水平管外海水降膜流动与蒸发传热过程研究
水平管降膜蒸发技术历经多年发展，被广泛应用于低温制冷、食品工程、石油化工和制药工业等领域。近几十年来，水平管降膜蒸发技术在海水淡化领域中也获得了广阔的应用前景。采用水平管降膜蒸发技术的低温多效蒸发海水淡化方法由于其传热效率高、成品水质好、热源品质要求低、抗结垢抗腐蚀性能好以及装置运行性能稳定等诸多优点，使其成为热法海水淡化中的热门技术之一。水平管降膜蒸发技术在海水淡化中的应用因其流体物性、运行参数和设计结构等方面的不同而具有其特殊性，因此对其有针对性的过程机理探索也有待深入。所以，开展对海水淡化中水平管降膜蒸发相关过程机理和技术的研究，对于换热设备理论的完善与技术发展具有重要学术意义和工程价值。本文通过对水平管外降膜流动与蒸发传热过程的研究，将流动与传热进行有机地结合，深入探讨其流动特性与传热变化规律，以及两者的相互影响，旨在发展与完善水平管降膜流动与蒸发传热领域的基础理论和研究技术，并为海水淡化蒸发器以及其他水平管降膜设备的设计提供依据和支持。 本文通过对水平管外纯水与海水的管间流动形态的观测，研究归纳了各种管间流动形态的特点，以及各相邻流动形态的转变临界雷诺数，讨论了管间距与管径对水平管降膜流动管间形态的影响;利用激光诱导荧光技术对水平管外液膜厚度的分布进行了测量，全面研究了水平管外液膜厚度在周向角度和轴向长度上的三维分布规律，分析了喷淋密度、管径和管间距对液膜厚度及波动幅度的影响，比较了海水与淡水在管外液膜流动状态上的差别。此外，对水平管降膜流动构建了三维数值模型用以模拟液膜厚度与速度分布情况。研究结果表明，管间距的增加使得流动形态的临界转变雷诺数有所增大;在管间距过小时，管间流动形态将不再遵循传统划分的流动形态变化规律。液膜厚度随喷淋密度的增加而变厚，随管间距的增加而变薄。在轴向长度上，两根液柱之间的液膜厚度以液柱间距的中点呈“平稳段-波峰段-平稳段”对称性分布。在周向角度上，液膜厚度呈现先减小后增加的变化趋势。同情况下，海水液膜厚度较纯水薄，且波动幅度较纯水小。在液膜厚度分布上，数值模拟与实验测量结果取得了较好的一致。 本文以水和海水为实验流体，进行了水平外降膜蒸发传热实验研究，分别对平均传热系数和局部传热系数进行了分析。讨论了热流密度、喷淋密度、蒸发温度、盐度、管间距和管径对平均传热系数的影响。将消泡剂这一热法海水淡化常用添加剂对平均传热系数的影响进行了分析，也讨论了喷淋密度、蒸发温度、管间距和盐度对局部传热系数的影响。研究发现，水平管外液膜厚度和波动幅度的变化对传热有直接影响。管外平均传热系数随管间距的增加而增加，过小管间距导致的流动特殊性使得传热系数也大大减小。随喷淋密度增加，平均传热系数先增加，后趋于平缓甚至下降。传热系数随盐度的增加而降低。在管周上，局部传热系数呈现先降低后增加的变化规律。
海水淡化;蒸发传热;降膜流动;水平管
大连理工大学
博士
热能工程
沈胜强
2015
中文
P747;TK124
128
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）