李慧君, 賈怡瓊 , 王 炯

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.中材節(jié)能股份有限公司，天津 300400)

水平異型管外加裝排液板降膜流動數(shù)值分析

李慧君1, 賈怡瓊1, 王 炯2

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.中材節(jié)能股份有限公司，天津 300400)

液膜熱阻是影響水平管外降膜流動傳熱的主要因素之一，采用加速排泄管外液體及減薄液膜厚度的方法可以使其換熱加強。通過建立底部加裝排液板的異型管物理模型，采用fluent軟件中的VOF模型對其管外降膜流動進行了二維數(shù)值模擬，來研究排液板對水平異型管外的降膜流動與傳熱的影響。并比較了模擬得到結果與文獻中的實驗數(shù)據(jù)，變化趨勢吻合較好。結果表明：加裝排液板的異型管較其光管的平均液膜厚度減薄，管壁的局部Nu數(shù)增大，表明排液板可以加速排液，有助于強化傳熱；蛋形管具有比滴形管更好的排液性能，加裝排液板后排液效果更加顯著。

強化傳熱；數(shù)值模擬；降膜流動傳熱；排液板；液膜厚度

0 引言

水平管外降膜蒸發(fā)技術是一種高效節(jié)能的薄膜蒸發(fā)技術，其在較低流速及小換熱溫差下具有相對較高的熱質傳遞能力[1]。水平管式降膜蒸發(fā)器廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，其在節(jié)能環(huán)保方面有著十分重要的意義，引起了國內外許多研究者的廣泛關注。文獻[2]得出了液膜厚度隨管徑、管束布置方式以及管間距等參數(shù)的變化規(guī)律。文獻[3]研究了傳熱情況下水平管外的降膜流動，得到了液膜厚度的近似式。文獻[4]利用位移測微儀對液膜水平管外周向角范圍為15°～165°的液膜進行了實驗研究，確定了液膜厚度在周向角95°～120°的范圍內存在最小值。文獻[5]比較了Turbo-CII管和光滑管，得出了Turbo-CII管外周向液膜厚度變化同光管一樣，最小值位于周向角95°～120°的范圍內。文獻[6]研究了R-134a在3根垂直排列的水平銅制管外降膜蒸發(fā)的傳熱性能，得出隨著流體溫度的升高，光滑管的換熱系數(shù)增大，在“干斑”出前流量也略有增加。文獻[7]研究了真空狀態(tài)下6排水平圓管束的降膜蒸發(fā)，得出增加管子內表面、提高加熱水溫度可以得到更好的換熱性能，并預測了傳熱系數(shù)和增強比例的相關性。管外液膜分布對于換熱器換熱性能起著至關重要的影響，液膜過厚換熱系數(shù)降低，液膜過薄可能會導致管壁局部干區(qū)的出現(xiàn)而造成換熱器損害[8]。大部分水平管降膜蒸發(fā)器的換熱管采用圓管，但國內外許多學者研究表明圓管不是獲得最優(yōu)液膜分布的管型[9～19]。

國內外大多數(shù)文獻都是以水平圓管為研究對象，少數(shù)涉及到異形管。但針對異型管外加裝排液板的降膜流動研究鮮有報道。諸多研究者采用了排液板技術來強化膜狀冷凝換熱并取得了一定的成果，研究表明加裝排液板起到了加快管外凝結液的排泄，同時有效減薄了管外壁面凝結液膜的厚度，強化了凝結換熱[20]。因此，可以在水平異型管外采用排液板技術，使其換熱性能得到提高。為了研究排液板對降膜傳熱的影響，采用fluent軟件中的VOF模型對其進行模擬，以期為降膜流動傳熱提供參考。

1 物理模型

水平蛋形管外帶排液板降膜流動的物理模型，如圖1所示。貼體坐標系x沿著管壁面切線方向，y則是沿管壁外法線方向，其分速度分別由u、v表示。δ為液膜厚度，t及H分別表示排液板的厚度和高度，θ為圓周角。質量流量為2Γ、溫度為T0的液體噴淋到管子頂部，形成液膜并沿管壁面向下流動，通過排液板排離出去。壁面維持恒定溫度Tw。

圖1 水平蛋型管外帶排液板降膜流動物理模型

為簡化計算，作如下假設：(1) 工質的物性參數(shù)為定常數(shù)；(2) 液膜流動為穩(wěn)定的層流；(3)與換熱管管徑相比，液膜厚度是小量；(4) 流體不可壓縮；(5) 液體入口溫度等于飽和蒸汽溫度；(6) 不計流體相變，傳熱只考慮從管壁到汽液界面；(7) 不考慮排液板的傳熱，排液板起到排液作用。

2 數(shù)值計算

2.1 異型管及排液板幾何參數(shù)尺寸

采用與φ19的光圓管具有相同換熱面積對蛋形管、滴型管及不同長短半軸比的橢圓管進行尺寸優(yōu)化設計，各異型管及排液板的幾何參數(shù)如圖2所示。

圖2 3種水平異型管及排液板幾何參數(shù)

