海水淡化中降膜蒸发过程的实验研究

由于横管降膜蒸发具有传热系数高、热耗低、可利用低品位能源等优点,横管降膜蒸发技术成为低温多效海水淡化技术中应用最广泛的方法。搭建了单管横管降膜试验台,观测了横管降膜蒸发的流动过程,研究了横管降膜蒸发过程中的流动特性和传热特性,归纳了管间距、喷淋密度对横管降膜蒸发过程中流动特性和传热特性的影响。实验结果表明:喷淋密度的增加,有助于传热系数的提高,横管顶部传热系数要高于底部。

船用竖管升膜蒸发海水淡化系统热力性能分析

提出一种船用多效竖管升膜蒸发海水淡化系统;构建热力过程数学模型,考虑海水沸点升高和蒸汽阻力压降等引起的传热温差损失;采用对比研究的方式,计算分析相同淡水产量下,有无热力蒸汽压缩时,首效加热蒸汽温度、末效蒸发温度、浓缩比对系统造水比、比传热面积、比冷凝水量等热力性能的影响。结果表明:竖管升膜蒸发海水淡化系统具有大温差传热的特征,设计、运行应控制最小有效传热温差,首效加热蒸汽温度可提升至80℃左右;首效加热蒸汽温度和末效蒸发温度对比传热面积影响较大;浓缩比有设计最优值;热力蒸汽压缩对系统性能有明显提升。

基于液滴分析的喷雾闪蒸海水淡化模拟研究

喷雾闪蒸海水淡化中液滴的闪蒸特性对于设备优化设计具有重要意义.建立了描述盐水液滴闪蒸过程的数学模型,模型考虑了液滴内部温度梯度及液滴表面的辐射换热.通过模拟计算,揭示了液滴闪蒸特性与空间距离的关系,分析了液滴初始速度、初始直径、初始盐度、初始温度以及喷射方向等参数的影响.结果表明,减小液滴初始直径、增大液滴初始速度,均有利于提高闪蒸速率;提高液滴初始温度,能够改善闪蒸效率;升高液滴初始盐度,闪蒸的速率和效率均下降;向上喷射时液滴闪蒸临界距离更短,闪蒸效率更高.

水平管外降膜蒸发传热实验研究

以水为工质,对直径为19 mm的铝黄铜管外降膜蒸发传热过程进行实验研究。实验通过测量管表面和饱和蒸气温度,计算得到平均和局部传热系数。由实验数据分析喷淋密度、蒸发温度、热流密度、管间距等参数对管外平均传热系数的影响,并与直径25.4 mm铝黄铜管降膜蒸发传热系数进行比较,讨论局部传热系数随周向角度的变化。结果表明,在实验范围内,管外平均传热系数随温度的升高而增大,随喷淋密度的增大先增大,后略微下降。小管径管的降膜蒸发传热系数大于大管径管的传热系数。

转角正方形管束有降膜流动时的压降实验

为了深入研究大型海水淡化装置中流动阻力对装置性能的影响,建立了大型水平管束降膜流动特性实验台,模拟了水平管降膜蒸发器内蒸汽的流动过程,分析了饱和蒸汽温度和喷淋密度对管束流动阻力的影响.引入新的参数(喷淋雷诺数)对实验数据进行了拟合,得出蒸汽横掠有降膜流动的转角正方形管束的压降系数公式.结果表明:在相同的蒸汽质量流量和喷淋密度下,压降随饱和蒸汽温度的升高而降低;压差预测值与实验值的误差小于±15%.

