基于CFD分布参数模型的水平管降膜蒸发器中的二次蒸汽流动特性及传热效应

《Desalination》：Secondary steam flow characteristics and heat transfer effects in a horizontal tube falling film evaporator based on CFD-distributed parameter model

水平管降膜蒸发器次蒸汽流动效应及三维耦合模型研究。采用分布参数模型与CFD耦合方法，揭示次蒸汽在管束间的压力分布、流速场及对有效温差ΔT_eff的影响机制。通过实际双流程蒸发器案例验证，发现次蒸汽导致局部ΔT_eff损失高达56.04%，平均ΔT_eff降低17.32%，并影响总产水量。创新性提出"流动中心"概念，量化次蒸汽与显热温差、管柱数量的耦合效应，建立热力学参数相对变化率指标。

　　本研究聚焦于低温度多效蒸馏（LT-MED）系统中的水平管降膜蒸发器（HTFFE），通过建立一个三维分布参数（DP）模型，结合计算流体动力学（CFD）方法，提出了一个创新的模拟方法。该方法充分考虑了蒸发器内部、外部以及管间流体的流动与传热过程，从而解决了以往研究中对二次蒸汽流动过程计算不准确或过于简化的不足。研究以一个实际的两程HTFFE为案例，揭示了管间压力、二次蒸汽速度以及其他热参数的分布情况，并定义了“二次蒸汽流中心”这一概念。结果显示，超过70%的二次蒸汽通过管束的侧边界流出。研究进一步阐明了二次蒸汽如何影响蒸发器性能的机制：管间压力的增加会导致海水温度上升，从而降低有效传热温差（ΔT_eff），进而引起管束沿长度方向的热参数不均匀性。在不同的表观传热温差（ΔT_ap）和总管列数条件下，对二次蒸汽流动对ΔT_eff的影响进行了量化分析。结果表明，在特定条件下，ΔT_eff最大可降低17.32%，而局部损失甚至可达56.04%。此外，研究还定义了局部和整体的热参数相对变化率指标，表明局部ΔT_eff损失主要发生在每个程中靠近加热蒸汽出口的区域，而二次蒸汽流动虽然提高了整体传热系数，却同时降低了平均ΔT_eff和总产水量。

HTFFE作为一种高效的热交换设备，在海水淡化、制冷和化工等领域广泛应用。其特点在于具有较高的相变传热系数，能够有效利用温差，尤其适用于小温差条件下的热能回收。因此，HTFFE成为LT-MED系统中的核心设备。然而，在LT-MED系统中，局部传热恶化甚至传热失效的现象可能时有发生，而二次蒸汽流动是这一现象的重要影响因素之一。二次蒸汽在管外生成，导致局部压力升高，从而提高液膜的饱和温度，使得管内高温蒸汽与管外低温海水之间的温差发生变化。这种对传热的负面影响在HTFFE的表观传热温差通常为1.5–4°C的LT-MED系统中尤为显著。因此，准确理解二次蒸汽流动对蒸发器性能的影响，对于指导蒸发器的设计和优化具有重要意义。

目前，模拟蒸发器性能的主要方法包括集总参数（LP）方法和分布参数（DP）方法。早期研究多采用LP方法，其优势在于计算成本较低，适合多效蒸发系统中对蒸发器的动态监测。然而，这种方法在准确反映蒸发器内部参数分布方面存在挑战。因此，DP方法被更多地用于研究蒸发器内部参数的分布情况。例如，Yang和Wang基于有限差分分析，在大型压缩制冷系统中建立了三维HTFFE模型，计算了光滑管和强化传热管内外的传热系数，并获得了整体传热情况，但未考虑管内外的流动阻力。Hou等人则建立了HTFFE的DP模型，与Yang和Wang的研究相比，该模型被简化为二维模型。虽然计算了管内蒸汽流动阻力的影响，但未考虑管间二次蒸汽流动过程。随后，Gong等人开发了一个两程HTFFE的三维DP模型，该模型考虑了管内蒸汽和管外海水的流动与传热过程，以及二次蒸汽流动过程。值得注意的是，Gong等人的研究是首个在模拟蒸发器性能时考虑二次蒸汽流动过程的，为蒸发器整体性能的模拟提供了全面的空间分布信息，表明压力峰值出现在蒸发器中心附近的第一程第一排管子处。然而，该模型对二次蒸汽流动方向的处理较为简化，仅考虑沿管排和管列方向流动，因此无法准确反映速度和压力场的连续变化。

