張威

摘 要：介紹了凝結(jié)流動(dòng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)兩相流動(dòng)的處理方法，以及目前國(guó)內(nèi)外采用的管內(nèi)外的凝結(jié)換熱強(qiáng)化方法，為熱交換器凝結(jié)換熱強(qiáng)化方法的研究提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)流動(dòng) 強(qiáng)化方法

在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中，經(jīng)?？梢钥吹礁鞣N換熱器，且它們說(shuō)上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)，特別是對(duì)換熱器的研究必須滿足各種特殊情況和苛刻條件的要求，對(duì)它的研究就顯得更為重要。

在海水淡化、空調(diào)制冷等領(lǐng)域中，有大量管內(nèi)蒸汽的冷凝換熱設(shè)備，其投資占總投資的比例很大，因此強(qiáng)化凝結(jié)換熱有著重要的意義。蒸汽在物體表面凝結(jié)主要有兩種形式：膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)。由于膜狀凝結(jié)在壁面上形成完整的液膜，此時(shí)凝結(jié)是放出的潛熱必須通過液膜才能傳給溫度較低的壁面；珠狀凝結(jié)時(shí)，換熱是蒸汽與液珠表面和蒸汽與冷壁間進(jìn)行的，所以膜狀凝結(jié)要比珠狀凝結(jié)傳熱系數(shù)低。

由此可見，凝結(jié)換熱的熱阻主要是凝結(jié)液膜的表面，為了提高換熱效率，關(guān)鍵是設(shè)法減薄液膜層的厚度，加速它的排泄，促進(jìn)珠狀凝結(jié)。提高凝結(jié)換熱系數(shù)的主要措施有：采用粗糙表面、采用各種形式的強(qiáng)化傳熱管。近幾年，我國(guó)研制出了螺紋管、螺旋槽管、波紋管、翅片管、管內(nèi)插入擾流子等形式的強(qiáng)化傳熱元件。

1、凝結(jié)流動(dòng)的研究現(xiàn)狀

在能源、制冷、化工、航天、冶金等行業(yè)中，氣液兩相流及其相變傳熱都是一門重要的學(xué)科。同時(shí)，在兩相流中，氣液兩相流也是最復(fù)雜的流動(dòng)，氣液兩相流體在絕熱或受熱管道中流動(dòng)時(shí)，因壓力、流量、熱流密度和管道幾何形狀的不同會(huì)形成各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，簡(jiǎn)稱流型，因此研究氣液兩相流首先要研究其流型。氣液兩相流體在水平管中流動(dòng)時(shí)流型分為6種：細(xì)泡狀流型、氣塞狀流型、分層流型、波狀分層流型、氣彈分層流型、環(huán)狀流型。

管道中氣液流動(dòng)的流動(dòng)形態(tài)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的流型圖來(lái)判別的。目前運(yùn)動(dòng)最多的是Baker流型圖及對(duì)Baker流型圖來(lái)判別水平管道流型[1]。氣液兩相流動(dòng)最基本的流動(dòng)模型有兩種：一種是分相流動(dòng)模型，一種是均相流動(dòng)模型。

對(duì)兩相流動(dòng)的處理方法有三種：理論分析法、半經(jīng)驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法。理論分析法是根據(jù)各種流動(dòng)形態(tài)的特點(diǎn)，利用流體力學(xué)方法將其流動(dòng)特性進(jìn)行理論分析，進(jìn)而建立起描述這一流動(dòng)過程的關(guān)系式。半經(jīng)驗(yàn)方法是從兩相流動(dòng)的基本方程出發(fā)，根據(jù)所研究的兩相流動(dòng)過程的特點(diǎn)，采用適當(dāng)假設(shè)和簡(jiǎn)化，求得描述這一流動(dòng)的函數(shù)式，然后利用實(shí)驗(yàn)方法確定出式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)方法是通過實(shí)驗(yàn)研究，將采集的數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。目前，大部分采用的是半經(jīng)驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)法。

2、凝結(jié)換熱的強(qiáng)化方法

2.1管外的凝結(jié)換熱強(qiáng)化

強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱的方法有很多，主要有：粗糙表面法、采用各種形式的強(qiáng)化傳熱管、靜電場(chǎng)法、表面振動(dòng)法、抽壓法等，其中采用強(qiáng)化傳熱管應(yīng)用最廣，低肋管是應(yīng)用最早的一種冷凝傳熱強(qiáng)化管。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，異形管的開發(fā)和應(yīng)用已走向成熟。比如常用的異形管主要有：螺旋槽管、花瓣形翅片管、螺旋扁管、鋸齒形翅片管等，許多專家學(xué)者對(duì)異形管的管外凝結(jié)換熱進(jìn)行了研究。

許多學(xué)者對(duì)肋管上冷凝傳熱系數(shù)的計(jì)算模型進(jìn)行了對(duì)比分析[2～3]。計(jì)算相同工質(zhì)在不同模型下的冷凝換熱系數(shù)，其中Sardesia模型的計(jì)算最精確，Beatty-Katz模型次之。

Belghazi M.等[4]在Rudy-Webb模型基礎(chǔ)上，建立了適用于3D肋管的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Yun R、Nguyen T.N.等學(xué)者研究了3D肋管的凝結(jié)換熱特性。對(duì)三種典型的三維肋管進(jìn)行管外凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三維肋管的強(qiáng)化凝結(jié)換熱效果更好。

