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        水平翅片管外凝結(jié)液膜分布及換熱特性影響研究

        2014-12-19 03:15:20李慧君
        關(guān)鍵詞:管外肋片液膜

        李慧君,董 楠

        (華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院,河北保定071003)

        0 引言

        凝結(jié)換熱在許多領(lǐng)域中存在,換熱器的換熱性能直接影響能源利用率,肋片管是管殼式換熱器中普遍采用的換熱管,肋片管外的凝結(jié)換熱研究對提高換熱器設(shè)計性能,減小換熱器制造材料等起到重要作用[1]。強化管外的凝結(jié)換熱研究廣泛集中在理論分析和試驗研究:Beatty 和Katz 假設(shè)重力為肋片管上凝結(jié)液遷移主要驅(qū)動力,忽略表面張力作用和肋頂換熱,建立了首個二維表面低肋管的凝結(jié)換熱系數(shù)計算式[2],Cheng 通過試驗獲得R134a 在較高肋密度的肋管上的凝結(jié)換熱系數(shù)值,該值比該模型計算值高很多[3],表明該模型僅適用肋片密度低的肋片管,其適用范圍受到很大限制;Karkhu 和Borovkov 指出表面張力導(dǎo)致的液膜壓力梯度是其在肋側(cè)壁上遷移的主要驅(qū)動力、同時考慮凝液淹沒對肋表面換熱的不利影響,給出肋管外凝結(jié)換熱系數(shù)計算式[4],但該模型與自然對流冷凝換熱的實際情況仍有較大差距;Rudy 和Webb 考慮了肋片側(cè)壁面表面張力對凝液遷移的作用及淹沒區(qū)對換熱的影響,建立了換熱系數(shù)計算式[5],與試驗研究的R134a 與R12 在低肋管上冷凝換熱系數(shù)的比較[6],該模型預(yù)測值偏低表明其適用范圍受到肋管表面結(jié)構(gòu)的限制;Honda針對梯形肋管,考慮了淹沒區(qū)和非淹沒區(qū)的換熱特性及表面張力導(dǎo)致的液膜壓力梯度在圓周上的變化,建立了換熱系數(shù)計算式[7],并與Kumar 以水蒸氣和R134a 為工質(zhì),對7 種不同肋片管進行試驗所得到的凝結(jié)換熱系數(shù)比較[8],Honda 計算式對水蒸汽換熱系數(shù)比試驗值偏低,而對R134a 換熱系數(shù)偏高,使其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用受到限制;對不同制冷工質(zhì)在肋片管外的冷凝換熱、肋片高與肋間距的優(yōu)化進行了大量試驗[9~11],但理論研究尚存在不足。

        目前,純飽和工質(zhì)在二維表面膜狀凝結(jié)換熱理論仍不完善,因此,本文對R134a 在梯形肋片管外的凝結(jié)換熱進行研究,考慮其他模型所忽略的肋間基管處表面張力導(dǎo)致的液膜壓力梯度沿周向分布的影響,建立肋片側(cè)壁和肋間基管處液膜分布模型,最后得到管外平均凝結(jié)換熱系數(shù)。

        1 建立物理模型

        如圖1所示,在肋片側(cè)壁上,取任意的微元凝液,設(shè)X 為沿管壁切向方向,Y 為沿肋片高度垂直基管方向,Z 為垂直肋片側(cè)壁方向;x 為基管上從肋間中點到肋根的方向,在x =0 處,液膜厚度為δb,如圖1(c)所示。

        物理模型采用極坐標(biāo)形式,肋側(cè)壁任意微元凝液的位置(r,θ)處的方程為

        對任意微元角度dθ 內(nèi),凝結(jié)在肋側(cè)壁上微小面積為rdθdr。

        在肋間基管處任意微元凝液的位置為(θ,x),基管上的微小面積為rbdθdx。

        圖1 凝結(jié)液膜物理模型Fig.1 Physical model of condensate film

        2 控制方程及邊界條件

        為便于計算,做如下假設(shè):(1)常物性,液體為不可壓縮牛頓流體;(2)純蒸汽是靜止的所以對凝結(jié)液膜表面無剪切應(yīng)力;(3)液膜慣性力可以忽略不計;(4)沿徑向液膜主要受表面張力作用可以忽略重力作用;(5)沿圓周方向?qū)σ耗ち鲃悠鹬饕饔玫氖侵亓?,所以忽略表面張力作?(6)液膜內(nèi)溫度分布是線性的,即液膜內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱,無對流作用;(7)汽液界面上無溫差,液膜表面溫度等于飽和溫度,即tδ=ts;(8)液膜表面平整無波動;(9)液膜內(nèi)的過冷度可以忽略不計;(10)冷凝管壁溫不隨管長變化。

        由此得肋片側(cè)壁上液膜的動量守恒方程[12]為

        邊界條件:在肋片側(cè)壁面上,即Z=0

        在肋片側(cè)壁汽液界面上,即Z=δfik

        由式(2)~(5)得液膜在肋片側(cè)壁徑向和周向的流動速度為

        圖1(c)肋間基管的凝結(jié)液膜厚度計算式[13]為

        邊界條件:

