向不斷蒸發(fā)，液膜達(dá)到壁面下端時(shí)出現(xiàn)了“蒸干”現(xiàn)象，導(dǎo)致傳熱性能的惡化。通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)壁面下端約有60%的壁面沒有液膜覆蓋。在熱流密度介于qd.s和qcr過程中，中間壁面處換熱系數(shù)迅速超過上端和下端，當(dāng)熱流密度超過qd.s之后，換熱系數(shù)出現(xiàn)了略微的下降，并低于上端的換熱系數(shù)。這可能是因?yàn)橹虚g壁面處也出現(xiàn)了干斑現(xiàn)象。與此同時(shí)，上端壁面的換熱系數(shù)一直隨著熱流密度的增大而增大，并在臨界熱流密度時(shí)達(dá)到最大值。

圖6　在不同雷諾數(shù)條件下h′隨q′變化［9］Fig.6 h′vs.q′for different Reynolds［9］

Pavlenko A N等［24］指出逐漸增加熱流密度情況下液體池內(nèi)沸騰的臨界熱流密度與定熱流密度下的情況有明顯的不同。在一些換熱器中，如配料熱交換器、混合器、專業(yè)采樣器等，換熱器的熱負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。為了確保傳熱過程的安全和穩(wěn)定，有必要研究變熱流密度下的低溫流體降膜蒸發(fā)特性，Pavlenko A等［13-15，24-27］進(jìn)行了逐漸遞增或周期性變化熱流密度下液氮降膜蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)研究。研究指出，在逐漸增大熱流密度時(shí)，當(dāng)波狀層流液膜逐漸消失時(shí)，壁面會(huì)出現(xiàn)類似“舌狀”的結(jié)構(gòu)，即液體射流和非濕潤(rùn)區(qū)域同時(shí)存在的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，射流液體之間的距離與雷諾數(shù)和熱流密度有關(guān)。圖8所示為入口雷諾數(shù)為847，熱流密度為60 kW/m2、時(shí)間為0.362 s時(shí)，通過高速攝像機(jī)拍攝到亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的圖像。從圖中可以清楚看到5條明顯類似“舌狀”液體射流，射流之間的壁面為沒有液膜覆蓋的非濕潤(rùn)區(qū)域。

圖7　不同熱流密度條件下?lián)Q熱系數(shù)隨流動(dòng)方向的分布［11］Fig.7 Heat transfer coefficient distribution along the stream as a function of heat flux density［11］

圖8　亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)［15］Fig.8 M etastable regular structures［15］

液膜降膜蒸發(fā)還應(yīng)用于冷卻有散熱的電子設(shè)備、高性能的圖像處理機(jī)、原子核反應(yīng)堆、空間電子設(shè)備等，液膜冷卻性能的好壞決定了上述設(shè)備的運(yùn)行性能和耐用性能。Pavlenko A N等［28］研究了液氮冷卻過熱金屬表面的過程，稱為再濕潤(rùn)過程。當(dāng)壁面溫度從80 K加熱升溫到200 K左右之后停止加熱，采用液氮冷卻過熱壁面，入口雷諾數(shù)為554。當(dāng)液氮從壁面流過時(shí)，壁面溫度開始逐漸下降，壁面溫度變化如圖9所示，圖中的正方形點(diǎn)代表壁面溫度的變化，圖中的直線2代表僅在自然對(duì)流條件下壁面溫度隨時(shí)間變化的直線，直線的斜率代表壁面的冷卻速率。根據(jù)壁面冷卻速率的變化快慢可以將整個(gè)過程劃分為三個(gè)階段。第一階段:當(dāng)時(shí)間t＜tchar（tchar是指過熱壁面達(dá)到的有限過熱溫度Tlim（對(duì)于一個(gè)大氣壓下的液氮，Tlim近似為110 K）的時(shí)間），壁面冷卻的速率比較低，基本上與自然對(duì)流條件下壁面的冷卻速率相吻合，說明此時(shí)的換熱系數(shù)并不是很高。通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)在前面的液膜迅速沸騰蒸發(fā)，只有靠近壁面上端被液膜濕潤(rùn)。第二階段:當(dāng)壁面溫度達(dá)到有限過熱溫度Tlim時(shí)，下端壁面開始逐漸被液膜濕潤(rùn)，壁面溫度加速降低并偏離直線2。第三階段:當(dāng)壁面溫度達(dá)到臨界溫度Tthr（如圖中點(diǎn)3，溫度約為92℃）之后，壁面溫度出現(xiàn)急劇降低隨后保持恒定。此時(shí)，整個(gè)壁面被液膜濕潤(rùn)，壁面換熱以核態(tài)沸騰和蒸發(fā)為主。Pavlenko A N等［28］指出整個(gè)壁面再濕潤(rùn)速率和臨界溫度受雷諾數(shù)和初始壁面溫度的影響。在數(shù)學(xué)物理模型方面，Starodubtseva I等［29-30］建立過熱壁面下低溫流體再濕潤(rùn)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)證該模型可以計(jì)算液膜前端濕潤(rùn)速率及加熱壁面的溫度隨時(shí)間和位置的變化。

