內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝器水膜流動特性

吳學(xué)紅，陸劉記，劉旭，龔毅

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內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝器水膜流動特性

吳學(xué)紅，陸劉記，劉旭，龔毅

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院，河南鄭州450002）

為了提高蒸發(fā)式冷凝器板外換熱性能以及增強板外氣液兩相流動，設(shè)計了4種新型內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝器換熱板片結(jié)構(gòu)，實驗測試不同噴淋密度下各換熱板片上的水膜流動形態(tài)及噴淋密度對板片換熱性能的影響。結(jié)果表明：水膜厚度隨噴淋密度減小而減?。粐娏苊芏容^大時，受板片結(jié)構(gòu)及氣液剪切力影響，水膜流動向中心區(qū)域聚集，且部分區(qū)域會出現(xiàn)水膜飛濺現(xiàn)象；隨著噴淋密度減小，水膜飛濺現(xiàn)象逐漸消失，但在低噴淋密度時部分板片會有“干斑”現(xiàn)象。半圓波紋板片在噴淋密度分別為0.524kg/(m·s)、0.738kg/(m·s)、0.905kg/(m·s)時，換熱性能均優(yōu)于其他換熱板片，且在此噴淋密度時，板片換熱面積及水膜穩(wěn)定時間是影響其換熱性能的主要因素。本實驗研究為內(nèi)翅板蒸發(fā)冷凝器的工程應(yīng)用和設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

氣液兩相流；蒸發(fā)；傳熱；水膜；噴淋密度

降膜流動技術(shù)具有高傳熱系數(shù)、高熱流密度、熱損失小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，是一項高效的傳熱傳質(zhì)技術(shù)[1]，目前在能源、制冷、化工、核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。蒸發(fā)式冷凝器是將空冷與水冷、傳熱與傳質(zhì)過程融為一體，并將降膜蒸發(fā)技術(shù)融入其中的高效節(jié)能換熱設(shè)備，具有節(jié)能、節(jié)水、結(jié)構(gòu)緊湊、運行費用低等優(yōu)點。在蒸發(fā)式冷凝設(shè)備的強化傳熱研究中，換熱單元外噴淋水與空氣間的傳熱傳質(zhì)過程是影響整體換熱性能的關(guān)鍵，因此針對蒸發(fā)式冷凝器換熱板片外降膜流動特性的研究不僅對深入了解換熱板片外降膜流動的流體動力學(xué)特征具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且為研究降膜流動中的流動與傳熱、傳質(zhì)機理提供重要依據(jù)。

