水平管外海水降膜蒸發傳熱特殊現象分析

沈勝強，牟興森，楊勇，劉瑞，龔路遠

（大連理工大學 海水淡化遼寧省重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

淡水作為人類生存的必需品，其重要性不言而喻.但由于淡水資源地域性分布不均和社會發展對淡水需求的急劇增加，淡水資源短缺現象愈來愈嚴重.海水淡化作為一種開辟新水源的技術，已成為世界上公認的解決沿海地區淡水缺乏的重要途徑之一.海水淡化的方法多種多樣，其中低溫多效蒸發技術由于其運行可靠性高、產水水質好、便于余熱利用、成本較低等諸多優點，成為現今世界上大型海水淡化裝置的主要技術之一.

水平管降膜蒸發是目前多效蒸發海水淡化裝置采用的主流技術，對于光滑管而言，水平管降膜蒸發傳熱系數遠高于豎管降膜蒸發、浸沒式蒸發等過程［1］，它在海洋溫差發電、制冷工程、食品加工、石油化工等領域也有著廣泛的用途［2－4］.

關于水平管降膜蒸發傳熱過程的研究，對其傳熱系數與蒸發溫度［5－7］、雷諾數［7－10］、圓周角度［11－12］、鹽度［6，13－14］等參數的關系均提出了不同的看法.由于研究對象針對性不同，關于物性、尺度、流動狀態等參數的變化缺乏通用結論.作者針對大型低溫多效蒸發海水淡化裝置中的水平管降膜蒸發過程開展了實驗研究，發現了一些特殊的傳熱現象，本文就海水在水平管外降膜蒸發傳熱過程中的特點展開討論，探討蒸發溫度、降膜流動雷諾數、圓周角度等參數的變化對傳熱系數所產生的影響及其作用機理.

1 實驗裝置及實驗過程

為了測量水平管降膜蒸發傳熱系數并確定其影響因素，建立了如圖1所示的單管實驗系統.系統主要分成水循環系統、蒸發冷卻系統和數據采集系統3個部分.水循環系統中，實驗原料水在加熱水箱1中被加熱到實驗所要求的飽和溫度，經給水泵2進入高位水箱3中，在重力作用下流體流經轉子流量計4，經計量后以穩定的速率進入蒸發器5內的噴淋管，噴淋管將實驗流體均勻地噴淋到布液管表面形成液膜，液膜下落與換熱管進行換熱.部分流體在換熱管表面被蒸發，未被蒸發的流體經計量罐8計量后由射流泵10抽出，重新返回加熱水箱中循環使用.

蒸發冷卻系統中，實驗流體在蒸發器5內以液膜形式與換熱管在與蒸發溫度相對應的真空環境下進行熱交換，產生的蒸汽進入冷凝器6中冷卻，凝結出的淡水被收集并計量.實驗中通過控制冷卻水水量使冷凝器中的冷凝量與蒸發器中的蒸發量達到一個平衡，保證冷凝器中的真空持續存在.

圖1 實驗裝置系統圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

為了探討海水在水平管外降膜蒸發傳熱的詳細過程與特征，在傳熱管的截面上，以頂部為0°，分別在0°、45°、90°、135°和180°設置了5 個測溫點.熱電偶焊接于截面為0.3mm×0.3mm 的溝槽中，沿軸向敷設20 mm 后引出，熱電偶溝槽中灌入焊錫并打磨光滑，使表面狀態與原管子表面相同，以確保熱電偶的安裝不影響降膜流動和傳熱.實驗管上分別在5個截面上如此設置測溫點.由于本實驗在系統和結構設計上保證了海水噴淋密度穩定均勻，各個截面上的實驗結果表現出高度的一致性.

數據采集系統中，為保證實驗數據的可靠、合理、準確，采用了多測量手段、多測點的方法以使其能相互驗證，盡可能地減小測量誤差.實驗臺共設有溫度測點27個，壓力測點3 個，流量測點3個.蒸發器中換熱管采用電加熱棒加熱，加熱功率連續可調.

本實驗中使用的海水采于黃海海域，實驗前檢測其鹽度為3.0%；實驗中使用的純水為蒸餾水.

2 實驗結果分析與討論

為方便描述實驗結論，選用量綱一雷諾數（Re）作為分析的一個參數，其計算式為

式中：Γ為噴淋密度，單位為kg／（m·s）；η為動力黏度，單位為kg／（m·s）.

在低溫多效蒸發海水淡化裝置中，蒸發溫度沿蒸發器效數而降低；在一個蒸發器內，由于部分流體蒸發，從上至下流體的Re沿管排數下降.圖2給出海水在水平管外平均降膜蒸發傳熱系數隨Re和蒸發溫度變化的分布圖.由圖2可以看出，水平管降膜蒸發傳熱系數分布的一個重要特征：傳熱系數并不是隨Re單調增加的.

圖2 傳熱系數隨Re和蒸發溫度變化曲線Fig.2 Distribution of heat transfer coefficient at different Re and evaporation temperature

在Re較小時，降膜蒸發傳熱系數隨Re的增大而增大.在多效蒸發海水淡化過程設置的實驗條件下，壁面溫度與蒸發溫度之差僅為1℃左右.對于小溫差下的水平管降膜蒸發傳熱過程，換熱方式主要以對流換熱和表面蒸發為主.Re較小時，管子表面的液膜較薄，薄液膜受黏性力的控制內部波動較弱，當上層管的液滴滴落到下層換熱管表面時，液滴與管表面液膜產生碰撞，使液膜波動增強，Re越大，液膜波動越劇烈，且液膜的流速也越大，有利于強化對流換熱，于是出現了換熱系數隨Re的增大而增大的趨勢，這與一般的Re和對流換熱能力的規律一致.