低压蒸汽横掠水平降膜管束流动阻力实验研究

采用模拟方法对海水淡化装置中大型水平管降膜蒸发器内的流动过程进行实验研究．管束采用海水淡化装置中广泛应用的正三角形和转角正方形排列，其管间距为1．3倍管外径．实验在饱和温度为50～70℃，喷淋密度为0．02～0．08kg·m^-1·s^-1的条件下进行．分析了管束排列方式、喷淋密度和饱和温度等因素对流动阻力的影响．实验结果表明，流动阻力在正三角形管束下比在转角正方形管束下大得多．引入Re1、Reg、sa／D、str／D等参数来表征各个影响因素并用来拟合有降膜流动时蒸汽横掠管束的压降预测公式．新拟合的公式误差在±15％以内．

横管降膜蒸发过程中管间距对传热系数影响的实验研究

针对横管降膜蒸发器的4种主要布管方式（三角形、正方形、转角三角形、转角正方形）所对应的3种管间距下，以海水和纯水作为实验工质的传热系数进行了实验研究。研究结果表明：转角正方形布置（管间距为45．7mm）下的传热系数最高，三角形布置（管间距为57．2mm）次之，正方形、转角三角形布置（管间距为33．02mm）的传热系数最低；随着蒸发温度的升高，纯水作为实验工质时的三种管间距传热系数差异减小，而海水实验结果则正好相反；不同管间距传热系数产生差异的主要区域为管周向0～135°区域。

低质量流率蒸汽真空水平管内凝结传热特性实验研究

在内径为38 mm、长度为3.4 m的水平管中,测量了饱和温度为50、60、70℃,质量流率小于8 kg/(m^(2)·s)的饱和蒸汽的局部冷凝传热参数.在凝结过程中,由于重力的作用,管内上下部分存在两种换热模式.上部是膜状凝结换热区,下部是凝结液对流换热区.实验结果表明,随着管内入口饱和蒸汽和冷却水温差的增大,蒸汽在光滑管段内换热量增加,冷凝液增多,管段底部凝结液聚集区局部温度降低较大.随着总传热温差的增大,管壁顶部膜状凝结换热区传热系数降低,而管壁底部凝结液对流换热区变化较小.

水平管降膜蒸发器传热系数空间分布

为了得到水平管降膜蒸发器传热系数,建立了水平管降膜蒸发传热实验台。通过对实验结果的归纳,分析了水平管降膜蒸发器总传热系数随顶排管喷淋密度、蒸发温度的变化规律,并给出了总传热系数在水平管降膜蒸发器内部空间的分布。结果表明,总传热系数随喷淋密度、蒸发温度的增大而增大。在空间分布上,传热系数沿管长方向受凝结过程的影响前5m先增大,后3m逐渐减小;在垂直方向由上向下逐渐减小。另外传热系数随管排数的增加而降低,并且当喷淋密度较小时,总传热系数下降的趋势更明显。

管间距对水平管降膜蒸发流动形态和传热的影响

为了探讨管间距对水平管降膜蒸发的影响，以水为工质，研究了19 mm直径的铝黄铜水平管上降膜蒸发的传热与流动状况。通过对3种管间距在Re范围35～347下液膜流动形态的观测，归纳出水平管降膜流动流态转变时的临界Re数；测量了管壁表面温度和饱和蒸汽温度，计算得到管子表面的平均传热系数和局部传热系数，分析了管间距对局部和平均传热系数的影响。实验结果表明：在较大管间距情况下，不同流态间转变的临界Re数没有明显区别，但是在小管间距情况下，滴柱状向柱状以及柱状向柱帘状转变的Re数会变小；平均传热系数会随着管间距变小而降低，且当管间距为0．3倍管径时，喷淋密度的变化对平均传热系数的影响将变得不明显。此外，沿管周方向顶部的局部传热系数也随管间距变小而明显下降。

真空条件下蒸汽横掠水平降膜管束的流动阻力

建立了蒸汽横掠带有液体降膜流动的水平管束流动阻力实验台,对影响流动阻力的因素与规律进行了实验研究。实验在绝对压力为12～31kPa的真空条件下进行,对应的水蒸气饱和温度为50～70℃,模拟了大型海水淡化装置中水平管降膜蒸发器的流动过程。实验结果显示,蒸汽掠过带有降膜流动的水平管束的压降远大于蒸汽横掠水平管束的流动阻力,流动阻力系数不仅与蒸汽流动Reynolds数有关,还与液体在水平管上降膜流动的Reynolds数有很大关联。提出了正三角形排列管束的蒸汽横掠降膜流动管束的阻力关系式。

