综述：当前降膜蒸发器中强化传热传质的研究方法

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Current approaches to improving heat and mass transfer in falling film evaporators

　　# 摘要在全球能源需求持续增长以及遏制温室气体排放的环境法规日趋严格的双重驱动下，工业热系统的优化已成为一项迫切的必需工作。众所周知，传统淹没式蒸发器广泛应用于制冷、海水淡化、乳制品生产和化工处理等工艺过程，但其在运行过程中需要消耗过量的能源（热量、电力、蒸汽等），并且对制冷剂充注量有极大的需求。这种高能耗需求进而导致温室气体排放增加，从而加剧全球变暖潜力。为了在蒸发器的制造和运行等各个阶段都将环境影响降至最低，迫切需要具有高传热性能能力的传热技术。膜式蒸发器（FFE）凭借其高传热系数、减少的流体充注量和可忽略的压力降，已成为一项备受瞩目的优选方案。因此，确定膜式蒸发器的最佳运行条件已成为研究者关注的重点热点。本综述系统地考察了近期关于水平管膜式蒸发器的实验和数值研究进展。超越时间顺序的文献总结，本综述阐明了支配液膜流体力学、局部干涸现象和沸腾转变的基本物理机制。此外，本综述还批判性地评估了管表面改性、复杂空气动力学相互作用和管束布置的影响。本综述从局部微观流动行为跨越至宏观预测关联式，指出了该领域的知识空白，并为研究人员提供了针对下一代高效膜式蒸发器的最佳设计的全面指南。# 引言在过去的一个世纪中，商用换热器在种类和容量方面经历了显著的发展，其设计具有高度的能源效率，以满足不同领域更经济的运行条件[1]。为了在换热器中实现更低的生产和运营成本，主要追求的特征按重要性排序依次为：高传热系数、降低的压力降以及逆流布置[2]。在管子外表面使用翅片可以通过提高传热效率来设计更紧凑的换热器。此外，在管内使用光滑或螺旋翅片、扭曲带、线形插入件以及将人工粗糙度应用于管表面等措施可以提高传热系数[3]。换热器根据其构造可分为管式、板式、扩展面式和回热式。管式换热器可细分为四大类：套管式、壳管式、螺旋管式和盘管式。被广泛使用的壳管式换热器可分为横流管和并流布置[4]。换热器具有多种应用领域，主要涉及冷却[5]、[6]、加热[7]、[8]、化工过程[9]、[10]、食品工业[11]、[12]以及水处理[13]、[14]等，具体取决于其运行状态是单相还是两相流。制冷领域使用的壳管式换热器要么作为蒸发器，要么作为冷凝器[15]、[16]。壳管式蒸发器主要被设计为三种不同类型：淹没式[17]、膜式[18]和干式膨胀式[19]。水平管膜式蒸发器在学术界和工业界都备受关注。与淹没式蒸发器相比，它们具有更低的压力损失[20]和更优的传热[21]性能。因此，它们被广泛用于需要高传热的领域，特别是在制冷和海水淡化过程中。与仍然被广泛使用的池沸腾蒸发器相比，膜式蒸发器（FFE）提供了引人注目的热力学和经济效益，这使其在工业部门中日益重要并受到青睐。在其最显著的优势中，极高的传热系数使得能够制造出更为紧凑且更具成本效益的蒸发器，在实现相同热负荷的同时，显著降低了初始投资和运营成本[22]。此外，FFE所需的制冷剂充注量要小得多[23]。从热力学角度看，制冷剂与管表面之间的温差被最小化，从而产生更高效的循环[24]、[25]，同时具有系统特征性的较低压力降[26]。尽管具备这些强大的优势，但FFE的运行条件本身也带来了若干严格的限制。最基本的不利之处在于，如果蒸发器管上存在干斑，传热性能会严重恶化。因此，为了确保管表面的完全润湿，必须持续维持超过临界雷诺数的足够质量流量[26]。因此，需要一种优异的液体分配器，以保证所有管子上的流体均匀分布[27]。此外，高速蒸汽流会破坏液膜，导致膜厚度的剧烈波动[28]。鉴于这些与严格运行限制交织在一起的强大优势，理解FFE的基本工作机制并确定其最佳运行条件已成为一项关键的工程必然要求。尽管迄今为止已发表了一些关于FFE的综述文章，但这些开创性研究通常倾向于集中于特定的、孤立的领域（例如，仅关注经验关联式或数值方法）。在文献中，将微观液-气界面相互作用与宏观蒸发器设计联系起来的全面综合仍然稀缺。因此，本研究旨在系统地阐明并批判性地交叉比较支配液膜流体力学、沸腾转变和局部干涸现象的基本热物性机制，这些机制决定了蒸发器的性能。通过分析性地评估管表面改性和复杂空气动力学相互作用对传热性能产生的协同效应，本综述提供了通向为下一代高效膜式蒸发器建立最佳设计标准的全面、基于机制的路线图。## 章节摘要### 流动动力学与润湿机制液体在管间下降过程中的流体力学行为直接决定了蒸发器的传热性能。当液体在水平管之间向下流动时，流动受到重力、粘滞力和表面张力等复杂效应的作用。这些作用在管表面和管间液膜流上的力在图1[29]中详细图示。液膜流的流体力学特性及其微妙的连接### 关于膜式蒸发器及其对热力和水力性能影响的研究已经开展了大量研究以阐明膜式蒸发器的基本工作机制，主要聚焦于壳侧（管外）发生的传热和水力性能变化。这些研究旨在通过系统考察关键参数的影响——如管径、管间距、管束布置、分配器结构、液体喷淋密度、饱和### 结论迄今为止对膜式蒸发器开展的研究已被全面地研究，所获得的结果以下列要点形式呈现。**影响液膜水力和热力性能的因素：** 在膜式蒸发器中，液膜分布、波动特性、传热转变和局部干涸构成了决定传热阻力和系统稳定性的最关键物理机制。- (1) 为了理解传热### CRediT作者贡献声明**Sezer Sevim：** 撰写——初稿、验证、方法学、调查、概念构思。**Ali Yurdda?：** 撰写——审阅与编辑、监督、方法学、概念构思。### 利益冲突声明作者声明，他们没有已知的存在可能影响本论文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。Sezer Sevim | Ali Yurdda?