轉(zhuǎn)角正方形管束有降膜流動時的壓降實驗

劉 華， 沈勝強， 陳 石， 龔路遠(yuǎn)， 劉 瑞， 陳 學(xué)

（大連理工大學(xué) 遼寧省海水淡化重點實驗室，大連 116024）

水平管降膜蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)大、適合小溫差蒸發(fā)等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于MED海水淡化裝置中［1］.在每一效降膜蒸發(fā)器內(nèi)，經(jīng)過預(yù)處理的海水均勻噴淋到頂排水平管后，在自身重力作用下以降膜的形式在管束中由上至下流動，其中一部分海水吸收管內(nèi)蒸汽冷凝釋放的熱量而蒸發(fā)，余下的濃縮海水被排出蒸發(fā)器.管束間存在液體的降膜流動和蒸汽掠過管束的流動，屬于一種管束間的兩相流動.

蒸發(fā)器和冷凝器等很多換熱器涉及到多相流動，而關(guān)于管束間兩相流壓降的預(yù)測一直是換熱器研究的內(nèi)容之一 相關(guān)文獻(xiàn)很多 前人研究的管束間兩相流基本上都是氣液同向流動沖刷管束的情況.Ishihara等［2］提出將計算管內(nèi)兩相摩擦壓降的馬蒂內(nèi)利參數(shù)法引入到殼側(cè)即管束間的兩相流動.馬衛(wèi)民等［3-4］通過實驗測量氣液兩相流沖刷水平和垂直管束時的流動阻力，并采用Chisholm方法計算管束摩擦阻力壓降和局部阻力壓降.Salam等［5］通過實驗給出了冷凝條件下某一雷諾數(shù)范圍內(nèi)的管束壓降系數(shù)，并與ESDU［6］壓降數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合度較好.Hassan［7］研究了管束布置對通過管束的蒸汽流動阻力的影響，對蒸汽流過2種叉排管束過程進行了測試，分析了管間距變化對流動阻力的影響.Dowlati等［8］引入氣相體積分?jǐn)?shù)研究管束間的兩相流動阻力.Schrage等［9］提出了均相模型并將其應(yīng)用到換熱條件下管束間的兩相壓降預(yù)測中，取得了較好的效果.

在大型降膜蒸發(fā)器內(nèi)，蒸汽橫掠附有液膜的管束的流動與其他換熱器內(nèi)的兩相流過程很不同，前者液體和氣體的主體流動是分離的，液體以重力作用下的垂直流動為主，蒸汽以橫向沖刷管束為主.已有的文獻(xiàn)中很少有關(guān)于水平管降膜蒸發(fā)管束流動阻力的研究，缺乏液體降膜流動對流動阻力影響的定量分析.由于大型海水淡化裝置中流動阻力對裝置性能的重要性［10］，有必要對其進行深入研究.為此，筆者設(shè)計了實驗臺，針對大型降膜蒸發(fā)器管束橫向氣流的流動阻力開展實驗研究.

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗測試系統(tǒng)

圖1為實驗系統(tǒng)簡圖，其中，鍋爐、分汽缸和減溫降壓器提供實驗所需工況的飽和蒸汽；水箱和水泵等為實驗提供適量的噴淋水；真空泵、冷凝器和凝結(jié)水泵等控制實驗裝置的真空度，并維持系統(tǒng)的連續(xù)運行.

圖1 實驗系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

水平管束降膜流動觀測實驗裝置的主實驗臺示意圖如圖2所示.主實驗臺選用的管束排列方式為轉(zhuǎn)角正方形結(jié)構(gòu).管束由32列448根鋁黃銅管構(gòu)成，管長500mm，管外徑D為25.4mm，最小相對管間距為1.3D.蒸汽經(jīng)過整流板后沖刷管束，管束上部設(shè)有噴淋箱，可按照設(shè)定的流量將水均勻地噴淋到管束上；管束間設(shè)有壓力和壓差測點，用來測量管束間壓力和相鄰點的壓差，流體進出口處都設(shè)有熱電偶，用于測量流體的溫度.

圖2 主實驗臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main experimental setup

1.2 實驗過程及誤差分析

系統(tǒng)抽真空達(dá)到實驗要求后通入蒸汽，冷凝系統(tǒng)和真空泵共同維持壓力，通過蒸汽進汽閥實現(xiàn)蒸汽質(zhì)量流量的調(diào)節(jié)，通過減溫器將蒸汽溫度降到飽和溫度，通過變頻器控制水泵并利用轉(zhuǎn)子流量計記錄噴淋水量.當(dāng)各參數(shù)達(dá)到預(yù)期實驗工況要求并穩(wěn)定后，測量實驗裝置各點壓力、溫度、壓差和質(zhì)量流量等.實驗中各參數(shù)的變化范圍為：蒸汽溫度（t）50～70℃，對應(yīng)飽和壓力（p）12～31kPa；單位面積蒸汽質(zhì)量流量（qm）0.42～1.24kg／（m2·s）；飽和水噴淋密度（Γ）分別選定0.02kg／（m·s）、0.04kg／（m·s）、0.06kg／（m·s）和0.08kg／（m·s）.

