史維秀，李惟毅，談西峰，云海濤，潘利生

(天津大學(xué)熱能工程系，天津 300072)

冷凝器是熱力系統(tǒng)中主要的換熱設(shè)備，其主要作用是通過蒸汽的冷凝來釋放汽化潛熱，將熱量傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標，以滿足工藝流程上的需要[1]．冷凝器有多種類型，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、電力和核動力等行業(yè)．隨著能源緊缺的加劇，節(jié)能也越來越受到重視，如何實現(xiàn)設(shè)備的小型化和換熱的高效能顯得更為重要，這樣不僅有利于節(jié)省初投資更能節(jié)約能源[2-6]．

目前，國內(nèi)外強化殼程傳熱的方法主要有兩種：一種是通過對管子形狀或表面性質(zhì)的改造來改變流體在管壁處的流動方式和傳熱機理，從而達到強化傳熱的目的，這種方式主要有低肋管、波紋管[7-10]和翅片管等；另一種是采用低流阻殼程支承結(jié)構(gòu)，盡可能消除流體流動和傳熱的死區(qū)，使傳熱面積得到充分利用．由于冷凝器管外蒸汽凝結(jié)為膜狀凝結(jié)，膜狀凝結(jié)的熱阻主要存在于管壁的水膜中，其大小與水膜的厚度及水膜內(nèi)水的紊流程度有關(guān)．筆者主要從改變管子的表面結(jié)構(gòu)入手，對兩種新型的機械加工表面強化管進行研究；通過實驗測定相關(guān)參數(shù)并計算其總的傳熱系數(shù)，比較在全凝情況下與基本參數(shù)相同的光管的換熱強化效果，并比較兩種強化管在全凝與部分凝結(jié)時的換熱特性．

1 實驗介紹

1.1 實驗流程

實驗流程見圖1．主要由主測試容器(主冷凝器)、電加熱系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及冷卻器、測溫系統(tǒng)、后冷卻系統(tǒng)及可視化系統(tǒng)組成．主測試容器為管殼式換熱器，蒸汽走殼程，在管束外冷凝，冷卻水走管程．

圖1 實驗流程示意Fig.1 Experiment flow chart

測試過程保持在0.101 MPa(1,atm)下進行，U 形玻璃管壓差計一端與主測試容器內(nèi)的蒸汽空間直接相連，另一端直接與大氣接觸，保持壓差計的液位高度差在±5,cm 的范圍，從而調(diào)節(jié)并監(jiān)控測試工況的壓力；在蒸汽發(fā)生器上也安裝有真空壓力表來同步監(jiān)測蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力．實驗工況的調(diào)節(jié)主要是通過改變加熱功率和冷卻水流量，測試工況的穩(wěn)定性可根據(jù)數(shù)據(jù)采集器顯示的溫度值來監(jiān)控，溫度值變化在0.5,℃以內(nèi)維持約120,s 開始記錄數(shù)據(jù)，并取算術(shù)平均值作為計算溫度．每個工況如此連續(xù)測量2 次，以保證獲得可靠的測試數(shù)據(jù)．

溫度的測量均采用直徑約0.2,mm 的銅-康銅熱電偶，標定精度在±0.05,℃以內(nèi)；所有的溫度采集值均由HP-34970A 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄．冷卻水流量由LWGY 型渦輪流量傳感器配以LWF 型橫式顯示儀表來測量．加熱電壓和電流分別由T-25V 型和T-15A 型電壓、電流表監(jiān)測．

蒸汽發(fā)生器、主測試容器以及汽液分離器的外表面均用雙層25,mm 厚的橡塑保溫材料保溫，連通容器的蒸汽傳輸管道以及測溫溫包、閥門等管件也都做了保溫處理，以減少散熱損失，提高實驗的準確度．

冷凝介質(zhì)分別為水和質(zhì)量分數(shù)大于99.7%的分析純酒精，實驗工況為在不同的管徑、不同的管型和不同冷凝介質(zhì)下的換熱系數(shù)的測定．

