水平螺旋扁管內(nèi)載氣汽油蒸氣的凝結(jié)換熱

侯銀燕，李 維

（南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

研究開發(fā)

水平螺旋扁管內(nèi)載氣汽油蒸氣的凝結(jié)換熱

侯銀燕，李 維

（南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

采用實驗的方法，研究了空氣質(zhì)量含量在2%～13%范圍內(nèi)，汽油蒸氣在水平螺旋扁管內(nèi)的凝結(jié)換熱，并與同樣條件下水平光管內(nèi)的凝結(jié)換熱進行了對比分析。實驗結(jié)果表明，隨著不凝氣體質(zhì)量含量的增加，螺旋扁管內(nèi)的凝結(jié)換熱減弱，在相同條件下，螺旋扁管的平均換熱系數(shù)高于光管。同時，提出了水平螺旋扁管內(nèi)凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式。

螺旋扁管；汽油；凝結(jié)換熱系數(shù)

光管管束的管殼式換熱器是目前在石油化工行業(yè)普遍使用的換熱器類型，如凝結(jié)器、再沸器、蒸發(fā)器、加熱器以及分餾裝置等均采用這種換熱器形式，且在整個石油化工行業(yè)的設(shè)備投資中占有很大的投資比例。因此，如何設(shè)計制造出高效、節(jié)能且節(jié)省材料、減少占地面積的換熱器，一直是換熱器行業(yè)的努力方向。流體在彎曲或扭曲的流道中會產(chǎn)生與主流方向垂直的二次流動，能夠有效地增強層流狀態(tài)下的換熱[1]。Lu等[2－5]提出了開發(fā)螺旋扁管換熱器的構(gòu)想，并對其傳熱和阻力性能進行了研究。

螺旋扁管是利用模壓機具將圓管壓扁，然后扭曲而形成的一種強化換熱管型，管子的截面為橢圓形，其管內(nèi)流道因管子的扭曲而呈螺旋狀。在制造過程中，可根據(jù)需要生產(chǎn)出不同壓扁度和不同螺距的管型，但為了使換熱器管子與管板的連接加工方便，橢圓管的兩端仍保持為圓形。在壓力降幾乎相等的情況下，螺旋扁管換熱器較常規(guī)換熱器的總傳熱系數(shù)高40%[1]。顧紅芳等[6－7]研究了含不凝氣體時煤油在水平光管內(nèi)和水平螺旋扁管管束外的冷凝，對于水平螺旋扁管管內(nèi)的冷凝特性至今很少有人研究。因此，本文作者以氣態(tài)汽油和空氣混合氣體為介質(zhì)，對螺旋扁管在一定范圍的不凝氣體含量下做凝結(jié)特性的研究。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示。液油從油箱8經(jīng)油泵抽出，經(jīng)緩沖罐6后，進入預(yù)熱器5預(yù)熱，油接近飽和狀態(tài)后，經(jīng)帶冷卻盤管的油氣分離器4分離，此時在冷卻盤管中用冷卻水進行冷卻，是為了防止少量的油已經(jīng)液化，液態(tài)油進入油氣混合器3，空氣通過空氣壓縮機1經(jīng)儲氣罐2進入油氣混合器3，混合后的油氣混合物進入沸騰實驗段9殼側(cè)受熱沸騰，沸騰后流出的油氣混合物進入油氣分離器10，未汽化的油進入冷卻器16充分冷卻后通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計返回油箱8。汽化的油蒸氣和空氣進入油蒸氣分氣器11，一路經(jīng)過控制閥門旁通進入預(yù)熱器5中冷凝放熱，再經(jīng)過冷卻器13充分冷卻后，進入油氣分離器14，液態(tài)油經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計返回油箱8，空氣及極少的油蒸氣經(jīng)分離器15，空氣經(jīng)阻火器排入大氣，油蒸氣經(jīng)冷卻進入油箱8；另一路經(jīng)過控制閥門進入凝結(jié)實驗段12管內(nèi)冷卻凝結(jié)，由凝結(jié)實驗段12管內(nèi)流出的油氣混合物進入油氣分離器17，凝結(jié)的油進入冷卻器20充分冷卻，經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計返回油箱8；未凝結(jié)的油蒸氣和空氣進入冷卻器18充分冷卻，進入油氣分離器19，液態(tài)油經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計返回油箱8，空氣及極少的的油蒸氣進入分離器15，空氣經(jīng)阻火器排入大氣，油蒸氣被冷卻進入油箱8。冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水由水箱7進入凝結(jié)實驗段，進行換熱；回水排出室外。

圖1 凝結(jié)實驗系統(tǒng)

