豎直圓管管內(nèi)R113降膜流動與蒸發(fā)換熱特性數(shù)值模擬.pdf

1、工業(yè)余熱量大、質(zhì)低、分布廣，特別是在鋼鐵、有色金屬冶煉、水泥、輕工、煤炭等行業(yè)，而工業(yè)余熱回收利用率低是我國能源利用率低的主要原因，所以研發(fā)高效余熱利用技術(shù)是節(jié)能減排的重要途徑。目前對于高品質(zhì)余熱（溫度>250℃）的利用技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，而對于溫度為60℃~200℃的低品質(zhì)余熱的回收利用方面的研究較少。降膜蒸發(fā)技術(shù)以其小傳熱端差、高傳熱效率被廣泛應(yīng)用于化工、余熱回收領(lǐng)域，本文針對低品質(zhì)余熱特性，采用CFD數(shù)值模擬的方法，研究低沸點有機工

2、質(zhì)R113在豎直圓管管內(nèi)降膜流動和換熱特性，為開發(fā)設(shè)計應(yīng)用于低品質(zhì)余熱回收利用的有機工質(zhì)降膜蒸發(fā)器提供指導。
　　本文以采用環(huán)形插件式布膜器的豎直圓管作為研究對象，建立二維幾何模型，利用FLUENT軟件，對有機工質(zhì)R113在管內(nèi)降膜流動及蒸發(fā)換熱的非穩(wěn)態(tài)過程進行了數(shù)值模擬研究。其中，氣-液兩相流的相互作用采用 VOF模型，同時選用幾何重建（Geo-Reconstruction）技術(shù)捕捉兩相交界面，壓力-速度耦合采用PISO算法，并

3、通過加入udf程序模擬R113表面蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)過程。本文的主要研究內(nèi)容分為R113的冷態(tài)成膜數(shù)值模擬和熱態(tài)蒸發(fā)換熱數(shù)值模擬兩部分。冷態(tài)成膜數(shù)值模擬主要研究了R113穩(wěn)定成膜時的液膜分布和速度分布特性，并模擬研究了噴淋密度、管長、管徑和布膜環(huán)形間隙對管內(nèi)液膜成形及膜厚分布的影響。研究結(jié)果表明：液膜流動沿管長方向由穩(wěn)定發(fā)展為波動，膜厚由均勻變?yōu)楹癖〗惶?，沿流動方向速度逐漸增大，且增加趨勢逐步變緩。噴淋密度越大，膜厚越大，且噴淋密度大于1.0

4、62 kg/m·s時R113能夠穩(wěn)定成膜；在一定噴淋密度下，不同管長、管徑和布膜環(huán)形間隙時液膜穩(wěn)定段厚度相等；同時，管徑越小，液膜流動越穩(wěn)定，當小于某個值時，膜厚沿壁面均勻分布，存在最佳降膜管徑；液膜波動隨著管長增大而增強，管長大于1.2 m后液膜下段出現(xiàn)飛濺而無法濕潤壁面；環(huán)形間隙越小，液膜波動越強，減小到1.2 mm之后R113無法完整成膜。熱態(tài)蒸發(fā)換熱數(shù)值模擬主要在冷態(tài)成膜的基礎(chǔ)上模擬研究了R113降膜蒸發(fā)換熱特性，并分析了熱流密

5、度、R113入口溫度以及噴淋密度對管內(nèi)液膜的溫度分布及換熱系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：在加熱壁面過程中，液膜溫度逐漸上升，且上升速度逐步加快，液膜表面溫度和壁面溫度同步變化，均沿管長方向慢慢增大，而氣相溫度與之變化相反。低噴淋密度下容易出現(xiàn)干燒現(xiàn)象，導致壁面溫度飛升，隨著噴淋密度增大，壁溫和液膜表面溫度逐漸降低并趨于均勻，換熱系數(shù)逐漸減小，但趨勢變緩，綜合考慮存在最佳降膜蒸發(fā)噴淋密度。熱流密度q對R113的管內(nèi)降膜蒸發(fā)換熱影響顯著，壁溫和