當Re較大時，傳熱系數隨Re的增大趨勢減緩，到達某點后曲線近乎水平，甚至出現下降.這體現出小溫差下降膜蒸發傳熱的另一個特點：隨著Re的增大，換熱管表面的液膜厚度也在增大.當液膜厚度增大到一定程度后，液膜中熱量由管子表面向汽液表面的擴散過程成為熱量傳遞的控制因素，膜厚的增加抵消了液膜波動對對流換熱的增強，于是出現了換熱系數隨Re的增大而不再增大的現象.將傳熱系數達到最大值所對應的雷諾數稱為臨界雷諾數Rec.

由此也可以確定，對于多效蒸發海水淡化裝置的過程設計，在小溫差傳熱條件下，海水在水平管上降膜流動Re應限制在一定范圍之內.

在海水降膜蒸發傳熱實驗中發現的另一有趣現象是圖2所示的傳熱系數與蒸發溫度的關系.由圖可以看出，傳熱系數隨蒸發溫度的升高出現了明顯降低的趨勢，這與采用淡水進行的降膜蒸發傳熱實驗結果是相悖的［15］.該現象在其他研究者的文獻中從未見到報道，經過對海水在不同條件下的降膜蒸發傳熱過程的反復試驗，證實了實驗數據的可靠性.在對影響傳熱系數的因素作了全面分析后發現，出現該實驗結果的控制因素可能是流體的導熱系數.表1給出了實驗溫度范圍內海水和淡水的導熱系數［16］.隨著蒸發溫度的升高，海水的導熱系數降低，而淡水的導熱系數升高，物性的差異造成降膜蒸發傳熱系數規律的差異.這也從另一個角度證明，水平管降膜蒸發傳熱過程受擴散過程控制，臨界雷諾數的出現是擴散阻力影響的結果.

表1 海水和淡水的導熱系數［16］Tab.1 Coefficient of thermal conductivity of sea water and fresh water［16］

圖3、4分別為蒸發溫度為50℃和70℃時，傳熱系數隨Re和圓周角的分布.由圖可以看出，換熱管表面傳熱系數從0°到45°呈現出基本不變或略微下降的趨勢；隨后隨圓周角的增加，傳熱系數明顯減小；到135°附近時，傳熱系數減小趨勢減緩，隨后出現略微上升的情況.在本實驗參數范圍內，對任何蒸發溫度、噴淋密度、管間距的實驗，都出現了這種傳熱系數分布，說明了這是水平管降膜蒸發傳熱系數的一種分布特征，反映了水平管降膜蒸發過程液膜運動狀態和傳遞機理對傳熱系數的影響.對此現象的分析認為，液滴滴落到換熱管正上方時，在重力的作用下，液滴與液膜碰撞，導致液膜波動加劇，所以其局部傳熱系數較高；流體在沿管壁向下流動過程中，由于液膜較薄，液膜內的波動逐漸減緩，擴散過程逐漸成為主導，傳熱系數明顯降低；在管子底部，換熱管表面液膜破碎向下滴液，在液滴脫離的過程中，出現周期性的脫離、回縮脈動和尾流，使得液膜劇烈波動，而導致傳熱系數在180°附近出現上升趨勢.

由此現象可以將水平管降膜蒸發傳熱過程分為3個區域：頂部液滴沖擊區，該區域沒有穩定的液膜形成，屬于沖擊傳熱區，液膜中的傳熱受對流過程控制，按照場協同理論，該區域具有最小的熱流場與流場協同角，因此具有較高的傳熱系數；中間大部分區域中液體呈膜狀流動，液膜較為穩定，傳熱受到液膜內熱量擴散過程的控制；管子底部屬于液膜破碎脫離尾流區，液體脫離管子造成該區域中液體周期性的脈動，液膜擾動加劇且處于不穩定狀態，使得其局部傳熱增強.

由于受不同的傳熱機理控制，傳熱系數沿管子周向的變化很大，換熱管頂部的換熱系數是底部的1.5倍左右，反映出不同換熱機理對傳熱的影響.

3 結論

（1）在本實驗條件范圍內，Re較小時，傳熱系數隨Re的增大而增大；隨著Re的增加，傳熱系數隨Re的增大趨緩并達到極大值，繼續增加Re傳熱系數會出現下降趨勢.

（2）實驗流體為海水時，水平管降膜蒸發傳熱系數隨著蒸發溫度的升高而下降.

（3）對不同蒸發溫度、噴淋密度、管間距的實驗，換熱管表面的局部傳熱系數均隨圓周角的增大，呈現出先緩慢降低，再加速降低，隨后局部傳熱系數出現小幅回升的現象.

（4）根據實驗結果，將水平管降膜蒸發過程細分為3個區域：頂部液滴沖擊區、中間擴散傳遞區和底部液膜破碎脫離尾流區，上下兩個區域的傳熱過程主要受對流傳熱的控制，中間區域的傳熱主要受擴散過程控制.

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