李連濤，諸凱，劉圣春，王華峰（天津商業(yè)大學，天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

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研究開發(fā)

帶有中間分液結構的管殼式冷凝器實驗研究

李連濤，諸凱，劉圣春，王華峰
（天津商業(yè)大學，天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

摘要：對于管內凝結而言，為保持蒸汽在換熱管進口段的高效換熱狀態(tài)而進行中間分液，改變氣液兩相流的流型，以保持相對較高的換熱系數是“短管效應”理論的技術舉措。結合傳統(tǒng)冷凝器的結構，本文設計了一種用于實驗研究的氣液分離臥式管殼式水冷冷凝器。通過布置在冷凝器兩端分程隔板處的不同直徑和數量的分液管來觀察其換熱效果，并與傳統(tǒng)冷凝器進行整體換熱系數、出口冷凝液溫度及壓力損失三方面的實驗對比。結果表明：具有不同直徑和數量的分液管的冷凝器具有相似的熱力性能；具有不同直徑和數量的分液管的冷凝器整體換熱系數比傳統(tǒng)冷凝器要高，出口冷凝液溫度比傳統(tǒng)冷凝器要低，且具有較小的壓力損失；在測試工況下，右側開啟1個0.5mm、1個1mm，左側開啟2個1mm、1個0.5mm分液管的冷凝器表現(xiàn)出較好的綜合換熱性能。

關鍵詞：短管效應；氣液兩相流；分離；分液管；管殼式冷凝器；傳熱

第一作者：李連濤（1986—），男，碩士研究生。E-mail:rdfreedom@163.com。

聯(lián)系人：諸凱，教授，博士生導師，研究方向為傳熱傳質過程機理及生物傳熱。E-mail zhukai210@tju.edu.cn。

管殼式換熱器由于其結構簡單、承壓高以及易于清洗的優(yōu)點在工業(yè)換熱過程中經常被使用，但在長期運行中也暴露出許多的問題，如壓力損失大、產生流動死區(qū)、易結垢、誘導性振動大，從而導致?lián)Q熱器整體的傳熱效果不理想。針對上述問題，研究人員提出了一系列的強化傳熱技術，也據此開發(fā)了一系列新型高效換熱器。這些技術分別從換熱器殼側、管側以及整體結構角度進行了強化，例如螺旋槽管、波紋管、縮放管、橫紋管、變截面管、內肋管以及內插物管的開發(fā)以及將殼側折流板換成折流桿或螺旋板等[1-2]，根據相關文獻[3-5]的介紹，采用上述強化換熱技術的換熱器確實能夠提高換熱效果。

針對管內工質冷凝，由于其換熱系數與兩相流流型之間存在很大的關聯(lián)[6-7]，若在冷凝過程中避免復雜兩相流流型的形成，換熱系數將會大大提高。其中文獻[8]通過含空氣蒸氣水平管內強制對流冷凝換熱實驗，分析了環(huán)狀流、波狀流及分層流下，影響局部換熱系數的因素。文獻[9]使用 VOF模型和 RSM模型對水平管內汽液兩相流的流型及換熱特性進行了數值模擬，模擬結果與已有關聯(lián)式吻合較好。文獻[10]采用了一種新型的管壁面外分液結構，在實驗過程中對工質冷凝過程中兩相流的流型進行調控，使流型與傳熱達到協(xié)同，增強換熱效果。彭曉峰等[11]提出一種新的強化傳熱思路——利用“短管效應”強化管內冷凝的方法受到研究人員的重視。某些場合下的傳統(tǒng)管殼式冷凝器管內工質冷凝，管外工質對流換熱。隨著換熱過程的進行，管內工質開始凝結，兩相流流型變得復雜，管壁上凝結液膜的厚度增加，阻礙了工質蒸氣與管壁的進一步接觸，成為換熱過程中的主要熱阻。利用“短管效應”的強化方法，即通過對管側結構的合理設計，在冷凝器兩端的分程隔板處布置分液小孔，通過分液小孔及時將凝結液排出，減薄液膜的厚度，使管壁表面在凝結過程中呈現(xiàn)出珠狀凝結狀態(tài)或者不穩(wěn)定的薄液膜狀態(tài)，避免換熱過程中復雜流型的形成，則換熱過程中熱阻將會大大降低，從而提高換熱效果?；诖?，彭曉峰等[11]設計了氣液分離式立式冷凝換熱器，通過在換熱站的實驗得出，相比于市場上同類換熱器，該氣液分離冷凝換熱器單位換熱量所需金屬材料的質量不超過其他同類換熱器的1/3，主體體積只有同類換熱器的一半，換熱面積比使用強化管的換熱器小25%以上。陳穎等[12]也利用“短管效應”設計了一款氣液分離式空冷冷凝器，將該冷凝器與制冷系統(tǒng)所用冷凝器進行替換，實驗中使用該冷凝器能夠獲得與原機型相當的制冷量和能效比，換熱面積只有原冷凝器的73.1%?？梢姡哂泻侠斫Y構的氣液分離冷凝器的性能要優(yōu)于常用冷凝器。氣液分離冷凝器的關鍵在于分液小孔的設計，以達到“排液阻汽”的作用。陳雪清等[13]以水和空氣的混合物為工質模擬兩相流，對含分液小孔的氣液分離器進行了冷態(tài)試驗。通過分析各參數對氣液分離器漏液速率和氣液分離效率的影響來獲得一定分液小孔的氣液分離器的較佳運行工況。鄭文賢等[14]對比研究了不同分液隔板結構的分液冷凝器對整個制冷系統(tǒng)性能的影響。劉再沖等[15]以水和空氣模擬兩相流探究了多孔泡沫鎳分液隔板的分液特性，對分液隔板的設計起到了一定的指導意義。

工業(yè)上常用的冷凝器為臥式管殼式水冷冷凝器，利用“短管效應”的強化換熱思路對其進行的研究較少。本文設計了一款實驗用的臥式管殼式氣液分離水冷冷凝器，進行了與傳統(tǒng)冷凝器（無分液結構）在整體換熱系數、冷凝液出口溫度及壓力損失三方面的實驗對比，得出的結論將為大型氣液分離水冷冷凝器的結構設計提供參考。

1 冷凝器結構設計及實驗臺搭建

1.1 冷凝器結構設計

該冷凝器管內入口為過熱蒸汽，壓力為 1atm （1atm=101325Pa），要求溫度從 120℃降至飽和液溫度100℃；管外走水，入口溫度為20℃。在查閱換熱器相關設計手冊后[16-17]，進行冷凝器的結構設計及校核，完成冷凝器的設計。其結構參數如表 1所示。

表1 管殼式氣液分離冷凝器結構參數

圖1為管殼式氣液分離冷凝器結構示意圖。該凝器為一殼程四管程的弓形折流板換熱器，殼程走水，管程走水蒸氣，冷、熱流體的流動方向相反。冷凝器的殼內依次排列7根換熱管，第一管程3根管，第二管程2根管，第三管程1根管，第四管程1根管。這樣的管排布置能夠降低管內蒸汽流速變化幅度，壓力損失?。煌瑫r經過分液后管程入口干度接近于 1，換熱器整體的溫度水平較高。在冷凝器管箱左、右側的分程隔板上設置有5個直徑不同的小孔，每個小孔分別與可以開關的分液管連接，用于凝結液的及時排出和收集，匯總后的凝結液連接到冷凝器出口，出口溫度及壓力測點之前。當過熱蒸汽流經第一管程時，由于冷凝作用產生一定量的汽液混合物，該混合物在進入第二管程前，由于汽液兩相密度不同，液相會經右側分程隔板處的分液小孔進入分液管，此實驗過程中將其引出。如果結構設計合理，在保證有效汽液分離的同時，進入第二管程的蒸汽干度會接近于1。同理在經過左側的分程隔板處也會引出冷凝液，提高了進入第三管程的蒸汽干度。干度增加，將有利于提高換熱系數。

圖1 管殼式氣液分離冷凝器結構

1.2 實驗臺搭建

本文設計并搭建了管殼式氣液分離冷凝器凝結換熱實驗臺，系統(tǒng)簡圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及測量系統(tǒng)三部分組成。電加熱蒸汽發(fā)生器1產生具有一定過熱度的蒸汽通過流量計以及壓力、溫度傳感器進入管殼式分液冷凝器2中，經過冷凝以后變成飽和水進入低溫恒溫槽4，水冷卻到設定的溫度后進入儲液罐6中，再由給水泵7打到蒸汽發(fā)生器1中，完成循環(huán)。殼側的冷卻水為自來水，通過閥門可以控制進入管殼式分液冷凝器的冷卻水流量。其中電蒸汽發(fā)生器的額定蒸發(fā)量為 30kg/h，額定工作壓力 0.7MPa（可調節(jié)）。溫度的測量采用的是T形熱電偶，量程0～200℃，測量精度±0.1℃。壓力傳感器的量程0～1MPa，測量精度為0.1%FS。流量計采用的渦街流量計，可以在-20～250℃的工作范圍內工作，測量精度為0.5%FS。