精密壓力傳感器的最大誤差為±28Pa，精密壓差傳感器的誤差為±1Pa，熱電偶經(jīng)逐個標(biāo)定后誤差小于0.05K，浮子流量計測量精度為0.2m3／h.各個測點的溫度、壓差及壓力信號都接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)其處理后輸入到計算機存儲.實驗結(jié)果是在大量測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上取得的，同一工況下測量時間不小于5min，每隔6s記錄一次.結(jié)果顯示，隨著噴淋密度的增大，數(shù)據(jù)中最大值和最小值的差值逐漸增大，但該差值不超過平均值的±6%，實驗結(jié)果具有較好的穩(wěn)定度.

2 實驗結(jié)果及分析

圖3給出了飽和蒸汽溫度為50℃時不同蒸汽質(zhì)量流量下壓降隨噴淋密度的變化.由圖3可以看出，同一蒸汽質(zhì)量流量下，壓降隨著噴淋密度的增大呈拋物線升高.蒸汽質(zhì)量流量越大，壓降升高的趨勢越強 升高也越快 大型海水淡化裝置的噴淋密度一般設(shè)置在0.02～0.08kg／（m·s）范圍內(nèi)，與無噴淋蒸汽流過管束相比，蒸汽流過降膜流動管束的壓降大幅度升高.液體在管子表面形成液膜，相當(dāng)于管子直徑增大使得管間距變小，蒸汽的實際流速大于計算流速，導(dǎo)致壓降升高；隨著噴淋密度的增加，液體在上下2排管間的滴落速度和頻率增大，在較大的噴淋密度時還會由滴狀逐漸變成柱狀，蒸汽氣流穿過管束的截面積進一步減小，也導(dǎo)致壓降升高.

圖3 壓降隨噴淋密度的變化Fig.3 Effect of spray density on pressure drop

圖4給出了飽和蒸汽溫度對壓降的影響.由圖4可知，在實驗溫度范圍內(nèi)，管束間壓降隨著飽和蒸汽溫度的升高而降低.該現(xiàn)象說明，在海水淡化裝置中，低溫效蒸發(fā)器管束間的壓降將高于高溫效蒸發(fā)器管束間的壓降，在低溫下飽和蒸汽溫度對壓力變化的敏感性更大，因此對其壓降引起的飽和蒸汽溫度變化更應(yīng)引起重視.

圖4 飽和蒸汽溫度對壓降的影響Fig.4 Effect of steam temperature on pressure drop

關(guān)于飽和蒸汽溫度對壓降的影響主要從2個方面考慮：壓降與速度平方成正比，與密度成正比，壓降的變化取決于密度和速度的變化.飽和蒸汽的比體積隨著溫度的升高而減小，在蒸汽質(zhì)量流量一定的情況下，蒸汽密度的增大會導(dǎo)致蒸汽流速減小，實際的結(jié)果是造成壓降降低；另外隨著飽和蒸汽溫度的升高 在管束上做降膜流動的流體黏性減小 使得流動阻力減小.從圖4還可以看出，隨著飽和蒸汽溫度的升高，流動阻力降低的趨勢變緩（即曲線斜率減?。@是由蒸汽比體積及流體黏性隨溫度的變化趨勢引起的.

3 兩相壓降系數(shù)計算公式

蒸汽橫掠管束時（單列管）壓降系數(shù)和雷諾數(shù)計算公式為：

式中：Δp為壓降；N為管列數(shù)；qm為蒸汽質(zhì)量流量；μg為蒸汽動力黏度.

文獻(xiàn)［11］給出了該結(jié)構(gòu)下管束單相壓降系數(shù)計算表達(dá)式：

為了擬合有降膜流動的管束壓降系數(shù)，并體現(xiàn)噴淋密度對壓降的影響，引入噴淋雷諾數(shù)：

式中：Γ為噴淋密度；μl為液體的動力黏度.

應(yīng)用最小二乘法擬合實驗數(shù)據(jù)，得到蒸汽橫掠有降膜流動的轉(zhuǎn)角正方形水平管束時的壓降系數(shù)計算公式：

為便于實驗數(shù)據(jù)處理和比較，將每組工況的壓差數(shù)據(jù)取平均值作為該工況下的實驗值，并對該實驗值和由式（5）計算所得的壓差預(yù)測值進行比較，預(yù)測值與實驗值的誤差在±15%以內(nèi)（見圖5）.

圖5 有降膜流動的壓差實驗值與預(yù)測值的比較Fig.5 Comparison of differential pressure between predicted value and actual measurements

4 結(jié) 論

（1）蒸汽橫掠水平降膜流動管束的壓降隨噴淋密度的增大而明顯升高.

（2）在相同的蒸汽質(zhì)量流量和噴淋密度下，壓降隨飽和蒸汽溫度的升高而降低.

（3）提出了蒸汽橫掠轉(zhuǎn)角正方形排列水平降膜流動管束的壓降系數(shù)計算公式，其預(yù)測值與實驗值的誤差在±15%以內(nèi).

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