海水横管降膜蒸发传热系数的实验研究
高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号：B-100036 海水横管降膜蒸发传热系数的实验研究
牟兴森 沈胜强 陈觉先 刘瑞 龚路远 陈学
（大连理工大学 海洋能源利用与节能教育部重点实验室，辽宁 大连 116024）
（联系电话： 0411-******** ，E－mail: zzbshen@https://www.wendangku.net/doc/d417256649.html,）
摘 要：
本文对海水横管降膜蒸发传热进行了实验研究，给出了降膜蒸发传热系数沿加热管的表面圆周方向的分布，讨论了降膜蒸发传热系数的变化规律。在同等实验条件下，对海水实验与淡水实验的换热系数随喷淋密度变化进行了比较。研究表明，海水与淡水的传热性能有一定差异，降膜蒸发传热系数沿管周方向有较大变化。
关键词：
海水淡化，横管降膜蒸发；传热系数；喷淋密度
1引言
淡水作为人类生存的必需品，其重要性不言而喻。但由于淡水资源地域性分布不均和社会发展对淡水需求的急剧增加，淡水资源短缺现象愈来愈严重。在21世纪，淡水资源短缺已经成为困扰世界经济发展和人民生活水平提高的一个制约因素，并成为国家和地区矛盾、战争的导火索。现世界约80多个国家和地区严重缺水，15亿人缺少饮用水，水资源危机迫在眉睫[1]。
海洋是地球上最大的水库。地球上约97.5%的水为海水[2]，又鉴于人类70%居住在距离大海不到120公里的地方[3]，所以从海洋中提取淡水就成为了一个解决水资源危机的简便而有效的办法。
图1 海水淡化的分类
上海市科委科研计划项目资助（批准号：09DZ1200502）
海水淡化技术由来已久，早在1593年人类就已经使用蒸馏法从海水中提取淡水了[4]。目前全球海水淡化总装机量约1200万吨/天[5]。如图1所示，海水淡化的方法主要有热法、膜法和化学法。这其中又分出蒸馏法、结晶法反渗透法等若干方法[6]。方法虽多，但作为大型海水淡化装置使用的主要为反渗透膜（RO）、多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）技术。其中低温多效蒸馏海水淡化（LT-MED）已经成为第二代水电联产海水淡化厂的主要技术[7]。横管降膜蒸发是多效蒸馏海水淡化装置中的高效传热技术，迄今关于该过程的详细实验研究很有限，探讨横管降膜蒸发传热过程，有助于提高海水淡化装置的能源利用效率，对海水淡化技术的发展、改进有着重大的意义。
2实验过程
2.1实验装置
如图2所示，此套横管降膜海水淡化实验装置主要分成给水系统、蒸发系统、真空保持系统、回水系统和计量、控制及测量系统。
给水系统包括：加热水箱、给水泵、高位水箱等。
蒸发系统包括：蒸发器及其内部喷淋管、布液管、加热管等。
真空保持系统包括：冷凝器、真空泵、冷却水供水系统等。
回水系统包括：计量罐、储存罐、射流泵、回水泵等。
计量系统包括：转子流量计、热电偶、压力传感器及诸多测试仪器。
1 加热水箱
2 给水泵
3 高位水箱
4 流量计
5 蒸发器
6 冷凝器
7真空泵8计量罐 9射流泵
图2 实验装置系统图
实验装置共设置温度测点、压力测点和流量测点若干。测温用热电偶实验前经逐只标定、校准，最大测量误差小于0.05℃。测量所得信号由多通道数据记录仪采集，使用LabVIEW
数据采集软件对数据进行可视化显示并记录。
实验台加热器内加热管表面沿轴向设置5组热电偶，每组自管截面顶部至底部每45°设置一个测点，用以测量换热过程中加热管表面沿圆周方向的温度分布。
实验中所用到的原料海水，取自大连黄海海域，只对其进行过滤处理。实验中添加了阻垢剂和消泡剂。经测量，实验用海水盐度为3.0%。
2.2 实验过程及方法
蒸发器是实验的主体设备，实验中保持实验设备在一定的真空度下，冷凝器后的真空泵用于初始实验设备内部空气的抽除和实验中产生的不凝气体的排除。实验中，尤其在数据测试中，要保持系统热力参数有较长时间的稳定。
实验过程中，海水在加热水箱中被加热到当前蒸发器内压力对应的饱和温度，由给水泵提升到高位水箱；高位水箱中的水在重力和蒸发器内外压差作用下，均匀地通过蒸发器中的布液喷淋管喷洒到加热管上，在加热管表面形成水膜并不断向下滴落；水膜与加热管换热，部分蒸发产生蒸汽；蒸汽在冷凝器中凝结成水，保持实验设备内的真空度，并用于计量蒸发量；未蒸发的浓海水经计量罐计量后循环到加热水箱再次进入系统。
实验中选定一系列真空度模拟不同效的蒸发器工况，选定一系列的水喷淋流率测试喷淋密度对传热的影响
3实验结果及分析
实验中，加热管管径为25.4mm铝黄铜管；管间距为为57mm；加热管功率为12kw/㎡。本文选取部分实验结果进行讨论。
图3 加热管表面温度随加热管圆周角度变化
图3所示为蒸发温度60℃、喷淋密度0.0425 kg/(m·s)条件下的管子表面温度沿周向的分布，在实验条件范围内，都呈现出如图所示的∽形温度分布曲线。从管子顶端开始（0°），加热管表面的温度沿管子周向先是水平或略有下降，然后持续升高，在135°时温度达到最高值，然后又呈下降趋势。分析认为，壁面温度曲线呈现这样的趋势的原因是由于在海水喷淋过程中，液滴滴落到加热管的顶部时，液滴与管壁碰撞，液膜的波动较为强烈，液体对管子的冷却作用较强；液体在沿管壁向下流动过程中，液膜的波动逐渐减弱，液膜变厚，液膜
与壁面的换热能力减弱；在流经约135°位置之后，重力作用再次使液滴加速流动，且出现脱离管子表面向下低落，使得液膜的扰动增强，传热能力提高，对管表面冷却作用再次增强。
在12kw/㎡等热流密度海水降膜蒸发条件下，换热管表面温度差达到1℃以上，这对于传热温差小于3℃的海水横管降膜蒸发传热过程来说，可以想象，表面温度分布对传热影响是很大的。
图4 加热管表面换热系数随加热管圆周角度变化的分布