谷芳等[3]基于VOF算法，建立了氣液兩相流動降膜蒸發(fā)計算模型，定量分析了氣液兩相逆流降膜傳熱傳質(zhì)過程。周文生和韓東[4]介紹了國內(nèi)外降膜流動與傳熱問題的研究現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前研究中存在的一些問題，并采用P-S（Patankar-Spalding）方法對蒸發(fā)器內(nèi)部的液膜流動進行了模擬。駱超等[5]基于實驗的方法探討了液體在垂直管外降膜的流動特性，分析了影響液體管外成膜均勻性和濕潤性的影響因素。JABRALLAH等[6]采用試驗和有限容積法研究了封閉方腔內(nèi)降膜蒸發(fā)對流傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。吳治將等[7]基于VOF算法研究了空氣參數(shù)、噴淋水參數(shù)和板片結(jié)構(gòu)對水膜流動特性的影響。朱冬生等[8]建立了氣液兩相流二維計算流體力學(xué)模型，模擬了板式蒸發(fā)式冷凝器板束中氣-液兩相的并流、逆流兩種情形，表征了板束中風(fēng)向、風(fēng)速及噴淋水流量對水膜流動的影響，并對其進行實驗研究。HO等[9]基于VOF算法，分別建立了二維模型和三維模型，分析了液膜厚度、速度、壓力和剪切應(yīng)力對氣液兩相降膜流動的影響。劉偉和白晶[10]編寫了氣液兩相流mixture模型的UDF程序，分析了液相向氣相轉(zhuǎn)換時的傳熱傳質(zhì)過程。孫丹鳳[11]基于VOF算法建立了波紋板式蒸發(fā)冷凝器的計算模型，研究了液體流速、板面結(jié)構(gòu)、液體物性對水膜流動的影響。孫博[12]基于VOF方法，分析了氣液相流動速率、溫度及水蒸氣相對濕度對沿垂直方向降膜的蒸發(fā)冷凝過程的影響。許松林和趙嬋[13]研究了氣液并流垂直液膜流動特性。KHARANGATE等[14]構(gòu)建了水膜受熱蒸發(fā)二維軸對稱湍流計算模型，模擬了沿著蒸發(fā)熱流方向的傳熱系數(shù)、流速以及液膜溫度的變化情況。MONNIER等[15]、MASCARENHAS和MUDAWAR[16]研究了液膜特性對水膜蒸發(fā)的傳熱量、水膜蒸發(fā)的質(zhì)量以及水膜蒸發(fā)的動量的影響，并且分析了氣-液兩相界面之間的波動情況。GAO等[17]和HAROUN等[18]模擬了不同填料和不同雷諾數(shù)下的氣-液兩相流動情況，研究了液相的流動形式。ALBERT等[19]采用VOF方法模擬了氣液界面?zhèn)髻|(zhì)問題，分析了液膜厚度和液膜速度等對氣液界面?zhèn)髻|(zhì)的影響。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者主要對蒸發(fā)式冷凝器氣液兩相流動特性進行實驗研究，但對內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝器水膜流動特性的實驗研究較少。因此，為了增強蒸發(fā)式冷凝器板外氣液兩相流動與傳熱，本文提出了幾種新型板片結(jié)構(gòu)，搭建了實驗平臺對內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝器進行水膜流動特性測試。

1 物理模型

為強化板外的氣液兩相流動及傳熱性能，提出了幾種新型換熱板片，板片的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別是平板（模型一）、45°鋸齒波紋板（模型二）、60°鋸齒波紋板（模型三）、梯形波紋板（模型四）、半圓波紋板（模型五）。5種新型板片尺寸均為605mm×420mm，實驗板片為不銹鋼。

2 實驗系統(tǒng)

針對換熱單元外部降膜流動特性，搭建如圖2所示的測試系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)由主管路系統(tǒng)、回水管路系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)組成。

（1）主管路系統(tǒng) 將水箱中的水通過水泵注入水膜分配箱，水膜分配箱中的水通過其下部的出水縫沿換熱板片向下流動形成水膜。

（2）回水管路系統(tǒng) 在主管路中，由三通閥連接回水管路系統(tǒng)，通過安裝在回水管上的截止閥來調(diào)節(jié)控制主管路系統(tǒng)流量，調(diào)節(jié)時通過主管路上安裝的轉(zhuǎn)子流量計來監(jiān)測流量，通過水膜分配箱的水位來控制噴淋密度。

（3）加熱系統(tǒng) 采用功率為0.25kW/cm2硅膠電加熱板對板片進行加熱。

（4）測量系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子流量計、高速攝像儀（德國PCO公司生產(chǎn)pco.dimax HS系列高速數(shù)碼攝像系統(tǒng)）、吉時利2700數(shù)據(jù)采集儀。

3 實驗內(nèi)容及步驟

3.1 實驗內(nèi)容

（1）通過高速攝像儀拍攝并記錄同一位置下（板中間段）、不同流量、不同板型下的水膜流動形態(tài)并分析。

（2）測量上中下各測點溫度，研究噴淋密度對氣液兩相流傳熱特性的影響。

3.2 實驗步驟

（1）打開水泵，并通過回水管路上的截止閥調(diào)節(jié)主管路中流量。

（2）水膜分配箱噴淋水流下時，約2min后，打開高速攝像儀拍攝記錄水膜流動形態(tài)。

（3）關(guān)閉水泵，打開電加熱板，使換熱板片受熱均勻并穩(wěn)定，測量上中下各測點溫度。

（4）打開水泵，水膜分配箱噴淋水流下，測量上中下各測點溫度。

（5）調(diào)節(jié)流量，重復(fù)上述步驟。實驗件分別測試低、中、高三組噴淋密度下的溫度分布及水膜流動形態(tài)。

（6）更換換熱板片，重復(fù)上述步驟。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 水膜流動實驗

