内翅板蒸发式冷凝器水膜流动特性

吴学红，陆刘记，刘旭，龚毅



内翅板蒸发式冷凝器水膜流动特性

吴学红，陆刘记，刘旭，龚毅

（郑州轻工业学院能源与动力工程学院，河南郑州450002）

为了提高蒸发式冷凝器板外换热性能以及增强板外气液两相流动，设计了4种新型内翅板蒸发式冷凝器换热板片结构，实验测试不同喷淋密度下各换热板片上的水膜流动形态及喷淋密度对板片换热性能的影响。结果表明：水膜厚度随喷淋密度减小而减薄；喷淋密度较大时，受板片结构及气液剪切力影响，水膜流动向中心区域聚集，且部分区域会出现水膜飞溅现象；随着喷淋密度减小，水膜飞溅现象逐渐消失，但在低喷淋密度时部分板片会有“干斑”现象。半圆波纹板片在喷淋密度分别为0.524kg/(m·s)、0.738kg/(m·s)、0.905kg/(m·s)时，换热性能均优于其他换热板片，且在此喷淋密度时，板片换热面积及水膜稳定时间是影响其换热性能的主要因素。本实验研究为内翅板蒸发冷凝器的工程应用和设计提供理论指导。

气液两相流；蒸发；传热；水膜；喷淋密度

降膜流动技术具有高传热系数、高热流密度、热损失小、结构简单等优点，是一项高效的传热传质技术[1]，目前在能源、制冷、化工、核工业等领域得到了广泛应用[2]。蒸发式冷凝器是将空冷与水冷、传热与传质过程融为一体，并将降膜蒸发技术融入其中的高效节能换热设备，具有节能、节水、结构紧凑、运行费用低等优点。在蒸发式冷凝设备的强化传热研究中，换热单元外喷淋水与空气间的传热传质过程是影响整体换热性能的关键，因此针对蒸发式冷凝器换热板片外降膜流动特性的研究不仅对深入了解换热板片外降膜流动的流体动力学特征具有重要的学术意义，而且为研究降膜流动中的流动与传热、传质机理提供重要依据。

谷芳等[3]基于VOF算法，建立了气液两相流动降膜蒸发计算模型，定量分析了气液两相逆流降膜传热传质过程。周文生和韩东[4]介绍了国内外降膜流动与传热问题的研究现状，指出了当前研究中存在的一些问题，并采用P-S（Patankar-Spalding）方法对蒸发器内部的液膜流动进行了模拟。骆超等[5]基于实验的方法探讨了液体在垂直管外降膜的流动特性，分析了影响液体管外成膜均匀性和湿润性的影响因素。JABRALLAH等[6]采用试验和有限容积法研究了封闭方腔内降膜蒸发对流传热传质现象。吴治将等[7]基于VOF算法研究了空气参数、喷淋水参数和板片结构对水膜流动特性的影响。朱冬生等[8]建立了气液两相流二维计算流体力学模型，模拟了板式蒸发式冷凝器板束中气-液两相的并流、逆流两种情形，表征了板束中风向、风速及喷淋水流量对水膜流动的影响，并对其进行实验研究。HO等[9]基于VOF算法，分别建立了二维模型和三维模型，分析了液膜厚度、速度、压力和剪切应力对气液两相降膜流动的影响。刘伟和白晶[10]编写了气液两相流mixture模型的UDF程序，分析了液相向气相转换时的传热传质过程。孙丹凤[11]基于VOF算法建立了波纹板式蒸发冷凝器的计算模型，研究了液体流速、板面结构、液体物性对水膜流动的影响。孙博[12]基于VOF方法，分析了气液相流动速率、温度及水蒸气相对湿度对沿垂直方向降膜的蒸发冷凝过程的影响。许松林和赵婵[13]研究了气液并流垂直液膜流动特性。KHARANGATE等[14]构建了水膜受热蒸发二维轴对称湍流计算模型，模拟了沿着蒸发热流方向的传热系数、流速以及液膜温度的变化情况。MONNIER等[15]、MASCARENHAS和MUDAWAR[16]研究了液膜特性对水膜蒸发的传热量、水膜蒸发的质量以及水膜蒸发的动量的影响，并且分析了气-液两相界面之间的波动情况。GAO等[17]和HAROUN等[18]模拟了不同填料和不同雷诺数下的气-液两相流动情况，研究了液相的流动形式。ALBERT等[19]采用VOF方法模拟了气液界面传质问题，分析了液膜厚度和液膜速度等对气液界面传质的影响。

综上所述，国内外学者主要对蒸发式冷凝器气液两相流动特性进行实验研究，但对内翅板蒸发式冷凝器水膜流动特性的实验研究较少。因此，为了增强蒸发式冷凝器板外气液两相流动与传热，本文提出了几种新型板片结构，搭建了实验平台对内翅板蒸发式冷凝器进行水膜流动特性测试。

1 物理模型

为强化板外的气液两相流动及传热性能，提出了几种新型换热板片，板片的简化结构如图1所示，分别是平板（模型一）、45°锯齿波纹板（模型二）、60°锯齿波纹板（模型三）、梯形波纹板（模型四）、半圆波纹板（模型五）。5种新型板片尺寸均为605mm×420mm，实验板片为不锈钢。

2 实验系统

针对换热单元外部降膜流动特性，搭建如图2所示的测试系统。该实验系统由主管路系统、回水管路系统、加热系统、测量系统组成。

（1）主管路系统 将水箱中的水通过水泵注入水膜分配箱，水膜分配箱中的水通过其下部的出水缝沿换热板片向下流动形成水膜。

（2）回水管路系统 在主管路中，由三通阀连接回水管路系统，通过安装在回水管上的截止阀来调节控制主管路系统流量，调节时通过主管路上安装的转子流量计来监测流量，通过水膜分配箱的水位来控制喷淋密度。

（3）加热系统 采用功率为0.25kW/cm2硅胶电加热板对板片进行加热。

（4）测量系统 转子流量计、高速摄像仪（德国PCO公司生产pco.dimax HS系列高速数码摄像系统）、吉时利2700数据采集仪。

3 实验内容及步骤

3.1 实验内容

（1）通过高速摄像仪拍摄并记录同一位置下（板中间段）、不同流量、不同板型下的水膜流动形态并分析。

（2）测量上中下各测点温度，研究喷淋密度对气液两相流传热特性的影响。

3.2 实验步骤

（1）打开水泵，并通过回水管路上的截止阀调节主管路中流量。

（2）水膜分配箱喷淋水流下时，约2min后，打开高速摄像仪拍摄记录水膜流动形态。

（3）关闭水泵，打开电加热板，使换热板片受热均匀并稳定，测量上中下各测点温度。

（4）打开水泵，水膜分配箱喷淋水流下，测量上中下各测点温度。

（5）调节流量，重复上述步骤。实验件分别测试低、中、高三组喷淋密度下的温度分布及水膜流动形态。

（6）更换换热板片，重复上述步骤。

4 实验结果与分析

4.1 水膜流动实验

实验测量不同板型的水膜流动特性如图3～图 7 所示。对于同一板型在不同喷淋密度时，随着喷淋密度减小，水膜流动在入口段以层流为主，发展段和稳定段液膜以湍流为主，水膜均能完全覆盖板壁，且水膜厚度随喷淋密度减小而减薄。对于不同板型在喷淋密度为0.905kg/(m·s)时，水膜虽然可以覆盖板片壁面，但由于板片结构不同和喷淋水冲击震荡情况的存在会导致喷淋水冲击壁面时引发水膜飞溅现象，一方面会使部分冷却水飞溅到板片外部，无法起到冷却作用；另一方面这部分的水占据了部分空气流道，形成较大的液团，阻碍了空气的流动通道，增加了空气侧的阻力。随着喷淋密度减小，水膜飞溅现象逐渐消失，但在低流量时部分板型会有“干斑”现象，如图8所示。同时可以发现平板水膜厚度较薄，而其余4种板型水膜厚度较为接近。

4.2 降膜冷却实验

为进一步分析不同结构板片的换热性能，采用定热流密度的硅胶电加热板对板片加热，在换热板片不同区域共布置15个热电偶测点（如图9），通过T形热电偶采集数据，对比分析了不同板型在不同喷淋密度下，水膜对换热板片的冷却效果。

在喷淋密度为0.524kg/(m·s)、0.738kg/(m·s)、0.905kg/(m·s)时，记录各测点初始温度及冷却后温度。每个喷淋密度测量3次，计算每次15个测点的平均温度。3次平均温度的平均值如表1和图10所示。

表1 部分实验数据

由表1和图10可得，对于同一板型在不同喷淋密度时，各板片换热性能均随喷淋密度的增大而有所提升。以半圆形波纹板为例，当喷淋密度为0.738kg/(m·s)时，其换热性能是喷淋密度为0.524kg/(m·s)时的1.06倍，当喷淋密度为0.905kg/(m·s)时，其换热性能是喷淋密度为0.524kg/(m·s)时的1.14倍。这是由于在实验中，各板片的水膜流态受换热板片结构影响，水膜覆盖换热板片的有效换热面积随着喷淋密度的增大而 增大。

在相同喷淋密度、不同板型时，45°锯齿板、60°锯齿板、梯形板、半圆波纹板的性能均优于平板，这是因为在降膜流动过程中，喷淋水在45°锯齿板、60°锯齿板、梯形板、半圆波纹板表面流动时产生扰动，加强了湍流程度，同时，喷淋水在垂直于主流方向形成二次流动，不断减薄甚至破坏水膜边界层，从而起到强化传热的作用。并且半圆波纹板的换热性能最佳，以平板为例，当喷淋密度为0.524kg/(m·s)时，其换热性能约为平板的1.22倍；当喷淋密度为0.738kg/(m·s)时，其换热性能约为平板的1.24倍；当喷淋密度为0.905kg/(m·s)时，其换热性能约为平板的1.21倍。可见，在合适的喷淋密度范围内，半圆波纹板的换热性能优于平板。这是因为在上述3种喷淋密度下，在降膜传热过程中，换热面积与水膜流动稳定时间均会影响换热板片的传热性能，换热面积越大，水膜稳定时间越长，水膜在换热板片上的流动时间及与板片和空气侧的传热传质过程才能更好的进行。同时，在所选取的3种喷淋密度内，局部“干斑”现象的产生对整体换热性能有所影响，但对换热板片气液两相流动传热影响较大的因素是换热面积的大小及水膜在换热板片上的稳定时间。

5 结论

本文开发了4种新型内翅板蒸发式冷凝换热板片结构，对其在不同喷淋密度条件下板外水膜流动特性及传热特性进行了实验研究，通过对实验结果进行分析，得出以下结论。

（1）水膜厚度随喷淋密度增大而增加，喷淋密度较大时，受板型及气液剪切力影响，水膜流动向中心区域聚集，且部分区域会出现水膜飞溅现象，随着喷淋密度减小，水膜飞溅现象逐渐消失，但喷淋密度较小时，部分板型出现“干斑”现象。

（2）对于同一板型在不同喷淋密度时，在所选喷淋密度范围内，各板片换热性能均随喷淋密度的增大而有所提升。对于半圆波纹板，当喷淋密度为0.738kg/(m·s)和0.905kg/(m·s)时，其换热性能是喷淋密度为0.524kg/(m·s)时的1.06倍和1.14倍。

（3）在相同喷淋密度、不同板型时，半圆波纹板在喷淋密度分别为0.524kg/(m·s)、0.738kg/(m·s)和0.905kg/(m·s)时，换热性能均优于其他换热板型，以平板为例，其换热性能分别是平板的1.22倍、1.24倍和1.21倍。

（4）在实验所选的3种喷淋密度下，在降膜传热过程中，板片换热面积及水膜稳定时间是影响其换热性能的主要因素。

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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。

国家自然科学基金（51476149）、河南省杰出青年基金（154100510014）及河南省教育厅创新团队项目（17IRTSTHN029）。

吴学红（1979—），男，博士，副教授，研究方向为制冷与低温设备节能技术、能源利用等。E-mail：wuxh1212@163.com。