1.2 實驗元件

實驗管的外徑分別為25,mm 和19,mm，有效冷凝長度為964,mm．強化管Ⅰ表面結(jié)構(gòu)為在螺紋槽表面加工波紋槽，同時內(nèi)表面有與外表面波紋槽對應(yīng)的凸起，因此強化管Ⅰ不僅可以強化管外凝結(jié)傳熱，同時管內(nèi)對流換熱也將得到加強；強化管Ⅱ外表面加工成棱柱狀凸起，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，詳細參數(shù)如表1 和表2 所示，兩種管子特殊結(jié)構(gòu)的機械加工技術(shù)成熟，成本較低，適宜生產(chǎn)推廣．

實驗管束在殼體內(nèi)的排列方式如圖3 所示．

圖2 強化管的表面結(jié)構(gòu)Fig.2 Surface structure of enhanced tubes

圖3 換熱管排列結(jié)構(gòu)Fig.3 Arrangement construction of heat transfer tube

表1 強化管Ⅰ尺寸Tab.1 Parameters of enhance tubeⅠ

表2 強化管Ⅱ尺寸Tab.2 Parameters of enhance tubeⅡ

2 實驗數(shù)據(jù)處理及實驗結(jié)果

2.1 換熱計算

根據(jù)文獻[11]中的流型參數(shù)Jsf判斷管外冷凝液膜流動狀態(tài)，當Jsf≥1.2 時為汽相剪力控制區(qū)，Jsf≤0.7 時為重力控制區(qū)．

通過對數(shù)據(jù)的整理得知，所有工況的Jsf值均小于0.2，為重力控制區(qū)．

采用文獻[11]中光管管束外重力控制區(qū)的冷凝液膜特征雷諾數(shù)的定義式，即

換熱計算采用從管內(nèi)向管外推算的方法，光管和強化管Ⅱ的管內(nèi)光滑，管內(nèi)換熱系數(shù)采用關(guān)聯(lián)式[12]

強化管Ⅰ由于在外加工時管內(nèi)會產(chǎn)生凸起，宜采用關(guān)聯(lián)式[11]

2.2 實驗系統(tǒng)的考核

為了驗證實驗系統(tǒng)的可靠性，以便于更準確地進行機械加工表面強化管的冷凝強化傳熱性能的測試，先采用光管在該系統(tǒng)中進行實驗．

圖4所示為管徑25,mm 的光管以水和酒精為冷凝介質(zhì)的測試結(jié)果．可以看出，在測試的特征雷諾數(shù)范圍內(nèi)，管外凝結(jié)傳熱系數(shù)的規(guī)律性較好．

圖4 實驗系統(tǒng)的考核測試結(jié)果Fig.4 Check test results of experiment system

2.3 實驗結(jié)果

2.3.1 全凝工況下機械加工表面強化管和光管的傳熱系數(shù)比較

以水為冷凝介質(zhì)，外徑為19,mm 的強化管和光管的管外凝結(jié)傳熱系數(shù)ho與特征雷諾數(shù)Re的關(guān)系如圖5(a)所示，總傳熱系數(shù)k與Re的關(guān)系如圖5(b)所示．

從圖5(a)中可以看出，在所測特征雷諾數(shù)范圍內(nèi)，管外凝結(jié)傳熱系數(shù)隨Re的增大有增長的趨勢，但變化不大，強化管Ⅰ和強化管Ⅱ的管外凝結(jié)傳熱系數(shù)分別約為光管的2.89 倍和1.75 倍．從圖5(b)中可以看出，隨著Re的增加，換熱管的總傳熱系數(shù)增加較快，換熱效果為強化管Ⅰ最優(yōu)，光管最差．強化管的總傳熱系數(shù)分別約為光管的1.89 倍和1.33 倍．

圖5 不同表面結(jié)構(gòu)的換熱效果Fig.5 Heat transfer effects of different surface structures

從數(shù)據(jù)分析中可知，機械加工表面強化管的特殊結(jié)構(gòu)對換熱的增強起到了決定性作用．強化管Ⅰ同時具有螺紋管與波紋管的優(yōu)點，外表面不僅具有細小的螺紋，且有比較寬的波紋槽，內(nèi)表面有螺旋形凸起．內(nèi)側(cè)凸起增強了管內(nèi)流體的擾動，使其紊流程度增加，邊界層減薄，熱阻減小，外側(cè)的冷凝液先在螺紋槽中流動，然后通過螺旋的波紋排液槽迅速排出，冷凝液的及時排走有效地使凝結(jié)液膜變薄，尤其是在螺紋的脊部，很大程度上增強了脊部的表面?zhèn)鳠幔沟每偟膫鳠嵝Ч罴眩畯娀堍虻某崞龃罅吮砻娴膿Q熱面積，加之液膜的表面張力，凝結(jié)液也能從細小的溝槽中排走，雖然相對強化管Ⅰ的排液量要小，但換熱仍要強于光管．在光管的冷凝傳熱中，由于凝結(jié)液無法及時排出，導(dǎo)致液膜變厚，增大了管外的傳熱熱阻，使總的傳熱系數(shù)較小．

2.3.2 全凝與部分凝結(jié)工況下機械加工表面強化管的凝結(jié)傳熱系數(shù)比較

在化工過程中，存在有部分凝結(jié)的工況，蒸汽冷凝出口干度一般在5%～20%范圍內(nèi)．以酒精作為冷凝介質(zhì)，進行全凝工況與部分凝結(jié)工況的傳熱特性比較．

外徑為19 mm 和25 mm 的機械加工表面強化管ho與Re的關(guān)系如圖6 所示．

從圖6 中可以看出，管徑19,mm 時，強化管Ⅰ和強化管Ⅱ在測量雷諾數(shù)范圍內(nèi)部分凝結(jié)傳熱系數(shù)分別是全凝工況冷凝傳熱系數(shù)的2.1～3.0 倍和1.5～2.0 倍；管徑25,mm 時，分別是全凝工況的2.0～3.0倍和1.8～2.5 倍．

部分凝結(jié)時，蒸汽的剪切力起重要作用，沒有凝結(jié)的蒸汽會給冷凝液膜一個軸向的剪切力，使凝結(jié)液滴較快地脫離換熱管，液膜變薄，因此部分冷凝的換熱效果要優(yōu)于全凝的工況．部分冷凝傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小，主要是由于雷諾數(shù)與冷凝蒸汽的平均干度(即冷凝器入口和出口的干度平均值)有直接關(guān)系，干度越大，蒸汽雷諾數(shù)越小．因此，隨著雷諾數(shù)的增大，蒸汽干度變小，即冷凝器出口的蒸汽量減少，從而蒸汽對凝結(jié)液膜的剪切力變小，冷凝液不能快速脫離管壁導(dǎo)致液膜變厚，表現(xiàn)為管外冷凝傳熱系數(shù)呈減小趨勢．

圖6 不同管徑不同冷凝工況下ho 的比較Fig.6 ho on different condensation conditions with different Fig. 6 diameters

雖然部分凝結(jié)在機組初運行時較難調(diào)試，但是工況一旦穩(wěn)定就可以持續(xù)運行下去，同時鑒于其傳熱效果優(yōu)于全凝工況，該冷凝方式的推廣應(yīng)用具有重要的節(jié)能意義．

3 管束實驗結(jié)果的可視化

圖7是采用水作為冷凝介質(zhì)時的管外冷凝照片，該圖像可以進一步解釋表面特殊結(jié)構(gòu)對換熱增強的影響：光管管束的表面冷凝液積聚，液膜較厚，凝結(jié)液在管外表面的流動方向受到蒸汽的影響而趨于軸向，流程增長，不利于換熱；強化管Ⅰ的管束表面含有排液槽，冷凝液可以及時從槽中排出，液膜較薄，在排液口有凝結(jié)液滴落形成的“液柱”；強化管Ⅱ管束有利于液體從細小的槽中排出，但由于槽較窄，凝結(jié)液在表面張力的作用下，在管的下部有一定的包角，低速時包角較大，隨著蒸汽速度的增加，使凝液容易下落，包角變小，致使管外凝結(jié)傳熱系數(shù)升高．

圖7 不同結(jié)構(gòu)表面的管外冷凝現(xiàn)象Fig.7 Condensation phenomenon outside tube with differ-Fig.7 ent structures

4 實驗數(shù)據(jù)的不確定度分析

實驗中測量的主要參數(shù)有溫度、流量和時間．由于測量中采用的測量手段和儀器不同，使得測量誤差也各有不同．

4.1 流量和溫度的不確定度

實驗中測量的流量分為2 部分：實驗段冷凝液的質(zhì)量流量(水和無水酒精)和冷卻水的質(zhì)量流量．

實驗段冷凝液流量的測量是采用“稱重法”，即測出時間間隔Δτ內(nèi)水的總質(zhì)量m，相除得到質(zhì)量流量，即

Δτ采用手動秒表計時，計時時間大于90,s；流量測量人手動作的反應(yīng)時間一般小于0.1,s．m 采用精度0.001,kg 的電子秤秤重，則冷凝液質(zhì)量的不確定度為

測量冷卻水流量的流量計經(jīng)過稱重法標定后誤差都小于儀器量程的1%，冷卻水質(zhì)量流量的測量的不確定度εm2小于1%．

溫度測量中的誤差主要來源于熱電偶自身的誤差，實驗用熱電偶的標定偏差為±0.05,℃．

4.2 管外冷凝傳熱系數(shù)的不確定度

管外冷凝傳熱系數(shù)的不確定度主要與總傳熱系數(shù)的不確定度εK、管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的不確定度εhi和管壁導(dǎo)熱熱阻的不確定εRw有關(guān)；εK主要來源于換熱量的不確定度εQ和管內(nèi)外傳熱溫差的不確定度εΔt1；εQ來源于εm2和冷卻水進出口溫差的不確定度εΔt2．

實驗過程中Δt1≥10 ℃，Δt2≥20 ℃，由紊流區(qū)傳熱經(jīng)驗公式計算得到＜ 5%，εRw= 0.5%，且

5 結(jié) 論

(1) 強化管Ⅰ和強化管Ⅱ由于表面的特殊結(jié)構(gòu)，強化傳熱效果明顯．采用水蒸氣作為冷凝介質(zhì)，管外凝結(jié)傳熱系數(shù)分別約為光管的2.89 倍和1.75 倍，總傳熱系數(shù)分別約為光管的1.89 倍和1.33 倍．

(2) 部分凝結(jié)換熱效果優(yōu)于全凝換熱．采用酒精作為冷凝介質(zhì)，管徑19,mm 時，強化管Ⅰ和強化管Ⅱ在測量雷諾數(shù)范圍內(nèi)部分凝結(jié)傳熱系數(shù)分別是全凝工況冷凝傳熱系數(shù)的2.1～3.0 倍和1.5～2.0 倍；管徑25,mm 時，分別是全凝工況的2.0～3.0 倍和1.8～2.5 倍．

符號說明：

P—螺旋波紋螺距，m；

ε —螺旋波紋管內(nèi)突起深度基本尺寸，m；

di—管內(nèi)徑，m；

do—管根部直徑，m；

μi，μw—分別為定性溫度和壁溫下的管內(nèi)流體動力黏度，(Pa · s)；

λi—定性溫度下管內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Nui—管內(nèi)流體的努塞爾數(shù)；

Rei—管內(nèi)流體的雷諾數(shù)；

Pri—管內(nèi)流體的普朗特數(shù)；

JHi—傳熱因子；

Wh—冷凝介質(zhì)的質(zhì)量流率，kg/s；

y—汽相質(zhì)量分數(shù)；

NRV,e—垂直管排的有效管子數(shù)；

L—管長，m；

μL—定性溫度下冷凝介質(zhì)的液相動力黏度，Pa · s；

nt—管子數(shù)；

NRV—垂直管排的管子數(shù)；

Op—覆蓋因子；

p，r—由覆蓋因子決定的常數(shù)；

Jsf—殼程冷凝的流型參數(shù)；

Gs—殼程質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；

Pt—管心距，m；

ρL—定性溫度下冷凝介質(zhì)的液相密度，kg/m3；

ρv—定性溫度下冷凝介質(zhì)的汽相密度，kg/m3；

m1—冷凝液質(zhì)量流量，kg/s；

Δτ —時間間隔，s；

m—Δτ 時間內(nèi)冷凝液的質(zhì)量，kg．

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