多向擾流強(qiáng)化換熱管傳熱與阻力性能試驗(yàn)研究

胡志明， 袁益超， 劉聿拯

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093）

由于具有傳熱性能好、加工方便和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，螺紋管是國(guó)內(nèi)外電廠凝汽器中廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化換熱管型［1－2］.然而傳統(tǒng)的單向螺紋管表面螺紋呈彈簧狀，彈簧效應(yīng)會(huì)降低管子的抗振性能［3］，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成了一定威脅.因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種能將換熱強(qiáng)化和機(jī)械強(qiáng)化有效結(jié)合的換熱管，不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)多向擾流管）正是在這種背景下產(chǎn)生的.多向擾流管管壁的螺紋交叉呈網(wǎng)狀，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于工字鋼的筋板，可以加強(qiáng)管子的軸向和徑向剛度，使同樣壁厚的管子具有更高的抗振性能［3］.此外，由于不銹鋼管具有耐腐蝕、耐沖蝕及強(qiáng)度高等特點(diǎn)［4］，因此多向擾流管在電廠凝汽器中具有廣闊的應(yīng)用前景.

目前，對(duì)于凝汽器強(qiáng)化換熱管傳熱性能的研究主要針對(duì)單向螺紋管和橫紋管［5－8］，尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于多向擾流管的研究報(bào)道.雖然多向擾流管已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)一些電廠凝汽器的改造項(xiàng)目［9－12］，但在這些改造項(xiàng)目中，通常只是對(duì)強(qiáng)化換熱管的螺距、槽深等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)等泵功率改造［3］，降低改造費(fèi)用，而未對(duì)其傳熱性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，無(wú)法為多向擾流管在凝汽器中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù).凝汽器內(nèi)換熱管的傳熱性能受管型、結(jié)構(gòu)參數(shù)、管束布置方式、蒸汽壓力和濕度等因素影響，所以系統(tǒng)地研究凝汽器運(yùn)行工況下，多向擾流管的傳熱性能對(duì)其工程實(shí)際應(yīng)用具有重要意義.由于蒸汽在多向擾流管束中的凝結(jié)換熱過(guò)程非常復(fù)雜，因此無(wú)法從理論上對(duì)其進(jìn)行求解，只能通過(guò)試驗(yàn)獲得.為此，筆者根據(jù)電廠凝汽器的運(yùn)行工況，以濕蒸汽和冷卻水作為介質(zhì)，對(duì)多向擾流管的傳熱與阻力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為多向擾流管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試件

以電廠凝汽器強(qiáng)化傳熱為研究背景，重點(diǎn)研究蒸汽凝結(jié)條件下多向擾流管管束的傳熱和阻力性能.在對(duì)電廠凝汽器冷卻管束凝結(jié)換熱機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如圖1所示的試驗(yàn)系統(tǒng).

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

為了準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽的質(zhì)量流量，由燃油蒸汽鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽首先經(jīng)節(jié)流降壓為過(guò)熱蒸汽.過(guò)熱蒸汽經(jīng)流量、壓力、溫度測(cè)量后再進(jìn)入減溫器進(jìn)行減溫減壓，使其達(dá)到試驗(yàn)要求的壓力（10kPa）和濕度（7.7%），用來(lái)模擬汽輪機(jī)排汽.進(jìn)入筒體的蒸汽由上往下橫向沖刷試件內(nèi)的換熱管束，被管內(nèi)的冷卻水冷凝后沉積于筒體下部.試驗(yàn)用的冷卻水由自來(lái)水和試件出口冷卻水的一部分回水混合后獲得，可通過(guò)調(diào)節(jié)自來(lái)水和冷卻水回水的比例，達(dá)到試驗(yàn)要求的冷卻水入口溫度（33.1 ℃）.此外，為了盡可能減小不凝結(jié)氣體對(duì)試驗(yàn)的影響，需在試驗(yàn)過(guò)程中不斷抽出不凝結(jié)氣體.

試驗(yàn)過(guò)程中，過(guò)熱蒸汽和凝結(jié)水溫度采用精度為A 級(jí)的Pt100鉑電阻測(cè)量；試件內(nèi)冷卻水入口、出口溫度和減溫水入口、出口溫度采用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測(cè)量.冷卻水和減溫水流量采用精度分別為0.2級(jí)和0.5級(jí)的渦輪流量計(jì)測(cè)量；過(guò)熱蒸汽流量采用精度為1級(jí)的漩渦流量計(jì)測(cè)量.試件入口蒸汽壓力采用精度為0.2級(jí)的3151型絕對(duì)壓力變送器測(cè)量；冷卻水流阻采用精度為0.2級(jí)的1151型差壓變送器測(cè)量.流量、壓力儀表反饋的4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)被ADAM4118 模塊采集，鉑電阻的電阻信號(hào)被ADAM4015 模塊采集.所有采集的信號(hào)經(jīng)ADAM4520 模塊轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，由數(shù)據(jù)采集程序?qū)崟r(shí)采集.