水蒸气跨音速流动中非平衡相变的温度特性

在引入水蒸气非平衡相变的动力模型和水蒸气真实物性模型的基础上,建立了水蒸气跨音速非平衡流动的守恒型数值计算模型,采用对激波捕捉具有高精度和高分辨率的Roe-FDS格式进行计算,数值求解了水蒸气跨音速流动过程中的非平衡相变及凝结激波现象。着重研究了水蒸气跨音速非平衡凝结相变的温度特性,归纳了水蒸气跨音速非平衡流动的凝结特性随温度的变化规律,归纳了蒸汽温度变化对核化凝结、激波形态的影响规律。研究发现,入口温度对蒸汽跨音速流动中的非平衡相变具有显著的影响,进口温度越低,非平衡核化凝结爆发得越早,产生的液滴粒径越大;随着进口温度的升高,非平衡凝结相变的起始点逐渐向喷管出口方向移动,蒸汽需要在缩放喷管中加速膨胀到较高Mach数下达到较高的过饱和度和过冷度时才能产生核化凝结,而成核率也相应较高。

水平管降膜蒸发器温度损失的计算与分析

为了研究降膜蒸发管束阻力造成的压降及其对传热的影响,以降膜蒸发器内广泛应用的正三角排列管束为物理模型,采用由实验数据拟合出来的压降系数,计算了压降对应的温度损失,分析了蒸汽产率、饱和温度、管列数和喷淋密度对蒸发温度损失的影响。结果表明:温度损失随喷淋密度、管列数和蒸汽产率的增加而升高,随饱和温度的升高而减小;在相同的蒸汽质量流量下,45℃蒸汽的温度损失是70℃时的6倍,而喷淋密度为0.08kg/(m·s)时的温度损失约是0.02kg/(m·s)时的2倍;大型降膜蒸发器内管束区内的温度损失随管列数的增加呈现抛物线型升高。为保证各效蒸发器的传热效率,提出每一效蒸发器温度损失都相等的等温度损失设计思想,其对低温多效蒸发器的设计具有指导意义。

CO_2跨临界喷射制冷循环计算分析

目前还很少有关于CO2跨临界喷射式制冷循环的研究。本文对CO2跨临界喷射制冷循环建立了热力学模型,计算了在不同的冷却压力、冷却器出口温度、加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度下,喷射器的喷射系数、跨临界喷射制冷循环性能系数(COP)和有效性能系数(COPm)的变化趋势。结果表明:随着冷却器压力的升高,喷射器的喷射系数减小,循环的COP和COPm值先增大后减小,在某个冷却压力下存在最优值;提高冷却器的出口温度,循环的COP和COPm值均降低;提高加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度均能增大喷射器的喷射系数和循环的COPm值。

水平管内凝结液液位角

建立了长水平管真空条件下蒸汽凝结实验台,观测了蒸汽在水平管内凝结过程的入口质量流率、凝结液含量和饱和温度对凝结液液位角变化的影响,归纳了液位角计算关系式。研究发现,较低蒸汽流量下,液位角随凝结液含量的增加呈波动增加;较高蒸汽流量下,受气流影响,液位角减小,液位角边缘模糊;在同样蒸汽流率条件下,饱和温度升高即压力升高,液位角会有所增加。给出的液位角关系式可用于计算水平管内凝结液液位和液位角。