實驗段采用水平套管式換熱器，外管為φ45 mm×3.5 mm 的碳鋼光管，內(nèi)管分別為φ25 mm×2.5mm 的碳鋼光管與導(dǎo)程為200 mm的螺旋扁管，有效換熱長度為1.8 m。螺旋扁管水平套管式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。管程為載氣汽油蒸氣，殼程為冷卻水。

實驗時，氣態(tài)汽油和空氣的混合物質(zhì)量流量為8～41 kg/h，空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～13%。在凝結(jié)實驗段前安裝了渦街流量計來測量油氣混合物的流量，通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量冷卻水的流量。油氣混合物的進出口溫度和冷卻水的進出口溫度由鉑電阻（PT100）測得。本實驗進口為飽和汽油蒸氣，出口為飽和液態(tài)汽油。

為了保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，實驗中所用的測量儀器均經(jīng)過了標(biāo)定，并進行了熱平衡實驗，實驗吸熱測定量和放熱量熱平衡在±5%范圍內(nèi)。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 換熱系數(shù)與不凝氣體含量的關(guān)系

圖2 螺旋扁管斷面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 水平光管內(nèi)與螺旋扁管管內(nèi)的凝結(jié)換熱系數(shù)與空氣質(zhì)量含量關(guān)系的對比

圖3示出了混合物質(zhì)量流量在8～41 kg/h變化時水平光管內(nèi)與螺旋扁管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)與空氣質(zhì)量含量的關(guān)系。由圖3可以看出，在空氣質(zhì)量含量小于4%時，水平光管內(nèi)的凝結(jié)換熱系數(shù)的下降輻度顯著，空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%升高到4%時，其凝結(jié)換熱系數(shù)下降約46%。這主要是由于隨著汽油蒸氣的冷凝，空氣會積聚在凝結(jié)液膜的界面附近，使氣液界面處的不凝氣體分壓強高于離壁面較遠(yuǎn)的分壓強，從而增加了汽油蒸氣分子向液膜表面擴散的阻力。同時，相應(yīng)地降低了有效的冷凝溫度差，使凝結(jié)換熱壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和換熱量降低。在相同的質(zhì)量流量下，空氣含量的增加極大降低了換熱能力。當(dāng)空氣質(zhì)量含量進一步增加時，凝結(jié)換熱系數(shù)呈單調(diào)下降趨勢，但下降的程度有所趨緩。

由圖3還可以看出，較之與光管，空氣質(zhì)量含量同樣存在著減弱螺旋扁管管內(nèi)凝結(jié)換熱效果的現(xiàn)象，在空氣質(zhì)量含量小時，它對兩相凝結(jié)換熱效果影響依舊很大，由空氣質(zhì)量含量2%升高到4%時凝結(jié)換熱系數(shù)下降約36%?；旌衔镔|(zhì)量流量在相同范圍內(nèi)，空氣質(zhì)量含量相同時，螺旋扁管的換熱系數(shù)與光管的換熱系數(shù)相比，平均高出28%。這是由于螺旋扁管換熱器的管內(nèi)管外均為彎曲的螺旋流道，流體在其間運動時，受到離心力的作用而周期性地改變流動速度和方向，從而增強了流體的徑向混合，破壞了換熱邊界層，強化了換熱。

2.2 換熱系數(shù)與質(zhì)量流量的關(guān)系

圖4示出了在2%～13%的空氣質(zhì)量含量范圍內(nèi)，混合物在光管與螺旋扁管管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)隨質(zhì)量流量變化的關(guān)系。由圖4可以看出，在空氣質(zhì)量含量范圍相同的條件下，凝結(jié)換熱系數(shù)均隨混合物的質(zhì)量流量的增加而增大，同樣表現(xiàn)出在混合物質(zhì)量流量相同的情況下，螺旋扁管的換熱系數(shù)高于光管，其平均換熱系數(shù)增加28%。這是由于螺旋扁管換熱器的管內(nèi)管外均為彎曲的螺旋流道，增強了流體的徑向混合，破壞了換熱邊界層，強化了換熱。

圖4 水平光管內(nèi)與螺旋扁管內(nèi)換熱系數(shù)對比

2.3 管內(nèi)凝結(jié)換熱準(zhǔn)則方程

按照文獻(xiàn)[8]中關(guān)于液膜Reynolds數(shù)和凝結(jié)準(zhǔn)則Co代表的物理意義，液膜Reynolds數(shù)可以表示如式（1）、式（2）。

在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)進、出口條件很方便地求得熱負(fù)荷q =QA ，因此，液膜雷諾數(shù)可表示成如式（3）形式[9]。