圖2 凝結換熱實驗系統(tǒng)圖

實驗開始時不開啟分液管，保持冷卻水進口溫度及流量不變，調整蒸汽進口溫度及壓力，直至冷凝器出口凝結液為飽和水，此時系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。讀取蒸汽側及冷卻水側進出口溫度及流量，通過計算可以得出傳統(tǒng)冷凝器的整體換熱系數。然后分別開啟不同數目的分液管，通過冷凝器進出口參數的變化可以計算分液冷凝器的換熱系數。改變蒸汽溫度以及流量，重復上述步驟。前期的實驗過程中，開啟右側的分液管后，排出的為氣液混合物，開啟左側的分液管，在保證有效的氣液分離下，開啟的最大數目是3根。這說明右側分液小孔的孔徑相對于此時工況偏大，在分液隔板處的冷凝液不足以形成水封，不能起到“排液阻汽”的作用。所以實驗過程中減小了分液孔的直徑，觀察汽液分離效果以及其他參數的變化。

2 實驗結果與分析

實驗過程中為了保證右側分程隔板分液孔處能夠形成有效的液封，將孔徑減小至0.5mm和1mm。在這定義不同的分液孔組合方式，即不同孔徑和個數的分液孔的組合，即進行具有3種不同分液結構的冷凝器與傳統(tǒng)冷凝器的實驗對比。如表2所示。

表2 分液孔組合方式

圖3、圖4、圖5是在冷凝器蒸汽進口溫度、壓力不變以及冷卻水側流量和進口溫度不變的情況下入口蒸汽流量變化時，冷凝器整體換熱系數、出口冷凝液溫度及壓力損失與分液孔組合方式之間的關系曲線。由圖3可以看出，隨著入口蒸汽流量的增加，各種組合方式的換熱系數呈現(xiàn)遞增的趨勢。一方面是因為流量的增加，增大了兩相流在管內的擾動；另一方面冷凝過程中產生的冷凝液能夠及時地通過分液孔排出，避免了復雜氣液兩相流流型的形成，使流型保持在過熱蒸汽濕壁面或環(huán)狀流狀態(tài)，從而減小了換熱熱阻，提高了換熱系數。其中流量為0.4L/s時，B、C、D方式的換熱系數分別比A方式的換熱系數高14.2%、15.5%和25.1%?？梢姡瑤в蟹忠嚎椎睦淠鞅葌鹘y(tǒng)的冷凝器換熱效果要好。其中B方式開始換熱系數增長較快，后期變慢，原因為后期凝結的冷凝液不能夠及時地排出，氣液兩相流流型從環(huán)狀流過渡到液膜更厚的半環(huán)狀流或波狀流，妨礙了換熱系數的增加，所以換成D方式后，換熱系數繼續(xù)增加。

由圖4可以看出，每一種組合方式下，冷凝液出口溫度都是從100℃逐漸降低的。A方式的降低幅度最小，D方式降低幅度最大。在冷凝的過程中，隨著分液孔孔徑的增大，能夠有效地將冷凝液及時的排出，換熱系數增加的同時，冷凝液出口溫度必然降低。其中A、B、C、D方式分別降低了1.4℃、2.5℃、2.8℃和3.8℃。

圖5描述的是冷凝器管側進出口兩端的壓力損失隨著入口蒸汽流量變化的曲線。其中A方式的壓力損失最大，并且呈現(xiàn)遞增的趨勢。蒸汽流量變大，蒸汽流速變大，沿程阻力損失變大，同時隨著流量增加，管程末端的凝結液越積越多，這樣蒸汽進出口的壓差就會變大。而 B、C、D方式的壓差維持在一個范圍波動，壓力損失較小。一方面是因為冷凝液的提前排出，減小了沿程損失；另一方面隨著冷凝液的排出，為了保持管內工質流量分配的均勻性，換熱管數目逐程減少，工質流動過程中引起的壓力損失降低。其中D方式的壓力損失最小，也就說明D方式中的工質通過氣液分離后，有效的降低了管內由于復雜兩相流引起的流動失穩(wěn)，獲得了比B、C兩種方式更加均勻的流量分配，沿程阻力損失最小。