        式(8)左側(cè)第1 項表示重力引起的壓力梯度使凝液沿周向流動的凝結(jié)液率;第2 項表示因表面張力引起的壓力梯度使凝液沿x 方向流動的凝結(jié)液率;右側(cè)表示冷凝率。由式(8)、(9)整理得:

        徑向方向的壓力梯度[14]為

        由式(6)、(7)得肋片側(cè)壁上液膜流動速度為

        凝結(jié)液在肋根處液膜曲率半徑[13]為

        式(12)中肋側(cè)壁有效換熱高度Lθ,由圖1(c)可得:

        如圖2所示,設(shè)微元肋片側(cè)壁上B 處凝結(jié)液膜的切線與肋壁面平行,所以∠ABC 等于Ψ。肋

        圖2 肋根與基管相連處液膜分布Fig.2 Film distribution on fin root and base tube

        片間液膜厚度為δb處的寬度Ly為

        3 液膜厚度的確定

        由式(12)可得,在肋片側(cè)壁微元肋高dr 內(nèi)液膜質(zhì)量流量qm,即

        如圖3所示,面1234 為肋片的側(cè)壁面,面5678 為汽液界面。在θ +dθ 處,微元肋高dr 內(nèi)液膜增加dδfik時的質(zhì)量流量增加量dqm為

        圖3 肋片側(cè)壁凝結(jié)液微元體質(zhì)量流量Fig.3 Mass flow of condensate film on element fin flank

        根據(jù)假定(6)蒸汽凝結(jié)放出的潛熱等于液膜導(dǎo)給壁面的熱量,得到熱平衡方程:

        肋片側(cè)壁上非淹沒區(qū)液膜的厚度分布式:

        整理肋間基管上液膜厚度分布式(10)得:

        4 凝結(jié)換熱系數(shù)的確定

        由式(19)、(20)確定的液膜厚度分別得肋片側(cè)壁面及基管處微元凝結(jié)換熱系數(shù)為

        式中:δ 表示液膜厚度;h′表示局部凝換熱系數(shù)。當(dāng)已知肋片側(cè)壁上凝結(jié)液膜厚度δfik和肋間基管處凝結(jié)液膜厚度δb時,可得肋片側(cè)壁處微元凝結(jié)換熱系數(shù)h′fik和肋片基管處微元凝結(jié)換熱系數(shù)h′b。由于淹沒區(qū)凝結(jié)液完全淹沒肋片及基管,熱阻很大忽略淹沒區(qū)換熱。

        水平肋片管平均凝結(jié)換熱系數(shù)為

        式中:Sfik為肋片側(cè)壁有效換熱面積,m2;Sb為基管有效換熱面積,m2;Δt 為凝結(jié)汽飽和溫度與壁面溫差,℃;Qfik為單位管長上肋壁面換熱量;Qb為單位管長上基管換熱量。

        5 滯留角的確定

        水平翅片管外凝結(jié)換熱,凝結(jié)液膜受重力、粘滯力、表面張力的共同作用,在管子的底部會有凝結(jié)液的滯留現(xiàn)象,在冷凝管上冷凝液滯留的范圍用滯留角表示。肋片管換熱的有效區(qū)為非淹沒區(qū),即圖1(a)中圓周角0°~φf范圍。非淹沒區(qū)角度的計算式[14]為

        6 實例計算及分析

        文獻[15]測試純飽和R134a 蒸汽自然對流時在3 種不同管外的平均冷凝換熱系數(shù),并給出了詳細的試驗程序和數(shù)據(jù)評估,選取文獻[15]中的肋片管計算,基管外徑為16.85 mm,肋片高度為0.95 mm,肋片間距為0.64 mm 標(biāo)準肋片管,管外純制冷劑(R134a)飽和蒸汽溫度為37 ℃,以飽和溫度與管壁溫度的平均值作為凝結(jié)液膜的物性溫度,設(shè)沿管壁及肋片上的冷凝溫度保持不變。計算結(jié)果與文獻[15]中實驗結(jié)果比較,如圖4。模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢一致,且平均絕對誤差最大值為7.6 %。

        選取肋高為1.45 mm,基管直徑為16 mm,且肋片密度為11 fins/inch 的K11 和管徑和肋高同K11 管相同但肋片間距不同的K19 管(肋片密度為19 fins/inch)管進行計算比較。不同壁面溫度時,基管處的凝結(jié)液膜分布以及換熱系數(shù)變化如圖5,6所示。

        圖4 與實驗數(shù)據(jù)對比的換熱系數(shù)Fig.4 Heat transfer coefficient compared with experimental data