實驗測量不同板型的水膜流動特性如圖3～圖 7 所示。對于同一板型在不同噴淋密度時，隨著噴淋密度減小，水膜流動在入口段以層流為主，發(fā)展段和穩(wěn)定段液膜以湍流為主，水膜均能完全覆蓋板壁，且水膜厚度隨噴淋密度減小而減薄。對于不同板型在噴淋密度為0.905kg/(m·s)時，水膜雖然可以覆蓋板片壁面，但由于板片結(jié)構(gòu)不同和噴淋水沖擊震蕩情況的存在會導(dǎo)致噴淋水沖擊壁面時引發(fā)水膜飛濺現(xiàn)象，一方面會使部分冷卻水飛濺到板片外部，無法起到冷卻作用；另一方面這部分的水占據(jù)了部分空氣流道，形成較大的液團，阻礙了空氣的流動通道，增加了空氣側(cè)的阻力。隨著噴淋密度減小，水膜飛濺現(xiàn)象逐漸消失，但在低流量時部分板型會有“干斑”現(xiàn)象，如圖8所示。同時可以發(fā)現(xiàn)平板水膜厚度較薄，而其余4種板型水膜厚度較為接近。

4.2 降膜冷卻實驗

為進一步分析不同結(jié)構(gòu)板片的換熱性能，采用定熱流密度的硅膠電加熱板對板片加熱，在換熱板片不同區(qū)域共布置15個熱電偶測點（如圖9），通過T形熱電偶采集數(shù)據(jù)，對比分析了不同板型在不同噴淋密度下，水膜對換熱板片的冷卻效果。

在噴淋密度為0.524kg/(m·s)、0.738kg/(m·s)、0.905kg/(m·s)時，記錄各測點初始溫度及冷卻后溫度。每個噴淋密度測量3次，計算每次15個測點的平均溫度。3次平均溫度的平均值如表1和圖10所示。

表1 部分實驗數(shù)據(jù)

由表1和圖10可得，對于同一板型在不同噴淋密度時，各板片換熱性能均隨噴淋密度的增大而有所提升。以半圓形波紋板為例，當(dāng)噴淋密度為0.738kg/(m·s)時，其換熱性能是噴淋密度為0.524kg/(m·s)時的1.06倍，當(dāng)噴淋密度為0.905kg/(m·s)時，其換熱性能是噴淋密度為0.524kg/(m·s)時的1.14倍。這是由于在實驗中，各板片的水膜流態(tài)受換熱板片結(jié)構(gòu)影響，水膜覆蓋換熱板片的有效換熱面積隨著噴淋密度的增大而 增大。

在相同噴淋密度、不同板型時，45°鋸齒板、60°鋸齒板、梯形板、半圓波紋板的性能均優(yōu)于平板，這是因為在降膜流動過程中，噴淋水在45°鋸齒板、60°鋸齒板、梯形板、半圓波紋板表面流動時產(chǎn)生擾動，加強了湍流程度，同時，噴淋水在垂直于主流方向形成二次流動，不斷減薄甚至破壞水膜邊界層，從而起到強化傳熱的作用。并且半圓波紋板的換熱性能最佳，以平板為例，當(dāng)噴淋密度為0.524kg/(m·s)時，其換熱性能約為平板的1.22倍；當(dāng)噴淋密度為0.738kg/(m·s)時，其換熱性能約為平板的1.24倍；當(dāng)噴淋密度為0.905kg/(m·s)時，其換熱性能約為平板的1.21倍?？梢?，在合適的噴淋密度范圍內(nèi)，半圓波紋板的換熱性能優(yōu)于平板。這是因為在上述3種噴淋密度下，在降膜傳熱過程中，換熱面積與水膜流動穩(wěn)定時間均會影響換熱板片的傳熱性能，換熱面積越大，水膜穩(wěn)定時間越長，水膜在換熱板片上的流動時間及與板片和空氣側(cè)的傳熱傳質(zhì)過程才能更好的進行。同時，在所選取的3種噴淋密度內(nèi)，局部“干斑”現(xiàn)象的產(chǎn)生對整體換熱性能有所影響，但對換熱板片氣液兩相流動傳熱影響較大的因素是換熱面積的大小及水膜在換熱板片上的穩(wěn)定時間。

