对蒸发式冷凝器气液两相流降膜蒸发传热及流动的研究

在蒸发式冷凝器内，实际上是气液两相流在水平管束上呈降膜蒸发的传热传质过程，其难点也在于液膜流动、蒸发及气液界面的传热传质。降膜蒸发也广泛应用于其他热质交换设 备中，如降膜蒸发器，海水淡化装置及干燥装置等。尽管这些设备中的降膜蒸发过程不存在 气流相流动，但对研究气液两相流蒸发也有一定作用。国内外有大量的文献对降膜蒸发的换热特性、水膜流动特性及微细界面和波动特性进行了研究，但却很少有人将这些理论实际应用到蒸发式冷凝器气液两相流蒸发的全过程中。尽管如此，但这些研究仍为我们提供了很好的借鉴作用，并促使我们将这些理论应用于蒸发式冷凝器传热传质的研究。

对降膜蒸发传热的理论研究较早是由Nusselt提出来的，早在1916年Nusselt就对光滑平板上层流下降液膜进行了理论模拟，在忽略界面波动和气相剪应力影响的前提下，通过求解降膜动量方程和能量，得到了液膜传热膜系数及液膜厚度。

1 980年，美国D．Yung等人分析了降膜蒸发过程中气液的相互作用，利用经典水力学中的泰勒不稳定性原理对水平管束间液滴分布进行了分析，并用高速摄像在61 m/s的速度下得到了液滴脱落过程。

1 980年，美国E．N．Ganic等人实验研究了过冷水流通过有电加热的水平圆柱体的过程，考察了液膜流量和管表面热流量对液膜破裂的影响。实验观测看到，管问存在滴状流和柱状流，且流型受管间距的影响。传热系数随水膜流量和管间距增大而增大。

1 986年，德国J．Mitrovic实验研究了水平加热管表面与管外水膜的流动和传热过程。结果表明，水平管束问存在滴状流、柱状流及片状流三种流动形态，而流态与管间距、流量 和液体性质有关，管表面到水膜的传热过程与水膜Re数、管间距和流动形态有关。

1994年，德国R．Armbruster和J．Mitrovic研究了水平光滑圆管管束问降膜流动形态，通过可视化研究了管间距、流域和温度对流态的影响，绘出了流态图；并且还发现液柱间距 与泰勒不稳定原理有很好的吻合性。

1995年，周孝清、陈沛霖探讨了气液逆流条件下，气流流动对竖直平板上水膜流动和较小淋水量（较小喷淋密度）的影响，通过模型理论分析得到无剪切力时的较小淋水量0.04876kg.m-2s-1,与Doniec的实验测试值偏差小于10%。同时还给出了气液逆流操作的剪切力推荐范围-（1/3)

1997年，秦伟等人指出，自由降膜流的表面覆盖着不规则波，这种表面波对传热传质强化和液膜不稳定性有重要作用。在液膜雷诺数Re=440~5000范围内，采用电导法对竖直 管外自由降膜流动的局部液膜厚度进行了测量，揭示了表面波的形态和演化特性。

1 998年，德国R．Armbruster和J．Mitrovic对光滑水平管非饱和蒸发过程进行了研究，提出了一个水平管外水一空气流动蒸发传热传质模型，讨论了水和空气流量、分布状态及盘管布置方式对盘管传热和水膜温度的影响，并以此为基础建立了经验方程。

1 998年，周孝清，陈沛霖针对竖直壁面上水膜和空气传热传质耦合过程，建立了直壁面液膜流动简化数学模型，较准确反映了液膜流动和空气流动间相互作用的关系。

1999年，代彦军，张鹤飞进行了降膜蒸发冷却复合传热传质研究，建立了描述错流式降膜蒸发传热传质过程的数学模型，对气相微分方程采用积分求解，导出了可确定气液界面温湿度的数学表达式。计算结果和实验结果基本一致，且得到蒸发冷却器通道内的气流温湿度和气液界面温度分布的曲面。

1 999年，大连理工大学沈自求教授阐述了在气一液两相流传递研究方面的工作，提出了界面气化热阱增强传热的原理。

1999年，鱼剑琳等人，针对管式间接蒸发冷却器，进行了水平单管外流动水膜与横掠空气之间对流传质的实验测定，获得了实验关系式。实验结果表明，管外水膜流动状况对传 质系数有较大的影响。这说明以往根据Lewis关系式，用空气横掠光管时的对流换热系数来 推算有流动水膜存在时的对流传质系数是不够准确的，计算结果相差70%~160%。

1999年，刘振华对细小管内过冷水和空气高速两相流的换热特性进行了研究。采用紊， 流两相流模型进行解析，揭示了其内在规律与各种变量间的影响关系，确认过冷水一空气两相流动有很高的传热系数。

1 999年，叶学民等人研究了自由降膜表面波的流动及其传热特性，建立了数学模型， 提出了计算方法。再用有限差分法求解动量方程和连续性方程，得到了层流降膜内的速度和压力分布。在恒热流密度情况下分析了换热系数和表面波的关系。

1999年和2000年刘振华，朱群志等人采用层流和紊流两种模型对水平排管外降膜蒸发 换热过程进行了数值解析计算，然后将计算结果与实验值以及其他人的有关数据进行了比 较。结果表明，实验值处于层流解和紊流解之间，更接近紊流解。

2000年，清华大学王补宣院士等对实验结果的分析和界面质扩散量级的估算表明，降 液膜表面存在着可观的“毛细诱导界面蒸发”现象，并通过关联实验数据，得到了有效毛 细半径的表达式，将这一表达式与表面蒸发率的计算式结合，得到了毛细诱导界面蒸发的计 算式。

2001年，吴金星等人开发了一种用于降膜蒸发的新型传热元件——椭圆腔板束，由于 其合适的曲率范围，相对于圆管和平板它可以使水膜湍动程度更强，更易铺展，从而更利于 传热和蒸发。实验结果表明，椭圆腔板束相对于圆管管束其蒸发传热系数提高了29. 6%， 总传热系数提高了22. 2%。

2001年，Feddaoui等对竖直管内降液膜蒸发过程进行了数值研究，考察了液膜温度和 流率、气流Re数对蒸发式冷却效果的影响，认为液膜内部及界面的微对流过程对传热速率起了决定性作用。

2001年，师晋生和陈玉宙研究了自由表面磨擦和蒸发对过冷下降液膜传热的影响。从 理论上对下降液膜在自由表面上存在反向剪切力和蒸发散热情况下的换热特性进行了分析，得到了膜厚、换热系数的无量纲关系式，讨论了剪切力、液膜雷诺数、壁面热流、蒸发率对 流动和传热的影响。

2002年，刘振华等人进行了竖直管内降膜一高速空气环状两相流蒸发换热特性的理论分析。结果表明，在直径2 - 3mm的细小管内，重力的影响可以忽略不计，气液间摩擦力起 支配作用；在直径10mm左右的普通尺寸管内，重力的影响不能忽略；在直径更大的管内，重力的影响起支配作用。对一定热流密度条件下的换热特性得到了数值解并整理简化了计算公式。

2002年，许莉等人研究了水平管外壁液膜流动状态及其对传热的影响。采用智能化薄膜厚度测试仪对水平管外液膜流动状态进行了研究，得到了液膜厚度的几率分布和平均 厚度。

2002年，瑞士J．F．Roques等人对水平圆管和强化传热管表面降膜流动形态进行了研究。

2003年，易杰和刘振华通过数值计算研究了竖直细小传热管内高速空气一过冷水非沸腾环状两相流的传热传质特性。计算结果表明，在细小管内壁上过冷水形成了非常薄的液 膜，壁面热流密度可以分为液膜吸热、液膜蒸发和气相（湿空气）吸热3部分。在管内下 部的环状流区域内，液膜蒸发换热是支配性的传热方式，并具有十分强的换热能力。

2003年，师晋生等人，对竖直管内过冷下降液膜在逆向空气一水蒸气流动作用下的换热提出了一个分析模型。液膜采用边界层近似理论，对空气一水蒸气混合气采用由热质传递比拟理论引出的关联式进行分析，考察了各种条件下液膜的厚度、温度、吸收热量及蒸发热量沿流向的变化，与相关研究进行了对比，表明了模型的合理性。

2003年，陈彦泽等人综述了自由降膜传热传质数值模拟技术的研究进展，指出大多数模型都是在早期Danckwerts的表面更新模型和Lewis的双阻理论基础上提出的，而近年来研究多考虑到湍流和表面波动的影响作用。

2004年，田勇，王晓东和彭晓峰进行了气液相变过程亚稳态体相内部界面分析，深化了对气液相变物理机制的认识。

2004年，师晋生在给定气流条件下，通过联立热平衡和能量微分方程，对受逆向气流作用的层流过冷下降液膜的换热提出了一个简化分析模型，考察了无量纲初始温度、加热 强度、贝克利数及气流剪切力对液膜流动与换热的影响。

2005年，宋臻在建立空气与水逆流直接接触的任意热质交换过程模型的基础上，利用能量分析的基本方法，推导出了在揭示空气与水逆流进行热质交换时，空气和水的状态参数以 及过程的无量纲传质单元数NTUm、传热单元数NTUh和水气比B之间有内在规律的通用方 程组，并给出计算方法。

2006年，华南理工大学分析了来流流场对蒸发式冷凝器性能的影响。结果表明，CFD 模拟与实验偏差不很过15%，来流速度在1.5 ~4, Sm．s-1范围内，排热量偏移19. 3%,，压降偏移9.4 %；来流进入角在一45度到45度时，排热量偏移15.5%，压降偏移18.0%，合适的来流人口速度为2.4 ~3. 3m．s-1，适宜来流进入角为一15度到20度。

2006年，华南理工大学朱冬生教授等人研究了湿空气和水膜流动对蒸发式冷凝器性能的影响。分析测试了空气参数，如湿球温度、迎面风速、水膜分布及水膜温度对蒸发式冷凝 器性能的影响。

2006年，华南理工大学对蒸发式冷凝器管外水膜与空气传热性能及机理进行了研究。得到了管外水膜与空气传热系数计算式，较大相对标准偏差为12.2%，进而分析了蒸发式冷凝器中水膜与空气的传热机理。