        圖5 基管液膜厚度Fig.5 Film thickness on base tube

        圖6 基管上局部凝結(jié)換熱系數(shù)Fig.6 Local heat transfer coefficient on base tube

        基管上沿θ 角增大方向液膜分布逐漸增厚,接近凝結(jié)液滯留角時,液膜厚度急劇增加,K11 管比K19 管的液膜薄(圖5),這是因為肋間距小,凝結(jié)液與兩肋片表面間的粘滯力較大而不易排出,使液膜變厚;局部凝結(jié)換熱系數(shù)沿θ 角增大方向逐漸減小,接近凝結(jié)液滯留角時,急劇減小(圖6),主要原因為:凝結(jié)液膜厚度增大,使熱阻增加,總的傳熱系數(shù)越小;K11 管凝結(jié)液非滯留角大于K19 管,是由于K11 的肋片間距大于K19 的肋片間距,肋間距小的管子更容易發(fā)生凝結(jié)液的滯留;在重力和液膜粘滯力的作用,基管管頂(θ=0°處)液膜最薄,熱阻也最小,凝結(jié)換熱系數(shù)最大;液膜厚度沿θ 角增大方向逐漸增加,故換熱熱阻也隨之增加,換熱系數(shù)減小。

        K19 管的肋片側(cè)壁處的凝結(jié)液膜厚度分布和局部凝結(jié)換熱系數(shù)分布,如圖7,8所示。在0° <θ<π/2 范圍內(nèi),肋片側(cè)壁上沿肋徑向方向液膜厚度逐漸減小,沿θ 角增大方向液膜不斷增厚(圖7),因液膜受表面張力作用產(chǎn)生的壓力梯度使凝液由肋頂向肋根聚集,所以沿肋徑向方向液膜逐漸變薄,液膜因表面張力作用受到的縱向方向力與重力同向,加速肋側(cè)壁凝結(jié)液的遷移,故沿θ 角增大方向液膜不斷增厚;肋片側(cè)壁上局部凝結(jié)換熱系數(shù)沿徑向方向增大,沿θ 角增大方向減小(圖8),因凝結(jié)液膜是換熱主要熱阻,所以換熱系數(shù)隨液膜的增厚而減小。

        圖7 肋側(cè)壁液膜厚度沿肋高及圓周角方向分布Fig.7 Film thickness on fin flank with the change of the fin height and circular angle

        如圖9所示,在相同單位管長換熱量,K11 管凝結(jié)換熱系數(shù)高于K19 管。因K11 管單位長度上換熱面積小于K19 管;肋間距小,使相鄰肋片間易形成凝結(jié)液滯留的區(qū)域,阻礙凝結(jié)液的排出,增加了換熱熱阻及凝結(jié)液滯留角,造成有效換熱面積減小,導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降。因此,適當(dāng)?shù)睦咂g距能夠達到最佳的換熱效果,通過肋間距優(yōu)化,選擇合理的肋片布置方案,使冷凝器的效率提高。

        圖8 肋片側(cè)壁凝結(jié)換熱系數(shù)沿肋高及圓周角方向分布Fig.8 Heat transfer coefficient on fin flank with the change of the fin height and circular angle

        圖9 不同肋片間距管換熱性能比較Fig.9 Heat transfer performance comparison of fin-tubes with different fin pitch

        7 結(jié)論

        (1)本文通過建立水平肋片管的物理模型,推導(dǎo)出液膜厚度及換熱系數(shù)計算式,通過與實驗值比較,驗證了所建模型的正確性,同時分別對肋片側(cè)壁和肋間基管液膜厚度及換熱系數(shù)進行了計算;

        (2)肋片管肋片側(cè)壁上凝結(jié)液膜沿θ 角增大方向增厚,沿肋徑向方向不斷減薄,換熱系數(shù)沿θ角增大方向不斷減小,沿肋徑向方向不斷增加;

        (3)肋間基管上凝結(jié)液膜厚度沿θ 角增大方向逐漸增厚,凝結(jié)換熱系數(shù)逐漸減小;

        (4)在其它條件相同時,肋片的間距大小對換熱性能有較大的影響,適當(dāng)?shù)睦咂荛g距,可提高換熱性能。

        因此,通過本文所建的液膜厚度分布及換熱系數(shù)模型,可以優(yōu)化肋片間距,為強化凝結(jié)換熱性能提供一定的參考。

        符號說明:

        ρ 為密度,kg/m3;g 為重力加速度,m/s2;λ 為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m.K);v 為運動粘度,m2/s;η 為動力粘度,Pa.s;γ 為汽化潛熱,kJ/kg;h 為換熱系數(shù),W/(m2.K);Q 為單位管長換熱量,W;σ 為表面張力;qm為凝結(jié)液質(zhì)量流量kg/(m2.s);δ 為液膜厚度m;p 為壓力,pa;r 為半徑,m;rb,θ為液膜曲率半徑,m;θ 為圓周角,rad;Ψ 為肋頂角一半,rad;Φf為非淹沒角,rad;z 為Z 方向的坐標(biāo)值;ur為徑向速度,m/s;uθ為周向速度,m/s;S 為面積,m3;Ll為肋片高度,m;Lθ為有效換熱肋高,m;Lr為基管處凝液高度,m;Ly為基管液膜無曲率長度,m;d 為直徑,m。下標(biāo),b 為基管;t 為肋頂;fik 為肋側(cè)壁。上標(biāo),ˊ為微元處;‐為平均值。

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