基于欧拉壁面液膜模型的管内蒸汽冷凝流动和液膜特性的数值模拟研究

采用ANSYS FLUENT软件建立了基于欧拉壁面液膜模型的光滑管内蒸汽冷凝流动过程的三维数学模型。模拟管长为500 mm,内径为38 mm。模拟工况为入口蒸汽饱和温度分别为70℃,总传热温差为5℃和7℃,入口蒸汽速度为1420 m/s。模拟结果表明,液膜厚度在管道底部随着流动距离的增加而增加,液膜厚度在管顶部先增大后趋于稳定,更大的蒸汽入口速度产生更高的液膜厚度。液膜流动速度在管道底部随着流动距离的增加而增加,液膜流动速度在管顶部先增大后缓慢降低,更大的蒸汽入口速度产生更高的液膜流动速度。

水平管降膜蒸发器传热特性研究

建立了水平管降膜蒸发和管内凝结传热实验台,通过对实验结果的归纳,获得了水平管降膜蒸发器总传热系数随喷淋密度、蒸发温度、传热温差和蒸汽入口流速的变化规律,以及管间距对传热特性的影响。结果表明,总传热系数随喷淋密度、蒸发温度的增大而增大,随传热温差的增大而减小,而蒸汽流速对传热系数影响较小;在本文研究的管间距范围内,当管间距为46.7 mm时,总传热系数最高。

水蒸气跨声速流动中非平衡相变与激波的耦合作用

引入水蒸气非平衡相变的动力学模型和水蒸气真实物性模型,建立了水蒸气跨声速非平衡流动的守恒型数值计算模型,采用Roe-FDS计算格式数值捕捉了水蒸气超声速流动中的非平衡相变与激波效应,在此基础上开展了气动激波与凝结激波的耦合计算,分析了气动激波波锋面与凝结激波波锋面相遇时,气动激波与非平衡相变之间的相互作用规律。研究显示,随着背压的不断升高,气动压缩激波不断向喷管喉口位置推移。当气动激波发生在凝结激波的下游位置时,气动激波的耗散效应使得喷管内的液相质量分数逐渐减小而不会对上游的非平衡相变和凝结激波产生影响。当气动激波随背压继续上行与气动激波交汇时,气动激波强烈的耗散效应使得凝结激波特征迅速减弱,非平衡相变逐渐退化到喷管边界区域,而气动激波由于受到凝结激波的强烈干扰,激波强度迅速减弱,显现出明显的斜弱激波特征.当气动激波上行至喷管喉口附近时,X型凝结激波逐渐消退,非平衡相变在喷管主流区消失。

水蒸气超声速非平衡流动中凝结激波的形态特征

引入水蒸气非平衡相变的动力学模型,并在水蒸气真实物性的基础上,建立了水蒸气超声速非平衡流动的守恒型数值计算模型,采用对激波捕捉具有高精度和高分辨率的Roe-FDS格式,数值捕捉了水蒸气超声速流动中的非平衡相变与凝结激波。以非平衡相变中液相质量增长率为基准,将非平衡凝结相变引发的凝结激波划分为凝结激波起始发生区、凝结激波交汇区和凝结激波消退区三个区域,分析了凝结激波的形成机理,得到了凝结激波发生及发展的"X"型分布特征,并归纳了凝结激波的分区物理特性和热力学特性。

水平管降膜蒸发器传热参数空间分布模拟研究

基于分布参数方法,对低温多效海水淡化系统中的单效水平管降膜蒸发器进行三维数值模拟,分析蒸发器传热参数在不同进料海水盐度及喷淋密度下的变化及空间分布规律。模拟结果显示:蒸发器平均传热系数随进料海水喷淋密度的增加及盐度的降低均有所升高。在管内蒸汽在二管程末端完全凝结的前提下,蒸发器表观传热温差随进料海水喷淋密度的增加及盐度的降低而减小。二次蒸汽最大饱和温度降随进料海水喷淋密度的增加及盐度的降低而减小。传热量及传热系数在蒸发器内空间分布规律随喷淋密度变化而改变。