圖9　壁面溫度隨時(shí)間的變化［28］Fig.9 Surface tem perature changing w ith time［28］

4　換熱關(guān)聯(lián)式

為了更好地計(jì)算降膜蒸發(fā)過程傳熱量的大小，必須獲得降膜蒸發(fā)的換熱關(guān)聯(lián)式。大量學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)的方法得到了許多常溫工質(zhì)在豎直圓管（管內(nèi)和管外）的降膜蒸發(fā)換熱關(guān)聯(lián)式，而平板和鋸齒形通道內(nèi)降膜蒸發(fā)過程的換熱關(guān)聯(lián)式研究較少，有關(guān)低溫流體的研究就更少了。筆者將其中具有代表性的換熱關(guān)聯(lián)式列于表1，為低溫流體降膜蒸發(fā)換熱關(guān)聯(lián)式的研究提供參考。從表中可以看出，不同工質(zhì)在不同通道結(jié)構(gòu)中的降膜蒸發(fā)換熱關(guān)聯(lián)式的形式和適用范圍存在較大差異，考慮到空分用膜式主冷凝蒸發(fā)器的運(yùn)行工況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有必要研究并提出適用于低溫液體降膜蒸發(fā)過程的換熱關(guān)聯(lián)式，以便于進(jìn)行工程傳熱設(shè)計(jì)計(jì)算。

表1　不同文獻(xiàn)的換熱關(guān)聯(lián)式Tab.1 Heat transfer correlations in different articles

5　結(jié)論與展望

目前，有關(guān)低溫工質(zhì)降膜蒸發(fā)研究報(bào)道并不多，主要研究的是大空間平板上低溫液氮的臨界熱流密度規(guī)律及過熱壁面再濕潤(rùn)過程，但是這兩種工況與空分膜式主冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)的流動(dòng)工況存在較大差距，例如:上述工況中壁面和液膜之間存在較大的換熱溫差，而后者的溫差一般控制在0.7～0.8℃，屬于小溫差換熱過程；前者研究的是大空間光滑平板上的開式降膜過程，而后者是狹窄封閉復(fù)雜結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的降膜過程。因此，為了掌握膜式主冷凝蒸發(fā)器降膜蒸發(fā)過程的機(jī)制及規(guī)律，還需要從以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步研究:首先，研究低溫流體在鋸齒形、打孔形、波紋形等復(fù)雜結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的降膜蒸發(fā)特性，利用可視化技術(shù)觀察液膜的分布情況和破斷規(guī)律，分析環(huán)境漏熱、軸向?qū)帷⒈诿娌牧蠈?duì)傳熱傳質(zhì)的影響；其次，研究小溫差換熱時(shí)低溫流體降膜蒸發(fā)過程傳熱特性，并提出相應(yīng)的換熱關(guān)聯(lián)式；最后，完善已有的豎直通道內(nèi)低溫流體降膜蒸發(fā)數(shù)學(xué)理論模型，分析降膜蒸發(fā)過程的機(jī)制。為降低低溫流體降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)的成本和周期，可以利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件模擬低溫流體降膜蒸發(fā)過程的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出冷凝蒸發(fā)器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，為空分膜式主冷凝蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

本文受江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題（JYA315-13）項(xiàng)目資助。（The projectwas supported by the university project of Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology（No. JYA315-13）.）

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Li Yanzhong，male，Ph.D.，professor，School of Energy and Power Engineering，Xi′an Jiaotong University，+86 29-82668738，E-mail:yzli-epe@mail.xjtu.edu.cn.Research fields:cycle of refrigeration and cryogenic system and process of thermal physical，research for the law of flow and heat transfer of cryogenic fluid.

Research Progress of Falling Film Evaporation of Cryogenic Fluid in Vertical Channels

Wan Zhihua1，2Li Yanzhong2Zhou Yuanyuan2

（1.School of Construction Equipment and Municipal Engineering，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou，221116，China；2.School of Energy and Power Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China）

Falling film evaporation，which is one efficient technology of heat and mass transfer，has been used in air separation field.The principles and characteristics of themain downflow condenser/reboiler in air separation are analyzed，the dynamic characteristics of falling film are illustrated from the aspects of the wave characteristics and breakdown characteristics，the influence of inlet flow rate，wall structure，components ofworkingmedium and heat flux density on the heatand mass transfer are reviewed in this paper.The occurrence regularity of critical heat flux and the dynam ic characteristics of the superheated surface rewetting with liquid film for the progress of falling film of cryogenic liquid nitrogen in the large space plate are emphasized，some available heat transfer correlations for the progress of falling film evaporation in the vertical channels are concluded.Due to the speciality of physical property and channel structure，there is a significant gap applying the existing heat transfer correlations of workingmedium with normal temperature to themain downflow condenser/reboiler in air separation field.At last，it is pointed out that the further study of falling film evaporation of cryogenic fluid in the complex narrow channel under the small heat transfer temperature difference is needed. Keywords air separation；condenser/reboiler；falling film；evaporation；heat and mass transfer

About the

TB657.5；TK124；TQ051.6

A

0253-4339（2016）05-0112-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.112

2016年4月20日

簡(jiǎn)介

厲彥忠，男，博士，教授，西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，（029）82668738，E-mail:yzli-epe@mail.xjtu.edu.cn。研究方向:制冷與低溫系統(tǒng)循環(huán)及熱物理過程、低溫流體流動(dòng)與傳熱規(guī)律研究。