降膜式换热设备具有高效蒸发、结构经凑、传热温差小、液体充注量少等特点而被广泛运用。目前水平式降膜蒸发器大多数采用水平圆管,虽然迎流面积大,但在很多情况下不能满足节能要求,如何既能在减小流动、形状阻力的同时又可以起到强化换热的效果,是目前国内外研究的重点。因此研究开发有节能降耗效果的高效低阻强化换热元件具有重要意义。将上半圆下半椭圆的换热管即半椭圆管,代替传统的水平圆形换热管,首先既能够增大单位截面内的换热面积,又降低了涡流对流体产生的形状阻力,使换热更加稳定;其次管外液体在管壁流动时较圆管稍快,且可以获得更均匀更薄的液膜;另外传热管下半部分的半椭圆管可以加速液滴间融合,提高流体在壁面的排液速度,与圆管相比液膜厚度薄,有利于提高换热效率,从而提高蒸发效率。本文通过实验研究和数值模拟两方面进行详细的分析。搭建降膜管实验平台,通过图像数字化处理技术分别完成在不同管型(圆管、半椭圆管、椭圆管);不同喷淋量(0.013 L/min~0.21 L/min);不同布液高度Η(5 mm~35 mm);不同管间距S(5 mm~30 mm)下的液膜变化情况研究。同时通过数值模拟对半椭圆水平降膜管的传热特性进行研究。分析在不同半轴比E=1、3、5、7、9、11下液膜流动情况、温度场分布、速度场分布以及平均局部传热系数、平均努塞尔数的变化情况,得到半椭圆水平降膜管最优结构参数。将CFD模拟结合正交试验设计确定最优半椭圆水平降膜管的运行参数(蒸发温度、喷淋量、传热温差、布液高度、管壁粗糙度)。为后续设计研发新型半椭圆换热器奠定了理论基础。实验结果表明:(1)通过实验采用图像数字化处理技术得到降膜过程的气液界面线,以及降膜管液膜厚度随管壁周向角变化情况。其中圆管的实验值和理论值相比较,误差小、吻合度较好。图像数字化处理技术可运用于膜厚研究。(2)在相同工况下,实验对比了圆管、椭圆管、半椭圆管液膜厚度随管壁周向角变化情况以及平均液膜厚度变化情况,呈现出椭圆管较厚,圆管次之,半椭圆管最薄的分布规律。(3)随着喷淋量的增加,半椭圆管的液膜厚度先增加后变小;随着布液高度的增加,半椭圆管的液膜厚度逐渐变薄;随着管间距增加,半椭圆管的液膜厚度逐渐变薄。(4)实验中对于截面周长为79 mm,长短轴比为2.1的半椭圆管喷淋量为0.14 L/min附近、布液高度H小于15 mm、管间距S小于20 mm,液膜稳定性最好且周向角在0°~180°之间,液体不易堆积,有利于充分换热,提高换热效率。模拟结果表明:(1)在不同长短半轴比下的相同工况进行模拟,分别分析了液膜厚度的变化、速度场、温度场及传热特性最终得到模拟实验范围内半轴比E在3-7之间具有相对最优的传热特性,其构造可有效改善管外膜内液体的流动,使液膜厚度减小,膜内流动速度较快。(2)对比实验数据验证模拟计算的可行性,同时对网格无关性进行检验。实验数据与模拟数据相差2.7%,该模型的模拟可行性良好;网格的数目对模拟结果来说影响不大。(3)结合数值模拟与正交试验设计相结合研究了半椭圆水平降膜管最优运行参数,结果表明影响因素的主次顺序为蒸发温度>喷淋量>传热温差>布液高度>管壁粗糙度。(4)对于最优半轴比E=5的半椭圆单管的最优水平组是喷淋量2 m/s、布液高度15 mm、传热温差10℃、蒸发温度40℃、管壁粗糙度1.5。