機(jī)械加工表面強(qiáng)化管管外全凝與部分凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)

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(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，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(dòng)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(shí)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(qiáng)化殼程傳熱的方法主要有兩種：一種是通過對(duì)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(dòng)方式和傳熱機(jī)理，從而達(dá)到強(qiáng)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(dòng)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(duì)兩種新型的機(jī)械加工表面強(qiáng)化管進(jìn)行研究；通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定相關(guān)參數(shù)并計(jì)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(qiáng)化效果，并比較兩種強(qiáng)化管在全凝與部分凝結(jié)時(shí)的換熱特性．

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程見圖1．主要由主測(cè)試容器(主冷凝器)、電加熱系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及冷卻器、測(cè)溫系統(tǒng)、后冷卻系統(tǒng)及可視化系統(tǒng)組成．主測(cè)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(shí)驗(yàn)流程示意Fig.1 Experiment flow chart

測(cè)試過程保持在0.101 MPa(1,atm)下進(jìn)行，U 形玻璃管壓差計(jì)一端與主測(cè)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(jì)的液位高度差在±5,cm 的范圍，從而調(diào)節(jié)并監(jiān)控測(cè)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(cè)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力．實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)算溫度．每個(gè)工況如此連續(xù)測(cè)量2 次，以保證獲得可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)．

溫度的測(cè)量均采用直徑約0.2,mm 的銅-康銅熱電偶，標(biāo)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(dòng)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(cè)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(cè)．

蒸汽發(fā)生器、主測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度．

冷凝介質(zhì)分別為水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.7%的分析純酒精，實(shí)驗(yàn)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(cè)定．

1.2 實(shí)驗(yàn)元件

實(shí)驗(yàn)管的外徑分別為25,mm 和19,mm，有效冷凝長(zhǎng)度為964,mm．強(qiáng)化管Ⅰ表面結(jié)構(gòu)為在螺紋槽表面加工波紋槽，同時(shí)內(nèi)表面有與外表面波紋槽對(duì)應(yīng)的凸起，因此強(qiáng)化管Ⅰ不僅可以強(qiáng)化管外凝結(jié)傳熱，同時(shí)管內(nèi)對(duì)流換熱也將得到加強(qiáng)；強(qiáng)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(xì)參數(shù)如表1 和表2 所示，兩種管子特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工技術(shù)成熟，成本較低，適宜生產(chǎn)推廣．

實(shí)驗(yàn)管束在殼體內(nèi)的排列方式如圖3 所示．

圖2 強(qiáng)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(qiáng)化管Ⅰ尺寸Tab.1 Parameters of enhance tubeⅠ

表2 強(qiáng)化管Ⅱ尺寸Tab.2 Parameters of enhance tubeⅡ

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 換熱計(jì)算

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

通過對(duì)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(xiàn)[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(jì)算采用從管內(nèi)向管外推算的方法，光管和強(qiáng)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(qiáng)化管Ⅰ由于在外加工時(shí)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生凸起，宜采用關(guān)聯(lián)式[11]

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的考核

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，以便于更準(zhǔn)確地進(jìn)行機(jī)械加工表面強(qiáng)化管的冷凝強(qiáng)化傳熱性能的測(cè)試，先采用光管在該系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

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(cè)試結(jié)果．可以看出，在測(cè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的考核測(cè)試結(jié)果Fig.4 Check test results of experiment system

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 全凝工況下機(jī)械加工表面強(qiáng)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(qiáng)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(cè)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(zhǎng)的趨勢(shì)，但變化不大，強(qiáng)化管Ⅰ和強(qiáng)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(qiáng)化管Ⅰ最優(yōu)，光管最差．強(qiáng)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(jī)械加工表面強(qiáng)化管的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)換熱的增強(qiáng)起到了決定性作用．強(qiáng)化管Ⅰ同時(shí)具有螺紋管與波紋管的優(yōu)點(diǎn)，外表面不僅具有細(xì)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(qiáng)了管內(nèi)流體的擾動(dòng)，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(dòng)，然后通過螺旋的波紋排液槽迅速排出，冷凝液的及時(shí)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(qiáng)了脊部的表面?zhèn)鳠?，使得總的傳熱效果最佳．?qiáng)化管Ⅱ的翅片增大了表面的換熱面積，加之液膜的表面張力，凝結(jié)液也能從細(xì)小的溝槽中排走，雖然相對(duì)強(qiáng)化管Ⅰ的排液量要小，但換熱仍要強(qiáng)于光管．在光管的冷凝傳熱中，由于凝結(jié)液無法及時(shí)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?。?/p>

2.3.2 全凝與部分凝結(jié)工況下機(jī)械加工表面強(qiáng)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(jìn)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(jī)械加工表面強(qiáng)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(shí)，強(qiáng)化管Ⅰ和強(qiáng)化管Ⅱ在測(cè)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(shí)，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(shí)，蒸汽的剪切力起重要作用，沒有凝結(jié)的蒸汽會(huì)給冷凝液膜一個(gè)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?。虼?，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(duì)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(shì)．

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(jī)組初運(yùn)行時(shí)較難調(diào)試，但是工況一旦穩(wěn)定就可以持續(xù)運(yùn)行下去，同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化

圖7是采用水作為冷凝介質(zhì)時(shí)的管外冷凝照片，該圖像可以進(jìn)一步解釋表面特殊結(jié)構(gòu)對(duì)換熱增強(qiáng)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(dòng)方向受到蒸汽的影響而趨于軸向，流程增長(zhǎng)，不利于換熱；強(qiáng)化管Ⅰ的管束表面含有排液槽，冷凝液可以及時(shí)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(qiáng)化管Ⅱ管束有利于液體從細(xì)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度分析

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的主要參數(shù)有溫度、流量和時(shí)間．由于測(cè)量中采用的測(cè)量手段和儀器不同，使得測(cè)量誤差也各有不同．

4.1 流量和溫度的不確定度

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的流量分為2 部分：實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)段冷凝液流量的測(cè)量是采用“稱重法”，即測(cè)出時(shí)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(dòng)秒表計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間大于90,s；流量測(cè)量人手動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)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(cè)量冷卻水流量的流量計(jì)經(jīng)過稱重法標(biāo)定后誤差都小于儀器量程的1%，冷卻水質(zhì)量流量的測(cè)量的不確定度εm2小于1%．

溫度測(cè)量中的誤差主要來源于熱電偶自身的誤差，實(shí)驗(yàn)用熱電偶的標(biāo)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(duì)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(jìn)出口溫差的不確定度εΔt2．

實(shí)驗(yàn)過程中Δt1≥10 ℃，Δt2≥20 ℃，由紊流區(qū)傳熱經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到＜ 5%，εRw= 0.5%，且

5 結(jié) 論

(1) 強(qiáng)化管Ⅰ和強(qiáng)化管Ⅱ由于表面的特殊結(jié)構(gòu)，強(qiáng)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(shí)，強(qiáng)化管Ⅰ和強(qiáng)化管Ⅱ在測(cè)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(shí)，分別是全凝工況的2.0～3.0 倍和1.8～2.5 倍．

符號(hào)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(dòng)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?cái)?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?jǐn)?shù)；

NRV,e—垂直管排的有效管子數(shù)；

L—管長(zhǎng)，m；

μL—定性溫度下冷凝介質(zhì)的液相動(dòng)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—?dú)こ汤淠牧餍蛥?shù)；

Gs—?dú)こ藤|(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(shí)間間隔，s；

m—Δτ 時(shí)間內(nèi)冷凝液的質(zhì)量，kg．

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