此外，Cao等人基于DP方法计算了蒸发器某些参数的空间分布，包括传热系数、海水盐度和蒸发速率。该模型仅考虑了管内蒸汽流动和管外海水的降膜蒸发传热过程，未涉及二次蒸汽的影响。相比之下，Gong等人的研究是唯一一个在模拟整个蒸发器性能时考虑二次蒸汽流动过程的，但模型中存在过多的简化，导致二次蒸汽的速度和压力场之间出现脱节。

在本研究中，大多数针对整个蒸发器性能的模拟研究要么忽略了二次蒸汽流动过程，要么依赖于过多的假设。然而，二次蒸汽对水平管外的降膜流动和蒸发过程具有显著影响。已有研究主要关注共流、逆流和横向流动的气体对液膜流动和传热的影响。通过综述，Zhao等人和Wan与Li指出，气体流动对液膜的稳定性有重要影响，改变了液膜厚度分布，从而影响传热效果。

共流气体流动通常会降低整体液膜厚度，或仅降低液膜在管子上半部分的厚度，同时增加液膜的扰动。然而，关于共流流动对传热的影响仍存在争议。Zhao等人指出，共流蒸汽流动通过减薄液膜和加速液膜流动，提高了液膜上半部分的传热效果，但同时减弱了下半部分的传热效果。Tahir等人则认为，共流蒸汽流动导致的液膜减薄虽然提高了传热效果，但也可能引发局部干涸。Louahlia-Gualous等人提出，共流空气流动会减弱喷射撞击区的传热效果，因为涡流的存在会减缓液膜流动。Ribatski和Thome则指出，在使用R134a的降膜蒸发实验中，共流蒸汽流动对液膜分布和传热的影响并不显著。

对于逆流气体流动的研究表明，逆流气体流动对流动模式转变、液膜厚度分布和传热效果具有显著影响。逆流气体流动通常被认为通过增加液膜流动的不稳定性，从而影响流动模式的转变。Li等人通过数值方法研究指出，逆流空气流动显著影响流动模式转变的临界雷诺数。Lee等人认为，逆流空气流动会改变稳定的柱状流动为不稳定的液滴流动。Ruan等人观察到，在某些逆流气体流速条件下，液膜难以维持稳定的流动状态。

逆流气体流动通常会增加整体液膜厚度，或仅增加液膜在管子下半部分的厚度，同时液膜最薄的位置向上移动。然而，Zhang和Zhou通过实验观察到，逆流空气流动会增加液膜在管子上半部分的厚度，同时减少下半部分的厚度。

当前研究普遍认为，逆流气体流动会增强管外的降膜蒸发传热效果。Zhao等人指出，逆流气体流动会增强液膜分离区（150°–180°）的扰动，从而提高该区域的传热效果，对其他区域的影响则不显著。Lee等人则表明，逆流气体流动通过增加液膜的温度梯度，提高了传热效果。同时，逆流气体流动也可能导致局部干涸。

对于横向流动气体的研究主要集中在液滴剥离和携带现象及其对传热的负面影响。Yung等人指出，当横向蒸汽流速超过临界值时，液膜将被剥离并携带出去。Ilyushchenko等人认为，携带的液滴数量与蒸汽流速和液滴直径有关。Bennett等人在实验中观察到了R-11的液滴携带现象，该现象会减少液膜厚度并增强传热效果。此外，Yang等人指出，液滴携带量可能因接触角的不同而有所变化，并可以通过其动态接触角模型进行求解。Zhao等人提出，横向蒸汽流动会促使R123的流动模式从柱状流动转变为柱-膜流动，并伴随液滴携带，增加液膜厚度分布的不均匀性。同时，蒸汽流动还会导致液膜在管子下半部分的堆积，从而降低传热系数。此外，横向蒸汽流动在低喷雾密度条件下可能引发局部干涸。Zhao等人进一步指出，横向蒸汽流动的影响与蒸汽流速、喷雾密度和液膜位置密切相关。