2.2 無量綱數(shù)

為了更好地比較不同參數(shù)下管外流動及換熱情況，定義如下無量綱參數(shù)[11]713。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：P為單側管壁長度，m；T、T0、Tw分別為液膜內流體溫度、入口處流體溫度和壁溫，K；δ為液膜厚度，m；ν為流體運動粘度，m2/s；λ為熱導率，W/(m·K)；h為局部換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

由于VOF模型對計算區(qū)域網(wǎng)格精度要求較高，對局部網(wǎng)格進行加密，圖3為蛋形管網(wǎng)格劃分及邊界條件示意圖。設定管壁和液相水壁面的接觸角為20°[21]。

圖3 網(wǎng)格模型示意圖

2.4 網(wǎng)格無關性驗證與模型驗證

以蛋形管為例，Γ為0.3 kg/(m·s)時，采用網(wǎng)格數(shù)量分別為50 214、72 188及166 032。最大相對誤差小于2.0%，表明計算結果與網(wǎng)格無關。綜合考慮了計算精度和計算時間，擇優(yōu)選取網(wǎng)格數(shù)為72 188的網(wǎng)格劃分方案，其他異型管采用類似的網(wǎng)格進行劃分。

為了驗證本模型的正確性，將以E=1.5的橢圓管模擬結果與文獻[10]77中最相近工況進行比較，如表1所示。

表1 本模型及文獻實驗工況

由于本模型中所采用橢圓管幾何參數(shù)小于文獻[10]77，導致在周向角θ<135°時，模擬結果普遍高于實驗結果，但變化趨勢是一致的，如圖4所示。在周向角θ>135°時，模擬結果小于實驗值，主要原因是實驗過程伴隨有蒸發(fā)相變，蒸發(fā)現(xiàn)象導致液膜波動[10]77。液膜厚度的平均誤差小于30%，表明本模型基本正確。

圖4 本模型的液膜厚度與文獻[10]78的比較

2.5 模擬算例結果分析

取T0=333.16 K的飽和水為流動工質，壁面溫度為Tw=335.16 K，并設定外部空間充滿此溫度下的靜止的飽和蒸汽。流體在整個傳熱過程中是常物性，其參數(shù)由表2可知。

表2 流體物性參數(shù)

3種截面形狀的異型管的速度分布呈拋物線形，液膜內最大速度出現(xiàn)在液膜中間某處，如圖5所示。在管壁處受到壁面的粘附作用，存在流動邊界層，流體在貼壁處存在較大的正向速度梯度，迅速增大到主流速度，隨后受到汽液界面靜止的蒸汽剪切作用，速度略有減小。隨著無量綱長度X的增大，異型管液膜內最大速度逐漸增大，其原因是液膜在重力的作用下，液體沿管壁周向流動加快。滴型管及蛋形管加裝排液板后，液膜流動速度較其光管大，表明排液板對液體流動起到加速作用。在無量綱長度X=5.333附近處，帶排液的橢圓管E=1.5的最大速度較其光管略小，但在管壁周向其他位置處帶排液板的橢圓管沿管壁周向液膜內最大速度較其光管的大，表明排液板對液體流動起加速作用同樣適用于橢圓管。隨著X的增大，壁面處速度梯度減小，表明液體沿管壁周向流動時，壁面處液體的流動減弱，對流換熱減小。

圖5 異型管膜內局部速度分布

圖6 異型管局部膜內無量綱溫度分布

隨著無量綱長度X的增大，各異型管局部膜內溫度Θ分布隨之增大，如圖6所示。

圖6表明隨著X的增大，膜內的溫度梯度隨之減小，熱邊界層隨之增大，換熱效果也隨之減弱。加裝排液板的異型管膜內溫度Θ較其光管要小，表明加裝排液板后，膜內的溫度梯度增大，熱邊界層減小，強化了換熱效果。在壁面處流體溫度和管壁面溫度相等，溫度Θ為0，熱量從管壁傳遞給液膜，其溫度逐漸升高，液膜溫度在汽液分界面達到飽和溫度，其溫度Θ為1。

各異型管的液膜厚度在管頂及管底部的分布較厚，如圖7所示。

圖7 異型管液膜厚度分布

圖7表明，主要是由于管頂受到下落的噴淋液體的沖擊，豎直方向的速度分量幾乎為零，液體沿管兩側鋪展，液體沿管壁周向下落的速度特別小，造成液體在管頂?shù)亩逊e；在異型管底部受到兩側流體的匯集，造成液膜急劇增厚。流體沿管壁的流動速度相對于噴淋液體的下落速度小，液膜不能迅速排離管壁面，使液膜積聚。加裝排液板后，各異型管的液膜厚度均較其光管的要薄。對于橢圓管在X=5.333附近處，帶排液板的橢圓管較其光管略厚。但帶排液板的橢圓管平均液膜厚度較其光管要薄，且在管頂及管底部表現(xiàn)十分明顯。主要原因是加裝排液后，在管頂部受到排液板對液膜的加速引流作用，液膜厚度跟其光管相比變薄明顯；在管底部，排液板對匯集的液體起到加速排泄作用，液體能迅速排離換熱管，不至于在管底部匯集過厚，對強化換熱有利。