图4所示为蒸发温度为60℃、喷淋密度为0.0425 kg/(m·s)时，换热系数在加热管圆周上的分布。由图可以看出，加热管表面的换热系数分布趋势与温度分布趋势相反，沿圆周方向呈现先降低后增高的趋势，而且在135°附近达到最低点。这主要的原因就是因为在喷淋过程中，液滴撞击加热管顶部，对顶部液膜扰动加大，加强了加热管顶部的对流换热系数，所以0°的局部换热系数最高。液膜沿加热管下流的过程中，由于坡度减缓，液膜波动减小、厚度增加，对流换热被遏制，局部换热系数持续减小，后经135°时，重力再次给流体以动力，流体流速加快，且在底部（180°）有液体脱离加热管现象，液膜扰动变大，换热系数也随之升高。传热系数沿管周的变化与管周方向上的温度分布相对应。
在等热流密度条件下，同一截面上海水横管降膜蒸发传热系数相差一倍左右。
上述规律与淡水降膜蒸发传热实验得到的规律[8]基本相同。
图5所示曲线为在蒸发温度为60℃；管间距为57mm；加热管功率为12kw/㎡时，海水降膜蒸发传热系数与淡水降膜蒸发传热系数随喷淋密度变化的实验结果比较。由图可以看出，海水和淡水的降膜蒸发传热系数随喷淋密度呈现相似的变化规律，都随喷淋密度的增加而增大，并在喷淋密度约0.06kg/ms附近变化趋势减缓。
分析认为，喷淋密度的增加，会加剧加热管表面液膜的波动，有利于对流换热和蒸发；但液膜厚度会增加，不利于对流换热和蒸发。当喷淋密度较小时，综合效果使得降膜蒸发传热系数得到升高；但喷淋密度增大到一定程度后，加热管表面液膜厚度削弱对流换热的能力超过了液膜波动对传热的强化作用，于是传热系数出现下降趋势。由图还可以看出，海水的传热系数小于淡水的传热系数，主要原因是海水的粘度要略大于淡水的粘度，在传热过程中，粘度大的液体表面波动要小于粘度小的液体，这样就抑制了对流换热的进行，换热系数会就减小。
图5 海水、淡水换热系数随喷淋密度变化
4结论
（1）海水横管降膜蒸发传热管子表面温度沿圆周角度分布呈∽形分布，最大温度差异达到1℃。
（2）海水横管降膜蒸发传热系数沿圆周方向呈现先降低再升高的规律性分布，最大值与最小值相差一倍左右。
（3）海水和淡水实验中，换热系数随喷淋密度均呈现先增大后减小的趋势，由此可知，选取最优喷淋密度可提高整体换热系数。
（4）在相同条件下，海水横管降膜蒸发传热系数小于淡水横管降膜蒸发传热系数。
参 考 文 献
1. 高从楷，陈国华, 海水淡化技术与工程手册. 北京:化学工业出版社, 2004.
2. Khawaji, A.D., I.K. Kutubkhanah, J.-M. Wie, Advances in seawater desalination technologies.
Desalination, 2008. 221(1-3): p. 47-69.
3. 范延品, 水平管降膜蒸发实验研究：（硕士论文）. 大连:大连理工大学, 2006.
4. Klaus, W., The historical development of the desalination market. IDA world congress on
Desalination and water sciences, Abu Dhabi, 1995.
5. 沈胜强, 海水淡化发展趋势及其核心技术中的热物理问题. 中国工程热物理学会，中国，
青岛, 2009.
6. 任显龙, 横管降膜蒸发传热实验研究：（硕士论文）. 辽宁：大连理工大学, 2008.
7. Darwish M A and E.-D.H. T, The heat recovery thermal vapor-compression desalting system:
a comparison with other thermal desalination processes. Applied Thermal Engineering, 1996.
16(6): p. 523-537.
8. 沈胜强，牟兴森, 横管降膜蒸发传热系数的实验研究. 高等学校工程热物理全国学术会
议，中国，天津, 2008.
Experimental study on heat transfer coefficient of horizontal-tube falling film
evaporation using seawater
Shengqiang Shen,
(Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024，Liaoning, China)
Abstract:
The results of an experimental investigation of the evaporative heat transfer characteristics of falling film outside horizontal tubes using seawater are presented. The distribution of temperature and heat transfer coefficient in tube’s surface with circumference is tested and calculated. The rube is made of HAL77-2A aluminium brass with an outer diameter of 25 mm. Then for the same experimantal conditions, experiments in seawater and freshwater experimental heat transfer coefficient changes with the spray density were compared. These results provide a basis for further developing high efficiency heat transfer process and novel evaporators．Keywords:
falling film evaporation outside horizontal tube; heat transfer coefficient; circumference; spray density;