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蒸发冷却技术广泛应用于石油、化工、能源、制冷、空调及冶金等工程领域,研究、发展和应用蒸发冷却技术将带来巨大的经济和社会效益。蒸发式冷凝器正是一种应用蒸发冷却技术的高效节能节水换热设备,传统的蒸发式冷凝器均为管内冷凝,管外为空气与水,这种横向盘管技术已有多年的历史,至今没有发生实质性的变化。本文在其基础上,提出了已获得授权的立式蒸发式冷凝器技术,从结构上改变了传统的盘管形式,实现蒸汽管外冷凝,不仅解决了冷凝过程需要大空间的问题,而且克服了盘管管程长造成排液速度慢和管内压降大导致损耗高等缺点。具体研究内容如下：
为准确描述竖管内空气-水的流动过程,采用VOF(Volume of Fluid)法建立了其计算模型,模型中考虑了在动量方程中加入界面剪应力源项和表面张力源项,提高了模型的计算精度；探讨了气相的流动方向、波纹管尺寸、表面张力、液相流速及气相流速等因素对竖管内多流相流动的影响,并在此基础上提出了改善水膜润湿效果的有效方法。在上述流场模型的基础上,通过UDF(User Defined Function)加入空气-水相间传质源项,建立了竖管内空气-水顺流的非饱和蒸发传热传质计算模型,模拟结果表明,在总传热量中约80％被水膜吸收,而仅有20％的热量通过空气-水相界面导致水蒸发和空气温度上升；空气-水相界面处的换热形式包括水蒸发引起的潜热换热和温度梯度引起的显热换热,前者占85％以上；空气-水相界面处的蒸发潜热主要受空气的相对湿度影响,进口空气流速次之,冷却水的流量影响最小。在搭建的实验平台上对模拟结果进行了验证,实验结果和模拟结果基本一致,说明本文建立的模型和采用的方法正确,计算结果可靠。
建立了竖管内水膜流动的可视化实验平台,借助现代测试手段-高速摄像仪,研究了各因素对水膜流动的影响,分析了水膜的流动对空气-水非饱和蒸发传热传质强化的影响并获得了实现水膜均匀分布的有效手段。实验结果表明,喷嘴和分水器对竖管内水膜的分布有着重要影响,分水器不仅能促进水膜的均匀分布,而且减少了水膜偏流；在实验范围内,螺旋线的最佳参数范围为：30°<θs<60°,ds/di=0.06～0.29,能够起到强化竖管内非饱和蒸发多相流传热传质的作用；过大的喷淋水量或进口空气流速都会导致液泛的产生,选择合理的喷淋水量和进口空气流速有利于增大换热面的润湿面积及增大空气-水之间传热传质的速率；最后得到了液泛的计算关联式,为立式蒸发式冷凝器的优化设计提供参考和理论依据。
根据上述数值模拟与可视化实验的优化结果,采用立式蒸发式冷凝器代替电站系统中的主要耗电耗水设备-凝汽器与冷却塔,模仿电站水蒸汽的冷凝过程,首次设计并搭建了电站中应用立式蒸发式冷凝器的实验测试系统,同时借助红外热像仪,对影响其传热传质和流阻的四个重要因素进行了实验研究,包括：冷却水喷淋密度Γ、进口空气流速uG,in、空气湿球温度Tb和空气相对湿度ψ,为立式蒸发式冷凝器在电站中的应用提供了可行性参考。实验结果表明：空气湿球温度对立式蒸发式冷凝器换热性能的影响最大,各因素影响的强弱顺序为:Tb>ψ>uG,in>Γ；在本实验范围内,立式蒸发式冷凝器最佳的运行参数范围为：Γ=0.19～0.21kg·m-1·s-1,uG,in=1.8～2.1 m·s-1;立式蒸发式冷凝器的传热过程包括四个互相串联的热阻：水蒸汽的凝结换热热阻Rko、管壁的导热热阻Roi、水膜的对流换热热阻Riw和空气-水的界面热阻Rwα,各个热阻的大小顺序为：Rwα>Riw>Rko>Roi;采用插入螺旋线或波纹结构可增强相界面波动,不仅有效降低了空气-水相界面的热阻,而且强化了空气-水的传质效率。
最后,对圆管、插有螺旋线圆管和波纹管三种管型的立式蒸发式冷凝器进行了传热传质强化实验研究。结果表明,波纹管的传热性能优于圆管和插有螺旋线圆管,虽然略微增加了流动阻力,但能较大地强化了多相流的传热传质过程；并在此基础上,采用回归分析法得到了管内水膜传热系数αw、空气对流传热系数αwα和传质系数Km的计算关联式,为立式蒸发式冷凝器的工程应用提供了参考依据。
本文以竖管内非饱和蒸发多相流传热传质强化为研究对象,依托于立式蒸发式冷凝器,利用数值模拟和实验研究相结合方式,借助现代测试手段-高速摄像仪和红外热像仪,深入分析了竖管内非饱和蒸发多相流传热传质强化机理,得到了实现水膜均匀分布和强化竖管内多相流传热传质的有效手段,不仅为立式蒸发式冷凝器的工程应用奠定了基础,而且丰富了蒸发冷却技术研究的理论体系。