新型板翅式冷凝蒸发器的传热特性研究.docx

1997年5月JOU RN A L O F X I’A N J IA O TON G U N IV ER S IT YM ay 1997新型板翅式冷凝蒸发器的传热特性研究3陈流芳吴裕远刘永忠陈翔张玉文(西安交通大学, 710049, 西安)摘要采用1 m 长的新型板翅式单元作为工业用冷凝蒸发器的结构单元, 对此单元试样进行了冷凝与沸腾传热特性的实验研究. 实验结果表明: 当热流密度达到6 000W ?m 2 时, 其总的传热温差仅为111 K , 比通常结构的冷凝蒸发器的传热温差减小013～ 018 K. 根据单元试样的试验结果, 选用优化结构尺寸, 设计制造了用于150 m 3 ?h制氧机的新型板翅式冷凝蒸发器正式产品, 对其进行了工业性试验. 测试结果表明:传 热系数达到754 W ?(m 2rK ) , 与原有产品相比, 其重量减轻了 36% , 体积减小了40%.关键词板翅式冷凝蒸发器中国图书资料分类法分类号空气分离T K 214传热性能再沸器符号表qR e sT bT be热流密度, W ?m 2热虹吸浮力特性准则数A rA r= gL 3 Θ2Θg ?Λ2 Θl当量雷诺数,0 Θl-l () ()R e= qL 0 ?Λrl h lt()l汽泡变形准则数, B 0 = S ?L 0重力加速度, m ?s2 冷凝及沸腾总传热系数, W ?(m 2rK ) 液氮汽化潜热, kJ ?k g冷凝通道长度, m汽泡特征长度, m蒸发通道翅片节距, m蒸发通道内流体温度, K 蒸发通道内流体的过余温度, K T be = T b - T b sB 0g hh ltLL 0液池表面液氮饱和温度,冷凝通道内流体温度, K冷凝通道内流体过余温度,T ce = T c - T b s 冷凝通道内流体饱和温度, 蒸发与冷凝通道间壁温度,T b sT cT ceKΘg ]1?2L 0 =Ρ?g (Θl-K微膜蒸发特性准则数M = Λlq?(Θg h lt Ρ)普朗特准则数MT csT wKKP r收到日期: 1996208219.陈流芳: 女, 1943年10月生, 能源与动力工程学院制冷与低温工程系, 高级工程师.3 国家自然科学基金资助项目.第5期陈流芳等: 新型板翅式冷凝蒸发器的传热特性研究65T w e 蒸发通道与冷凝通道间壁过余温度,T w e = T w - T b s沿试样长度的平均冷凝传热温差, K沸腾换热系数, W ?(m 2rK ) 冷凝换热系数, W ?(m 2rK ) 液氮导热系数, W ?(mrK )K? T cmΑb Αc ΚL ΛL ΘL Θg Ρ? T b 蒸发通道内流体沸腾传热温差,? T b = T w e - T beK冷凝与蒸发总传热温差,? T bc = T ce - T be? T bm 沿试样长度的平均沸腾传热温差,? T c 冷凝通道内流体的冷凝传热温差,? T c = T ce - T w e饱和液氮动力粘性系数,饱和液氮密度, k g?m 3 饱和气氮密度, k g?m 3 饱和液氮表面张力系数, N ?m? T bck g?(mrs)KKK实验研究的理论基础1冷凝蒸发器是空分装置精馏塔中的关键部件, 它的传热性能直接影响到整个空分装置的技术经济指标. 随着冶金、石油、化工等工业的迅速发展, 目前空分装置的单机容量和加工空气 量正向大型化方向发展. 如果依然采用现有技术水平的板翅式结构, 将使新设计的冷凝蒸发器的直径大于4 m. 如此大的直径已超过了我国铁路运输所允许的高度标准. 同时, 我国空分装 置的耗能指标与国外相比还有较大差距, 主要是现行的板翅式冷凝蒸发器传热温差偏大, 致使空分装置的下塔压力偏高, 能耗大. 因此, 研究开发新一代高效、节能、紧凑型冷凝蒸发器势在 必行.众所周知, 管内液体沸腾时要产生大量的汽泡, 其底部与加热壁面之间存在着一层极薄的微液膜层. 根据微膜蒸发理论, 沸腾传热的主要热阻来自汽泡底部的微液膜层的导热热阻. 微 液膜层越薄, 热阻越小.应用微膜热虹吸沸腾传热机理, 分别采用矩形狭缝通道和密排小节距板翅式单元作为蒸 发通道进行了实验研究, 证明采用这两种型式的狭缝通道后, 有效地减小了微液膜层的热阻,大大提高了传热系数. 同时, 由于沸腾汽泡在狭缝通道上升过程中被挤压成扁平汽泡, 导致液 膜的沸腾过热度减小, 从而大大减小了沸腾传热温差1, 2 . 这种新的传热机理, 为开发既具有高传热系数又具有小传热温差的冷凝蒸发器提供了理论基础和有效的方法.2 新型板翅式冷凝蒸发器单元试样实验研究2. 1实验研究装置及测试方法新型板翅式冷凝蒸发器单元试样的结构如图1所示. 其中间为冷凝通道, 两侧为蒸发通道.