值得注意的是，本节中的大多数数值研究集中在单管配置上，仅有少数涉及小管束。这些模型通常忽略了管侧冷凝与壳侧蒸馏之间的耦合关系。因此，建立一个能够同时考虑管侧和壳侧流动与传热耦合关系的模型，对于准确模拟HTFFE的整体性能具有重要意义。

通过DP方法，可以模拟整个HTFFE中热力学参数的空间分布。然而，当前的性能模拟模型在计算二次蒸汽流动时仍存在不足。与此同时，CFD方法虽然能够提供更高的计算精度，但由于蒸发器尺寸较大且涉及复杂的多相流和传热过程，CFD模拟在工程应用中成本较高，难以推广使用。因此，本研究旨在提出一种兼顾模拟精度与计算效率的方法，以模拟整个HTFFE的性能，同时考虑二次蒸汽流动过程。该方法结合了DP方法的计算效率与CFD方法的高精度，用于计算管间二次蒸汽的速度和压力分布。此外，该方法还耦合了管内、管外以及管间流体的流动与传热过程，以获得热参数和HTFFE性能的空间分布情况。这种混合方法为HTFFE的性能模拟提供了新颖且可行的解决方案，尤其适用于需要考虑二次蒸汽流动的工程应用。

在本研究中，模拟条件基于一个实际运行的蒸发器。实验参数包括蒸汽进料流量为79.25吨/小时，蒸汽进料温度为66°C，海水进料流量为220吨/小时，海水进料温度为57.8°C，海水进料盐度为32克/千克，饱和蒸发温度为63.5°C，表观传热温差为2.5°C。此外，还对表观传热温差为3°C和3.5°C的蒸发器性能进行了模拟和分析。通过这些实验数据，可以更准确地评估二次蒸汽流动对HTFFE性能的影响，从而为蒸发器的设计和优化提供科学依据。

本研究的创新点在于将DP模型与CFD方法相结合，建立了一个三维模型，用于模拟HTFFE的性能。该模型考虑了二次蒸汽流动过程，并能够反映蒸发器内部、外部以及管间流体的流动与传热耦合关系。通过实际运行数据的验证，该模型在十效HTFFE系统中表现良好。研究还分析了三种可能的二次蒸汽速度和管间压力分布情况，揭示了二次蒸汽流动对传热效果和产水量的影响机制。这些分析结果表明，二次蒸汽流动不仅提高了整体传热系数，同时也降低了平均ΔT_eff和总产水量。因此，准确模拟二次蒸汽流动对HTFFE性能的影响，对于提升蒸发器的运行效率和经济性具有重要意义。

在实际工程应用中，HTFFE的性能受多种因素影响，包括二次蒸汽流动、液膜厚度分布、传热系数以及蒸发器的几何结构。通过本研究的模型，可以更全面地评估这些因素对蒸发器性能的影响，并为优化设计提供参考。例如，研究发现，二次蒸汽流动对管间压力分布和液膜厚度分布具有显著影响，同时在某些条件下，二次蒸汽流动可能导致局部传热恶化或失效。因此，有必要在蒸发器设计中充分考虑二次蒸汽流动的影响，并通过优化流道结构和流动条件，提高传热效率和产水量。

此外，本研究还定义了局部和整体的热参数相对变化率指标，用于量化二次蒸汽流动对热参数分布的影响。这些指标表明，局部ΔT_eff损失主要发生在每个程中靠近加热蒸汽出口的区域，而整体ΔT_eff的降低则反映了二次蒸汽流动对蒸发器整体性能的综合影响。因此，通过这些指标，可以更准确地评估二次蒸汽流动对蒸发器性能的影响，并为蒸发器的设计和优化提供科学依据。

综上所述，本研究通过建立一个三维DP模型，结合CFD方法，提出了一种新的模拟方法，用于模拟HTFFE的性能，同时考虑二次蒸汽流动过程。该方法不仅提高了模拟的准确性，还降低了计算成本，为实际工程应用提供了可行的解决方案。研究结果表明，二次蒸汽流动对HTFFE的性能具有显著影响，特别是在表观传热温差较低的情况下。因此，未来的研究应进一步探索二次蒸汽流动对HTFFE性能的影响机制，并结合实验数据和数值模拟，优化蒸发器的设计和运行条件，以提高其运行效率和经济性。