當Г=0.45 kg/(m·s)時，橢圓管E=1.5異型管最厚液膜與最薄液膜的比值為1.52，加裝排液板后，其比值為1.34；并且加裝排液板后，平均液膜厚度減薄了5.5%。表明加裝排液板后，有效地減薄了厚液膜區(qū)，增大了薄液膜區(qū)，使得橢圓管外液膜分布較均勻，薄液膜區(qū)液膜變化趨勢平緩，可以使“干斑”的可能性減?。煌瑫r，加裝排液板后，管外平均液膜減薄，有利于強化換熱。

由于滴型管與蛋形管尺寸設計時，長軸的長度約相同，重力對液膜的作用可認為是一致的。因此可以對比管型截面形狀對液膜流動的影響。蛋形管在管頂部分液膜厚度稍厚于滴形管，由圖8可知。

圖8 滴型管與蛋形管液膜厚度分布

由于曲率半徑稍大的滴形管液膜在水平方向上鋪展速度較蛋形管的快，使得其厚度較蛋形管的薄。但沿著管壁周向向下流動，蛋形管的液膜厚度減薄的速度比滴形管大，主要原因是液體沿蛋形管壁周向向下流動時，液體的流動方向與重力方向的夾角小于滴形管，液體受重力加速作用明顯。Γ為0.45 kg/(m·s)時，蛋形管液膜的平均厚度較滴形管的減小了0.5%，加裝排液板后，蛋形管的平均液膜厚度較滴形管減小4.3%，表明加裝排液板后，液膜明顯變薄，增大了傳熱量。

圖9 異型管管壁局部Nu數(shù)分布

各異型管壁局部Nu數(shù)分布在管頂及管最底部處較大，如圖9所示。主要原因是由于在管頂部受到下落流體的沖擊作用，擾動加劇，使得流體與管壁的對流換熱加強；在管底部由于兩側流體的匯集及流體脫離換熱管時的撕裂作用，對換熱起到一定的強化作用。由圖5、圖6及圖7所示，流體隨著無量綱長度X的增大，管壁面處的速度梯度減小，溫度梯度隨之逐漸減小，熱邊界層厚度隨之逐漸增大，使得流體在換熱管壁面處的換熱沿著管壁周向向下逐漸減小。各異型管加裝排液板后，管壁局部Nu數(shù)較其光管要高，主要原因是加裝排液板后，使液膜的流動加快，壁面處的速度梯度增大，溫度梯度增大，液膜厚度減薄，增大了傳熱量。

3 結論

(1)3種截面形狀的異型管加裝排液板后，膜內速度提高，膜內無量綱溫度減小，熱邊界層減薄，使管外液體加快排泄，液膜厚度減小，換熱效果增強。

(2)帶排液板的橢圓管液膜厚度分布較其光管要薄，薄液膜區(qū)相對較大且變化趨勢平緩，可提高降膜流動傳熱系數(shù)；減小“干斑”或者燒毀的可能性，保證了降膜蒸發(fā)設備的安全運行。

(3)蛋形管具有比滴形管更好的排液能力，加裝排液板后，排液效果更加顯著。

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Numerical Analysis of Falling Film Flow Outside a Horizontal Shaped Circular Tube with a Drainage Strip

LI Huijun1, JIA Yiqiong1, WANG Jiong2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2.Sinoma Energy Conservation Company Limited by Shares,Tianjin 300400,China)

Liquid film resistance is one of the main factors which influence the falling flow heat transfer of horizontal tube.It can be used to enhance the heat transfer by accelerating drainage and reducing the thickness of the liquid film.In order to study the effect of the drainage strip on falling film flow and heat transfer outside a horizontal shaped tube, a physical model of special pipe with a drainage plate at the bottom was established and the VOF model of fluent software was used to two-dimensional numerical simulate it.The numerical simulation results were in good agreement with literature experimental data.The results are as follows.Compared the shaped circular tube with a strip with it without a strip, the average film thickness is thinner and the localNunumber is greater.It is showed that the drainage plate can accelerate drainage and reduce the thickness of liquid film, which helps to enhance the heat transfer.The oval-shaped tube has better drainage performance than the drop-shaped tube, and the effect of drainage with the drainage strip is more significant than before.

heat transfer enhancement；numerical simulation；falling film flow and heat transfer； drainage strip；film thickness

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.008

2017-04-28。

TK124

A

1672-0792(2017)06-0048-07

李慧君(1964-)，男，教授，研究方向為強化換熱及數(shù)值計算，電廠熱力系統(tǒng)的節(jié)能原理及檢測診斷等。

賈怡瓊(1992-)，女，碩士研究生，主要從事強化換熱及數(shù)值計算方面的研究工作。

王炯(1988-)，男，碩士研究生，主要從事強化換熱及數(shù)值計算方面的研究工作。