【摘要】：薄液膜蒸發(fā)換熱,具有傳熱溫差小、熱流密度高、傳熱系數(shù)高、均溫性好、結(jié)構(gòu)簡單和動力消耗低等優(yōu)點,被大量應(yīng)用在石油、化工、制藥、海水淡化、航天等領(lǐng)域。其中,水平管降液膜蒸發(fā)技術(shù)因具有傳熱效率高、耐結(jié)垢以及可利用低品位余熱等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)生產(chǎn)中,是解決能源消耗大、排放污染物嚴(yán)重等問題的一種高效換熱技術(shù)。近年來,隨著對于環(huán)保和節(jié)能要求日益提高,利用低流量、小溫差實現(xiàn)高效換熱已經(jīng)越來越受到學(xué)者的重視。低噴淋密度下的水平管降液膜蒸發(fā),是一個伴隨中液滴與液膜相互作用、相互影響的分區(qū)特征顯著的復(fù)雜的界面演化過程。因此,深入認(rèn)識降液膜蒸發(fā)過程中的液滴和液膜的分區(qū)特性以及其對傳熱特性的影響,對進一步探究降液膜蒸發(fā)的低噴淋密度傳熱控制機理和高效傳熱強化技術(shù)的開發(fā)具有十分重要的意義。為此本文聚焦于低噴淋密度下水平管降液膜蒸發(fā)全過程,通過理論分析,獲得低噴淋密度下影響蒸發(fā)傳熱性能的關(guān)鍵因素;結(jié)合力平衡模型建立了水平管降液膜最小噴淋密度理論模型;并通過引入部分潤濕表面的液膜厚度計算公式,提出低噴淋密度下利用親水改造實現(xiàn)蒸發(fā)傳熱性能強化的新方法;利用氧化刻蝕法制備了兩種潤濕性不同的親水表面:超親水與一般親水表面,觀察了不同親水表面的管間流型,測定了最小噴淋密度,最后通過引入了修正因子獲得了與實驗結(jié)果吻合良好的最小噴淋密度關(guān)系式。通過數(shù)值模擬,建立了普適的超親水表面三維模型降液膜模型,實現(xiàn)了間斷液滴和連續(xù)液液柱的準(zhǔn)確再現(xiàn)。著重分析了超親水表面滴狀流和柱狀流的鋪展特性和漣漪波動特性,揭示了馬鞍形液膜和相鄰液柱撞擊區(qū)的“相互作用環(huán)”形成原因;考察了噴淋Re數(shù)對液膜厚度和鋪展速度的影響,發(fā)現(xiàn)噴淋Re數(shù)對滴狀流液膜厚度和鋪展特性影響不大,而對柱狀流影響顯著;探討了三維液膜的軸向和周向液膜厚度演化規(guī)律,結(jié)果表明在軸向上柱狀流液膜呈波谷-波峰-波谷的分布形式,液膜厚度在中間匯聚區(qū)取得極值,在整個圓周角變化范圍內(nèi),液膜厚度都幾乎出現(xiàn)了翻倍現(xiàn)象。利用高精度紅熱像儀對低噴淋密度下超親水表面水平管降液膜表面的溫度分區(qū)和波動特性進行了研究,分析了噴淋密度、初始液膜溫度以及加熱功率對不同流型表面液膜溫度分布的影響。結(jié)果表明,超親水表面滴狀流液膜溫度呈現(xiàn)周期性分布,分為撞擊區(qū)和非撞擊區(qū),撞擊區(qū)和非撞擊位置并不固定,存在明顯變化周期,非撞擊區(qū)液膜溫度基本不變,撞擊區(qū)液膜溫度升溫明顯,且溫升主要發(fā)生在鋪展液膜達到最大后,撞擊區(qū)內(nèi)部存在高溫環(huán)狀結(jié)構(gòu),其比主體溫度高0.3-0.6K左右;柱狀流液膜溫度呈現(xiàn)均勻分布,在相鄰液柱交匯區(qū)存在明顯的低溫區(qū)分界線,較主體低0.2K左右;處于中間的過渡流型具有兩種溫度分布—均勻分布和周期分布共存。換熱管表面的溫度波動周期隨噴淋密度和初始液膜溫度的升高降低,波動強度隨噴淋密度的升高存在一個顯著下降區(qū)間,其對應(yīng)流型從滴狀流到滴柱過渡流的轉(zhuǎn)換。結(jié)合紅外示蹤技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)分析研究了超親水表面低噴淋密度多液滴間的空間傳遞規(guī)律。發(fā)現(xiàn)液滴的產(chǎn)生并不是隨機的,而是存在一定周期性,同時這種典型的周期性并不出現(xiàn)在全部范圍內(nèi),只是在少數(shù)幾個特殊流量才存在,重復(fù)單元數(shù)目隨流量的增加而降低;利用能量最小理論和統(tǒng)計學(xué)分析獲得了形成液滴周期性出現(xiàn)的原因,并給出了相關(guān)預(yù)測模型,與實驗結(jié)果吻合良好,并基于此構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)流動下的液膜厚度分布圖。最后設(shè)計并搭建了水平管降液膜蒸發(fā)口流實驗平臺,考察了潤濕性對水平管降液膜蒸發(fā)傳熱的作用機制,研究了噴淋密度、入量、入口溫度和飽和溫度等對傳熱性能的影響。結(jié)果表明,在低噴淋密度下超親水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于親水表面和光滑銅管,且在較寬的范圍內(nèi)具有良好的耐受性,最大約為光管表面的4倍,從而利用超親水表面實現(xiàn)低噴淋密度下的傳熱強化,為新型強化換熱表面的設(shè)計和開發(fā)提供了理論指導(dǎo)和實驗基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ051.62
【圖文】：