圖6、圖7、圖8是在冷凝器蒸汽進口流量、壓力不變以及冷卻水側流量和進口溫度不變的情況下，入口蒸汽溫度變化時冷凝器整體換熱系數、出口冷凝液溫度及壓力損失與分液孔組合方式之間的關系曲線。由圖6中可以看出，隨著入口蒸汽溫度的升高，冷凝器整體換熱系數呈現(xiàn)遞增的趨勢。B 和C方式較A方式增長斜率要小于D方式的增長斜率。入口蒸汽溫度升高，影響了殼側介質的定性溫度，從而影響了和定性溫度有關的Re數及Pr數，從而導致殼側的對流換熱系數變大；由于分液孔的設置，冷凝液排出得越及時，管內兩相流的流態(tài)越趨于穩(wěn)定，就能夠使壁面保持在具有較高換熱系數的珠狀凝結或薄液膜凝結。其中D方式設置的分液小孔較多，其換熱系數是最高的。

圖3 換熱系數與蒸汽流量變化曲線

圖4 出口冷凝液溫度與蒸汽流量變化曲線

圖5 壓力損失與蒸汽流量變化曲線

由圖7可以看出，隨著入口蒸汽溫度的升高，A方式的冷凝器出口冷凝液溫度呈升高趨勢，而B、C、D方式的冷凝器出口冷凝液溫度呈下降趨勢，且都小于100℃。A方式是傳統(tǒng)的冷凝器，當入口溫度比設計參數還要高時，冷凝器的冷卻能力已經達到最大，所以出口溫度呈現(xiàn)遞增的趨勢。而B、C、D方式由于設置分液小孔，隨著圖6所示的冷凝器整體換熱系數提高，則出口冷凝液溫度下降，D方式下降幅度最大至2.8℃，而B、C方式下降幅度至2.3℃、2.5℃。

圖6 換熱系數與蒸汽溫度變化曲線

圖7 出口冷凝液溫度與蒸汽溫度變化曲線

圖8 壓力損失與蒸汽溫度變化曲線

由圖8可以看出，對于A方式代表的傳統(tǒng)冷凝器，蒸汽溫度升高，壓力損失增大。主要是因為溫度升高后，加快了凝結液與壁面的對流沖刷，也就增大了沿程阻力的損失。而 B、C、D方式由于采用了平行流布置方式，壓力損失在小范圍內波動，且都小于A方式的壓力損失?？梢夿、C、D方式在增加換熱系數的同時，也能夠減小管側壓力損失，其中D方式的整體性能最好。

3 結 論

（1）具有分液隔板的冷凝器整體換熱系數比傳統(tǒng)冷凝器要高。其中在流量為0.4L/s時，具有分液孔結構的冷凝器的換熱系數分別比傳統(tǒng)冷凝器的換熱系數高14.2%、15.5%和25.1%，且具有較小的壓力損失。

（2）具有不同分液孔組合的分液冷凝器所表現(xiàn)出的熱力性能相似。在測試工況下，右側具有1 個0.5mm、1個1mm及左側具有2個1mm、1個0.5mm 的分液孔的結構要優(yōu)于右側具有 1個0.5mm、1個1mm及左側具有2個1mm的分液孔的結構和右側具有 2個 0.5mm及左側具有 2個1mm分液孔的結構，所以不同工況存在著分液孔的最佳組合方式。

參 考 文 獻

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Experimental study of shell and tube condenser with middle liquid separation structure

LI Liantao，ZHU Kai，LIU Shengchun，WANG Huafeng
（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

Abstract:As to condensation in tube，the technology initiatives of the “short-tube effect” theory to maintain a relatively higher heat transfer coefficient are making intermediate separation of the liquid，and changing the flow regimes of gas-liquid flow，in order to keep the steam in the heat exchange tube at the inlet section at a high-efficient heat transfer state. Combined with the structure of traditional condenser，a horizontal-water cooling shell and tube condenser with liquid separation structure was designed for experimental study in this paper. Heat transfer effect was observed by different diameters and numbers of liquid separation pipes arranged at pass partition plate of condenser. The results were compared to the traditional condenser with respect to the overall heat transfer coefficient，outlet condensate temperature and pressure loss. It was shown that the condensers with different diameters and numbers of liquid separation pipes have similar thermal performance. The overall heat transfer coefficient of condensers with different diameters and numbers of liquid separation pipes is higher than that of the traditional condenser. The outlet condensate temperature is lower than that of the traditional condenser and has lower pressure loss. The condenser with liquid separation pipes with the diameter of 0.5mm and 1mm at right side and the pipes with the diameter of 1mm，0.5mm at left side has a better comprehensive heat transfer performance under the test conditions.

Key words:short-tube effect；gas-liquid flow；separation；liquid separation pipes；shell and tube condenser；heat transfer

中圖分類號：TK 124

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1332-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.011

收稿日期：2015-11-09；修改稿日期：2015-12-07。

基金項目：國家863科技支撐計劃項目（2012AA053001）。