空氣作為不凝氣體，其放熱量見式（4）。

凝結(jié)的汽油放熱量由潛熱和顯熱組成，其放熱量見式（5）。

未凝結(jié)汽油的放熱量見式（6）。

則凝結(jié)熱量見式（7）。

采用式（1）和式（2）的準(zhǔn)則數(shù)對實驗結(jié)果進行擬合，擬合后得到的準(zhǔn)則方程為表1所示。

圖5示出了水平光管管內(nèi)與螺旋扁管管內(nèi)凝結(jié)準(zhǔn)則Co與液膜Re的關(guān)系對比。由圖5可以看出，螺旋扁管管內(nèi)的凝結(jié)準(zhǔn)則Co較光管管內(nèi)的平均高14%，說明螺旋扁管的凝結(jié)換熱效果強于光管。這是因為一方面螺旋槽的脊背部分可起肋片的作用，更重要的是凝結(jié)液將由于表面張力的作用被拉回到溝槽內(nèi)，順槽排泄，而槽的脊背上只有極薄的液膜，使熱阻大為降低。

表1 管內(nèi)凝結(jié)換熱準(zhǔn)則方程

圖5 水平光管管內(nèi)與螺旋扁管內(nèi)凝結(jié)準(zhǔn)則Co與液膜Re的關(guān)系對比

3 結(jié) 論

（1）對于凝結(jié)換熱系數(shù)隨不凝氣體質(zhì)量含量變化的關(guān)系，螺旋扁管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)較之與光管同樣存在減弱凝結(jié)效果的現(xiàn)象，空氣質(zhì)量含量對兩相凝結(jié)換熱效果的影響在含量小時依舊很大?；旌衔镔|(zhì)量流量在相同范圍內(nèi)，空氣質(zhì)量含量相同時，螺旋扁管的換熱系數(shù)與光管的換熱系數(shù)相比，平均高出28%。

（2）將導(dǎo)程為200 mm的螺旋扁管內(nèi)的凝結(jié)換熱效果與光管內(nèi)的凝結(jié)換熱效果進行比較，發(fā)現(xiàn)在混合物質(zhì)量流量相同的情況下，螺旋扁管的換熱系數(shù)高于光管，其平均換熱系數(shù)增加28%。

（3）得出了在2%～13%的空氣質(zhì)量含量范圍內(nèi)光管與螺旋扁管的凝結(jié)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，并且得出了螺旋扁管管內(nèi)的凝結(jié)準(zhǔn)則Co較光管管內(nèi)的平均高14%，說明螺旋扁管的凝結(jié)換熱效果優(yōu)于光管。

符 號 說 明

A ——面積，m2

Cp——定壓比熱容，J·kg－1·K－1

Co——凝結(jié)準(zhǔn)則數(shù)

h——兩相換熱系數(shù)，W·m－2·K－1

L，d——分別為管長度、內(nèi)徑，m

m——質(zhì)量流量，kg·s－1

Q——換熱量，W

q——熱流密度（q=Q/A或熱負(fù)荷），W·m－2

t——溫度，℃

u——流速，m·s－1

x——空氣質(zhì)量含量，%

Re——Reynolds數(shù)（Re=ρud/μ）

μ——動力黏度，Pa·s

γ——汽化潛熱，J·kg－1

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W·m－1·K－1

ρ——密度，kg·m－3

下角標(biāo)

a——空氣

g——氣相

i——管內(nèi)壁

l——液相

n——汽油凝結(jié)

q——汽油

v——汽油蒸發(fā)

1，2——分別為入口、出口

[1] 梁龍虎. 螺旋扁管換熱器的性能及工業(yè)應(yīng)用研究[J]. 煉油設(shè)計，2001，31（8）：28-33.

[2] Lu Guodong，Zhou Qiangtai，Tian Maocheng，et al. Heat transfer characteristics of air cross-flow for in-line arrangement of spirally corrugated tube and smooth tube bundles[J]. Journal of Zhejiang University Science：Science in Engineerin，2005，6A（7）：670-675.

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[9] 陳聽寬. 兩相流與傳熱研究[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2004：159-160.

Condensation heat transfer of gasoline-air mixtures in coil tube

HOU Yinyan，LI Wei (College of Urban Construction & Safety Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，Jiangsu，China)

Condensation heat transfer of gasoline-air mixture gas，with non-condensable gas mass quantity of 2%～13%，in horizontal inner coil tube was investigated through comparison with inner smooth tube. Results showed that the condensation heat transfer in coil tube is diminished when the content of noncondensable gas increases，and the average of condensation heat transfer in coil tube is higher than that in smooth tube. The condensation heat transfer coefficient could be predicted by Re and Co of liquid film，and a experimental correlation for condensation heat transfer coefficient in coil tube was established.

coil tube；gasoline；condensation heat transfer

TK 124

A

1000–6613（2010）05–0817–04

2009-10-15；修改稿日期：2009-10-28。

侯銀燕（1985—），女，碩士研究生。E-mail houyinyan2004@163.com。