２０世紀(jì)８０年代早期，受第二次石油危機導(dǎo)致的能源價格大幅上漲的影響，具有較高傳逡逑熱性能，較小占地面積，結(jié)構(gòu)簡單的水平管降液膜蒸發(fā)器重新受到了重視１２］，典型水平逡逑管降液膜蒸發(fā)設(shè)備示意圖如圖１．１所示。水平降膜蒸發(fā)器作為蒸發(fā)操作的核心設(shè)備，其逡逑性能的好壞直接關(guān)系到蒸發(fā)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。為此，國內(nèi)外的眾多學(xué)者圍繞水平管降液逡逑膜蒸發(fā)技術(shù)的原理及強化傳熱措施，對降液膜過程中的流體動力學(xué)和熱質(zhì)傳遞特性展開逡逑了大量工作。目前學(xué)者的研究工作主要集中在管間流動形態(tài)、液膜分布特性以及蒸發(fā)傳逡逑熱實驗和機理的宏觀探索［３—７］，業(yè)已指出傳質(zhì)主要發(fā)生在液滴或液膜在空中運動過程中，逡逑而傳熱主要發(fā)生在液膜周向和軸向鋪展過程中。然而，對液膜內(nèi)部的速度分布、溫度波逡逑動、分區(qū)特性以及局部微細(xì)傳熱現(xiàn)象的研究尚處于起步階段。同時，現(xiàn)階段的強化傳熱逡逑技術(shù)主要適用于較大噴淋密度，但較低的噴淋密度對應(yīng)的較高回收率，較小的設(shè)備尺寸，逡逑因而，對低噴淋密度下的水平管降液膜流動特性、溫度分布特性以及微細(xì)傳熱特性的研逡逑－１邋－逡逑

