大型煤化工、钢铁等行业对氧氮为代表的工业气体需求持续增长,促进低温空分装备向大型化、低能耗化和智能化方向发展。主冷凝蒸发器作为空分装置中的关键设备之一,提升其换热性能对于空分系统整体的节能具有重要意义。当前,主冷强化传热的研究主要集中在液氧蒸发侧,氮蒸汽冷凝侧的研究相对缺乏。低温下冷凝侧热阻与蒸发侧相当,因此采用有效的冷凝传热强化方法对于提高主冷换热器的性能具有同等重要的作用。强化冷凝传热主要是研制各种强化换热的表面,肋表面可有效提高冷凝换热效率,该方法已在多种常规流体冷凝中得到验证和应用。然而由于低温工质与常温工质物性的差异以及冷凝工况的差异,肋表面在低温冷凝强化中的适用性及传热效果需要进一步研究。受限于低温试验对绝热、密封要求较高,低温测量难度较大,数值模拟软件模拟低温相变收敛困难等难点,低温冷凝强化的实验数据仍然缺乏,仅有早期针对列管式冷凝蒸发器的纵槽管强化冷凝传热研究。如今列管式冷凝蒸发器已普遍被板翅式换热器所取代,因此,可以考虑通过在换热表面和扩展表面(板翅式换热器中翅片)都可加工的微小尺度肋片来实现冷凝性能的进一步提升。为揭示肋片强化低温冷凝微观的传热与流动机理,探索肋表面强化冷凝换热效果与肋几何尺寸的关系,本文主要开展了以下工作:1、通过数值计算比较了平板表面和肋表面的冷凝换热性能,验证了肋表面对强化氮冷凝的有效性。基于ANSYS FLUENT建立了竖直方向平板和肋板氮蒸汽冷凝的三维模型,利用多相流VOF模型追踪气液界面,引入表面张力CSF模型考虑在重力和表面张力的共同作用下冷凝液的流动情况,并与实验结果进行了对比验证。在1.5 K的冷凝传热温差下,肋表面(H=0.6 mm,P=1 mm)的平均换热系数约为平板表面的2.6倍。2、通过分析肋表面氮蒸汽冷凝的热力学过程,从微观角度揭示了肋片强化低温冷凝的传热与流动机理。在前期建立的数值模型基础上,进一步定量分析了界面面积、液膜减薄及排液能力对低温冷凝的影响,主要考察了液膜厚度分布、传热系数分布及速度分布等。结果表明:液膜减薄是强化冷凝传热最主要的因素,相比之下肋片引起的界面面积增加对强化冷凝传热的贡献几乎可以忽略不计;液膜较薄的波峰区域是传热的主要区域,液膜较厚的波谷区域是排液的主要区域。3、以氮为工质进行了低温冷凝强化实验研究,验证了数值模型的有效性,探索了肋表面强化冷凝换热效果与肋几何尺寸的关系。设计搭建了换热表面可拆换的低温冷凝测试实验平台,获得了不同强化表面的传热数据,分析了肋高、节距、温差及肋型对传热系数和冷凝负荷的影响。在实验工况范围内,肋表面平均传热系数是平板表面的2-8倍,肋表面(H=0.3 mm,p=2 mm)冷凝传热性能最佳,对肋强化结构的实际应用及优化设计具有重要的指导意义。