竖直螺旋槽管强化传热传质特性的研究-壁面几何形状对液膜流动特性的影响

    吸收式制冷设备及精馏塔等化工设备多利用管壁上形成小流量液体膜实现热量和质量的交换,如竖管壁的降膜和横管的喷淋。然而,由于表面张力的作用和液体在光滑管壁上的流动特征,初始形成的液膜产生收缩而不能形成覆盖全表面的液膜,使管的传热效率下降。在这种情况下,工程上多用增加管数以增加换热面积来解决。螺旋槽强化传热管壁是利用竖管管壁表面的刻槽产生的液体表面应力平衡的改变和流体在越过槽间边界时的流体交汇,使得液体在管表面得到最大程度的润湿以得到外管壁上覆盖全表面的液膜[1-2]。自Nusselt开创对光滑的柱面管壁在冷凝和蒸发时的传热传质特性研究以来,Gregorig首先对轴向直槽竖管壁的研究结果表明其确有明显的强化传热效果,但其强化传热机理仍然不清楚。一般认为是管壁槽的几何形状克服了表面张力对传热传质的影响,但从理论到试验均无证明。Mori[3],Webb[4]和Honda[5]只考虑了轴向直槽竖管壁的冷凝过程,认为在槽边缘存在薄液膜而在中心存在厚液膜。没有给出温度和速度分布的表达。Sideman等在假设轴向流量为常数且表面张力很小时得轴向速度解[6-8]。本文进行了螺旋槽竖管的降膜形成及流动特性的首次探索,建立了描述该管壁传热过程的拟线性模型,得到了薄液膜的厚度和速度分布的解析解。并且,研究了螺旋槽道的几何形状、几何尺寸的改变对液膜厚度分布的影响。

    1　基本方程和求解

    本文认为螺旋槽道内的液膜流动为重力驱动的低流速、不可压缩的粘性层流,其基本假设是:

    (1)液膜厚度远比最小的几何尺度小。

    (2)液膜流动的雷诺数很小,可以忽略惯性力的影响。

    (3)流动是稳态小雷诺数的,可以忽略Navier-Stokes方程的对流项和耗散函数。

    (4)流动基本特性由基本方程的主项控制。

    (5)液体密度和粘度为常数。

    (6)在液体表面上的环境压力为常数,且表面传质由液体内的传热特性控制。

    螺旋槽管的几何形状如图1所示。流体由管的顶部在重力作用下通过一个狭缝进入螺旋管槽道,槽道中的流体可以越过其边界进入相邻的下层槽道。槽道的横截面可以是任何几何形状,在与螺旋线切向垂直的截面上的截线在该截面上的曲线方程为:

Y*s=f(X*s) (1)

    并且

d(Y*s)/d(X*s)=f′(2)

    为了方便求解,对方程和参数进行无因次处理:

    式中,主要参数的含义见正文后。

    忽略含δ,∈ 的小项,得连续方程:

    动量方程:

    能量方程:

    由边界条件: