液氮薄膜在低温换热器中的降膜流动和传热特性研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093076 液氮薄膜在低温换热器中的降膜流动和 传热特性 谢英柏，赵成，汤建成，麦英铖 （华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003） (Tel:0312-7522882, Email: xieyb@ncepu.edu.cn) 摘 要 液体薄膜流作为一种高效传热传质方式，具有广泛的工业应用价值。本文在低温钎焊板式 换热器中，研究了液氮薄膜的降膜流动和传热特性。通过简化，建立了液氮薄膜流的理论模型，推 导出了液氮薄膜无量纲厚度和对流换热系数的表达式，并计算分析了含汽率、界面对流换热强度和 雷诺数对液氮薄膜热质传递的影响。 关键词 液氮薄膜；低温换热器; 降膜流动; 传热特性 0 引 言 液体在重力作用下以薄层形式沿壁面向下流动，称为液体薄膜流。液体薄膜流以其 高效热质传递性能和独特的结构特点，在航天、制冷、化工、石油、电子和核能领域得 [1-3] 到了广泛应用 。 对于水等液体薄膜的动力特性和传热传质规律，已有较深入的研究。Gimbutis 等[4-5] [6] 在壁面恒热流密度条件下，对过冷液膜的传热特性进行了研究。周孝清等 对竖直平 板上的水膜流动进行了理论研究，探讨了水膜流动的形状。师晋生等[7]对竖直圆管内 壁上，过冷下降液膜与逆向上升空气的流动与换热提出了一种简单的分析模型。但将 液体薄膜流应用于低温换热器中的研究和报道还较少。 1液氮是一种优良的低温制冷剂，其润湿角接近零，蒸发潜热、液汽密度比、表面 张力和粘性均较小，与水等常规流体相比，热质传递有其特殊性[8-9] 。开展液氮薄膜流 在低温换热器中的流动和传热特性研究，对于改进换热器的传热特性和进行换热器的 优化设计，具有重要的意义[10-11] 。 本文以低温钎焊板式换热器中的液氮薄膜为研究对象，通过分析液氮薄膜的流动 和传热特点，建立液氮薄膜流的理论模型，推导液氮薄膜无量纲厚度和无量纲对流换 热系数与含汽量、界面对流换热强度、雷诺数和流动长度之间的理论关系。 1 流动特性 图1 为低温钎焊板式换热器的结构示意图，工质为液氮。液氮薄膜简化为沿垂直 固体壁面向下流动，在壁面恒定热流密度qw 的作用下，液氮受热不断蒸发。液氮薄膜 基金项目：教育部科学技术研究重大项目(306004) * 以速度为u 沿x 方向向下流动，任意x 处的液膜厚度为δ ，液氮薄膜厚度方向为y ，速 度为v 。 图1 低温钎焊板式换热器结构示意图 为了便于分析，假设：液氮的密度ρ、动力粘度µ 、运动粘度υ、重力加速度g 等 参数沿液氮流动方向不变；蒸汽密度同液体密度相比，可忽略不计；液膜表面平滑无 波动；忽略液膜的惯性力。在距离起始位置x 处取一微元体∆x∆y ，对该微元体列出力 平衡方程，可得： µ ( du − du )∆x + ρg ∆x ∆y 0 (1) dy dy y + ∆y y 满足条件： y =0, u =0 ； (2) * du τ y =δ ，