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中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093332 含有不凝气水平管内膜状冷凝的传热特性 杨洛鹏，陈学，沈胜强. （大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室，大连 116024） (Tel Email:yanglp@dlut.edu.cn) 摘要：建立了含有不凝气的水平管内膜状冷凝传热的物理模型，推导出了液膜换热系数、液膜厚度、 轴向压力梯度、冷凝液层角度及厚度和冷凝界面温度的理论关系式。通过对纯蒸汽冷凝液膜特性数学 模型计算值间的比较，验证了物理模型的通用性和准确性。研究结果表明：汽液两相流间剪切应力和 不凝气对沿管长方向蒸汽冷凝温度的降低有显著影响，要通过增加管长来抵消其对传热性能降低的影 响；进口蒸汽中不凝气浓度的降低，有利于降低传热管管长。 关键词：水平管内膜状冷凝；不凝气；剪切应力；轴向压力梯度； 0 前言 对于水平管多效降膜蒸发器，传热管两侧均发生相变，以其小温差、小流量和传热 [1] 系数高的特点 ，已成为一项高效传热传质技术，在低温多效蒸发海水淡化中得到了广 泛应用。 现有的对于水平管内冷凝的研究主要是针对纯蒸汽冷凝过程，而对含有不凝气的水 平管内膜状冷凝传热的研究较少。Shah[2] 和 Travis[3]对水平管内冷凝传热系数进行了理 论和实验研究，但在理论推导中，忽略了轴向压力梯度引起的冷凝温度降低；Friede [4] 给出的水平管内摩擦压力梯度的实验关联式不是针对小温差的真空冷凝过程。Chen[5] 和 Moalem[6] 给出了水平管内纯蒸汽冷凝过程传热特性的数值解，为简化模型求解，给出 了较多假设，如假定忽略传热管表面曲率，冷凝液膜厚度按垂直管壁计算等。海水水平 管降膜蒸发过程如图1 所示，不凝气在汽液界面处积聚形成扩散层，在扩散层内，蒸汽 分压力降低，不凝气分压力升高，降低了传热温差，即使有微量的不凝气存在也会对传 热过程产生显著影响[7] ，但对于含不凝气冷凝过程的研究较少，关注的重点是不凝气对 传热性能影响的实验研究 [8,9] 。 针对现有研究中存在的实验关联式受实验参数限制、数值计算中假设过多以及数值 计算中未考虑不凝气对冷凝传热影响的问题，本文建立了通用的含不凝气水平管内蒸汽 冷凝传热特性的物理模型，推导出了冷凝液膜换热系数、液膜厚度、轴向压降梯度、冷 凝液层角度及厚度和冷凝界面温度的理论关系式，分析了不同冷凝液膜特性数学模型计 算值之间的差异以及含有不凝气的膜状冷凝传热性能随传热温差、不凝气浓度以及传热 管长等因素的变化规律。 1 物理模型 基金项目：辽宁省科学技术基金 (No.2008220040) 如图1 所示，蒸汽在水平管内冷凝时，在管内壁形成连续的薄冷凝液膜，液膜在重 力的作用下沿管壁面向下流动，积聚在管内底部形成冷凝液层，冷凝液在流动蒸汽的作 用下沿管长方向流动，物理模型中假定管壁温度保持不变。 o - μ×dw/dy y tb 管壁 y w 液膜 Φ ti P