Belghazi等對(duì)Gewa-C管的冷凝傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了R134a和R23/R134a混合物在Gewa-C管外的冷凝傳熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Gewa-C管相比于翅片管冷凝傳熱系數(shù)提高了30%。

螺旋槽管對(duì)管內(nèi)外凝結(jié)傳熱均能起到顯著的強(qiáng)化效果。螺旋槽管的凹凸曲面使得凝結(jié)液在表面張力的作用下易于排泄。中國(guó)海洋大學(xué)王欣[5]對(duì)水平螺旋槽管壁面液膜的形成機(jī)理及流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與光管相比，螺旋槽管表面的液膜變薄且分布變均勻，且隨著螺旋角的增大，壁面上各處的液膜分布越均勻。在淺槽范圍內(nèi)，槽道越深，槽道跨度越小，液膜分布越均勻，分布特性越好。當(dāng)螺旋槽管表面為多槽道時(shí)，各槽道間發(fā)生流體相互摻混，因此液膜分布特性比單槽道好。

2.2管內(nèi)的凝結(jié)換熱強(qiáng)化

與管外凝結(jié)換熱一樣，強(qiáng)化管內(nèi)凝結(jié)的方法多種多樣，采用強(qiáng)化管也是強(qiáng)化管內(nèi)凝結(jié)的有效手段，因此許多學(xué)者對(duì)不同形式的內(nèi)表面強(qiáng)化管進(jìn)行了大量的研究。強(qiáng)化管內(nèi)冷凝傳熱的管型主要有：內(nèi)螺紋管、內(nèi)螺旋翅片管、螺旋槽管等。除了高效強(qiáng)化管，管內(nèi)插入物也是強(qiáng)化管內(nèi)凝結(jié)的常用技術(shù)之一。管內(nèi)插入物的類型有很多，主要有：螺旋線圈、螺旋片、麻花鐵、螺旋帶、扭帶和靜態(tài)混合器等。各種插入物的強(qiáng)化傳熱機(jī)理一般可有四種：（1）形成旋轉(zhuǎn)流；（2）破壞邊界層；（3）中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用；（4）產(chǎn)生二次流。

J.C.Chato等在特定條件下，對(duì)比分析了光管、軸向槽管、螺旋槽管和18°螺旋角管的傳熱特性和壓降特性。當(dāng)蒸汽流量較小時(shí)，換熱特性為：18°螺旋角管>軸向槽管>光管；當(dāng)蒸汽流量較大時(shí)，換熱特性為：軸向槽管大于光管和螺旋槽管。同時(shí)分析了不同流量狀態(tài)下不同管子的適用性，大流量時(shí)微肋管更適用，小流量時(shí)交叉管更適用。同時(shí)還分析比較了不同管子的換熱特性，扁平管與18°螺旋角管的換熱特性最好，光滑管和軸向微肋管的換熱特性水平相似。

交叉溝槽管也是一種高效冷凝換熱管，它是在原內(nèi)螺紋管內(nèi)又開出一條魚原抓旋溝槽旋向垂直的螺紋溝槽。與內(nèi)螺紋管相比交叉溝槽管的換熱系數(shù)提高40%，而阻力僅僅增加6%～10%[6]。endprint

清華大學(xué)的謝旭斌[7]等開發(fā)出一種新型強(qiáng)化管。新型強(qiáng)化管分別為DAE-2管和DAEC管，該管具有阻力小、質(zhì)量請(qǐng)、傳熱性能好等特點(diǎn)，DAE-2管目前已被廣泛用于制造國(guó)產(chǎn)冷水機(jī)組的換熱器。DAE-2管為波紋狀單螺旋內(nèi)槽管。管內(nèi)表面加工有螺旋微槽，且在管外軋有一條大螺紋，DAEC管為波紋狀交叉螺旋內(nèi)槽管。

綜上所述，在氣液兩相沸騰實(shí)驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從換熱機(jī)理出發(fā)，通過改變管束結(jié)構(gòu)尺寸、流量、入口干度、雷諾數(shù)、溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式和修正關(guān)聯(lián)式。同樣為工業(yè)換熱器的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)等提供理論支撐。

3、小結(jié)

從氣液兩相流凝結(jié)換熱的強(qiáng)化研究來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算兩方面，基于流動(dòng)和沸騰機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或理論研究。通過改變一系列可能影響實(shí)驗(yàn)特性的基本參數(shù)質(zhì)量含氣率、系統(tǒng)壓力、質(zhì)量流量、換熱器結(jié)構(gòu)、溫度、孔隙率、換熱器徑向距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行分析對(duì)比得到相應(yīng)的變化規(guī)律和理論。但是彼此之間存在著許多不同意和誤差，所得的結(jié)論或者計(jì)算公式也有一定的局限性，這很大一部分是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的匱乏造成的，所以繼續(xù)擴(kuò)張實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)范圍，研究分析更多可能的影響因子，才能推動(dòng)整個(gè)兩相流領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[7] 謝旭斌，王維成.高效傳熱管內(nèi)凝結(jié)換熱性能及阻力性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2000，21（6）：742-745.endprint