性除了對流型的轉(zhuǎn)變你數(shù)有影響外，還對流型是否出現(xiàn)產(chǎn)生影響。Ｈｕ等［１３］的研究表明，逡逑對于水等Ｇａ較大的流體，只存在錯列柱狀流，而乙醇、乙二醇等Ｇａ數(shù)適中的流體管逡逑間柱狀流存在三種形式，分別為直列柱狀流、錯列柱狀流和不穩(wěn)定柱狀流，如圖１．３所逡逑示。雖然，有學(xué)者己經(jīng)指出這種單獨考慮流體物性而忽略界面特征來解釋多種柱狀流的逡逑形成機制并不嚴(yán)謹(jǐn)，但是流體物性對流型轉(zhuǎn)變臨界數(shù)的重大影響還是受到了學(xué)者的逡逑普遍認(rèn)可。逡逑Ｌ＾＾Ｙ）逡逑ａ邋）滴狀流邐ｂ）柱狀流邐ｃ邋）片狀流逡逑圖１．２水平管降液膜理想流型逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｉｄｅａｌｉｚｅｄ邋ｉｎｔｅｒ－ｔｕｂｅ邋ｆａｌｌｉｎｇ邋ｆｉｌｍ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ｆｏｒ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｔｕｂｅ逡逑Ｆｕｊｉｔａ和Ｔｓｕｔｓｕｉ［１９］實驗研究了管間距對流型轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)管間距對滴狀流向柱逡逑狀流的轉(zhuǎn)變有著重要影響，并且認(rèn)為管間距是除了流量外影響管間流型的最重要因素。逡逑Ｒｏｑｕｅｓ等［２（）］的研究表明，在中等管間距，轉(zhuǎn)變數(shù)隨著管間距的增加而增大。Ｗａｎｇ等逡逑１１８１的研究表明，隨著管間距的增加，流型轉(zhuǎn)變的臨界數(shù)增加，同時指出矩形管的柱逡逑狀流范圍相對于普通圓管明顯變小。盡管，管間距對流型轉(zhuǎn)變的影響顯著，但是較大的逡逑管間距增大了液體撞擊的動能

性除了對流型的轉(zhuǎn)變你數(shù)有影響外，還對流型是否出現(xiàn)產(chǎn)生影響。Ｈｕ等［１３］的研究表明，逡逑對于水等Ｇａ較大的流體，只存在錯列柱狀流，而乙醇、乙二醇等Ｇａ數(shù)適中的流體管逡逑間柱狀流存在三種形式，分別為直列柱狀流、錯列柱狀流和不穩(wěn)定柱狀流，如圖１．３所逡逑示。雖然，有學(xué)者己經(jīng)指出這種單獨考慮流體物性而忽略界面特征來解釋多種柱狀流的逡逑形成機制并不嚴(yán)謹(jǐn)，但是流體物性對流型轉(zhuǎn)變臨界數(shù)的重大影響還是受到了學(xué)者的逡逑普遍認(rèn)可。逡逑Ｌ＾＾Ｙ）逡逑ａ邋）滴狀流邐ｂ）柱狀流邐ｃ邋）片狀流逡逑圖１．２水平管降液膜理想流型逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｉｄｅａｌｉｚｅｄ邋ｉｎｔｅｒ－ｔｕｂｅ邋ｆａｌｌｉｎｇ邋ｆｉｌｍ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ｆｏｒ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｔｕｂｅ逡逑Ｆｕｊｉｔａ和Ｔｓｕｔｓｕｉ［１９］實驗研究了管間距對流型轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)管間距對滴狀流向柱逡逑狀流的轉(zhuǎn)變有著重要影響，并且認(rèn)為管間距是除了流量外影響管間流型的最重要因素。逡逑Ｒｏｑｕｅｓ等［２（）］的研究表明，在中等管間距，轉(zhuǎn)變數(shù)隨著管間距的增加而增大。Ｗａｎｇ等逡逑１１８１的研究表明，隨著管間距的增加，流型轉(zhuǎn)變的臨界數(shù)增加，同時指出矩形管的柱逡逑狀流范圍相對于普通圓管明顯變小。盡管，管間距對流型轉(zhuǎn)變的影響顯著，但是較大的逡逑管間距增大了液體撞擊的動能

【參考文獻】

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本文編號：2792799