5 結(jié)論

本文開發(fā)了4種新型內(nèi)翅板蒸發(fā)式冷凝換熱板片結(jié)構(gòu)，對其在不同噴淋密度條件下板外水膜流動特性及傳熱特性進行了實驗研究，通過對實驗結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論。

（1）水膜厚度隨噴淋密度增大而增加，噴淋密度較大時，受板型及氣液剪切力影響，水膜流動向中心區(qū)域聚集，且部分區(qū)域會出現(xiàn)水膜飛濺現(xiàn)象，隨著噴淋密度減小，水膜飛濺現(xiàn)象逐漸消失，但噴淋密度較小時，部分板型出現(xiàn)“干斑”現(xiàn)象。

（2）對于同一板型在不同噴淋密度時，在所選噴淋密度范圍內(nèi)，各板片換熱性能均隨噴淋密度的增大而有所提升。對于半圓波紋板，當(dāng)噴淋密度為0.738kg/(m·s)和0.905kg/(m·s)時，其換熱性能是噴淋密度為0.524kg/(m·s)時的1.06倍和1.14倍。

（3）在相同噴淋密度、不同板型時，半圓波紋板在噴淋密度分別為0.524kg/(m·s)、0.738kg/(m·s)和0.905kg/(m·s)時，換熱性能均優(yōu)于其他換熱板型，以平板為例，其換熱性能分別是平板的1.22倍、1.24倍和1.21倍。

（4）在實驗所選的3種噴淋密度下，在降膜傳熱過程中，板片換熱面積及水膜穩(wěn)定時間是影響其換熱性能的主要因素。

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Experimental study on the water film flowing characteristics of the internal fin-plate evaporative condenser

WU Xuehong，LU Liuji，LIU Xu，GONG Yi

（School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，Henan，China）

In order to improve heat transfer performance of the evaporative condenser plate and enhance the gas-liquid two-phase flow，four heat-exchange plates of internal fin-plate evaporative condenser were developed. The water film flowing form with different spray densities and the influence of spray density on heat transfer of heat-exchange plate were investigated. The results showed that the thickness of water film thinned with the decrease of the spray density. Affected by the plate type and gas fluid shear stress，water film flowing gathered toward the center area，and the splash of water film appeared in local area with larger spray density. With the decrease of spray density，the splash of water film disappear gradually. However，in the low spray density，the “dry sports”phenomenon had produced on the some internal fin-plate. When the spray density were 0.524kg/(m·s)，0.738kg/(m·s)，0.905kg/(m·s)，the performance of heat transfer of semicircle corrugated plate was superior to the other plates. Also，heat-exchange area of plate and stable time of water film were the main factors that affected heat transfer performance under these spay densities. The experimental results provide the theoretical reference of engineering application and design of internal fin-plate evaporative condenser.

gas-liquid two-phase flow；evaporation；heat transfer；water film；spray density

TB657.5

A

1000–6613（2017）06–2017–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.007

2016-10-26；

2017-01-01。

國家自然科學(xué)基金（51476149）、河南省杰出青年基金（154100510014）及河南省教育廳創(chuàng)新團隊項目（17IRTSTHN029）。

吳學(xué)紅（1979—），男，博士，副教授，研究方向為制冷與低溫設(shè)備節(jié)能技術(shù)、能源利用等。E-mail：wuxh1212@163.com。