為了對(duì)比多向擾流管與光管在傳熱和阻力性能方面的差異，模擬凝汽器的運(yùn)行工況，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的換熱管進(jìn)行傳熱與阻力試驗(yàn).試件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括換熱管束、水室及管板.試件內(nèi)換熱管水平布置，采用間距為32mm 的等邊三角形排列方式，沿蒸汽流動(dòng)方向（縱向）錯(cuò)列布置32排，橫向交替布置（4根或3根），合計(jì)112根.試件內(nèi)冷卻水共8個(gè)流程，即14根換熱管并聯(lián)作為一個(gè)流程.

試件采用不銹鋼換熱管，所有換熱管外徑為25 mm、壁厚為0.5 mm，其中1號(hào)試件的換熱管為光管；2號(hào)和3號(hào)試件的換熱管為多向擾流管，二者槽深均為0.4mm，螺距分別為30mm 和27mm.

圖2 試件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of the experimental tube panel

1.2 數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析

1.2.1 總傳熱系數(shù)計(jì)算

試驗(yàn)過(guò)程中，蒸汽凝結(jié)放熱量Qs和冷卻水吸熱量Qw分別為

式 中：qm，s、qm，w 分 別 為 蒸 汽 和 冷 卻 水 的 質(zhì) 量 流 量；iin、ic分別為試件入口蒸汽和凝結(jié)水的比焓；cp，w為冷卻水平均比定壓熱容；t′w、t″w分別為冷卻水入口、出口溫度.

當(dāng)蒸汽凝結(jié)放熱量與冷卻水吸熱量之間的相對(duì)誤差小于±3%時(shí)，認(rèn)為工況穩(wěn)定，此時(shí)可以采集試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)過(guò)程中，真空泵在不斷抽出不凝結(jié)氣體的同時(shí)不可避免地會(huì)抽出一部分蒸汽，為了減小試驗(yàn)誤差，總傳熱量Q 按冷卻水吸熱量Qw計(jì)算.

以不同試件的總傳熱系數(shù)表征換熱管的傳熱性能，由傳熱學(xué)基本原理，試件的總傳熱系數(shù)為

式中：A 為傳熱面積，按換熱管外側(cè)總傳熱面積計(jì)算［13］；Δt［13］為試件傳熱溫壓.

式中：ts為試件入口飽和蒸汽溫度，由試件入口蒸汽壓力確定.

1.2.2 沿程阻力計(jì)算

對(duì)于本試驗(yàn)，試件的冷卻水流阻由2部分組成：一是換熱管內(nèi)的摩擦損失，即沿程阻力；二是冷卻水進(jìn)、出水室的損失，即管端損失［13］.管端損失主要取決于換熱管內(nèi)的冷卻水流速及水室結(jié)構(gòu)［13］.3個(gè)試件的水室采用完全相同的結(jié)構(gòu)，因此，可以認(rèn)為同一冷卻水流速工況下3個(gè)試件的管端損失相同.

試驗(yàn)中管內(nèi)冷卻水Re 范圍為4.9×104～7.8×104，因此，對(duì)于光管試件，其管內(nèi)阻力系數(shù)可按布拉修斯公式計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)達(dá)西公式可得到不同工況下光管試件的管內(nèi)冷卻水沿程阻力Δps，再由光管試件的冷卻水總阻力ΣΔps減去冷卻水的沿程阻力，可得試件在不同工況下的管端損失Δpt.

對(duì)于多向擾流管試件，由冷卻水總阻力ΣΔpm減去管端損失Δpt，可得不同工況下管內(nèi)冷卻水的沿程阻力Δpm.本文以換熱管內(nèi)冷卻水的沿程阻力Δpm來(lái)表征多向擾流管的阻力性能.

1.2.3 誤差分析

由于設(shè)備、儀表、環(huán)境等客觀因素的影響，試驗(yàn)中不可避免地存在系統(tǒng)誤差.根據(jù)誤差傳遞理論，間接測(cè)量量F 的相對(duì)誤差ξF 與各直接測(cè)量參數(shù)Xi（i＝1～n）的關(guān)系為

試驗(yàn)系統(tǒng)誤差主要包括冷卻水入口、出口溫度t′w和t″w、入口飽和蒸汽溫度ts、傳熱溫壓Δt、冷卻水和蒸汽質(zhì)量流量qm，w和qm，s、總傳熱量Q、總傳熱系數(shù)K 以及冷卻水沿程阻力Δpm的相對(duì)誤差.根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中所涉及儀表的精度，各參數(shù)的相對(duì)誤差如表1所示.

表1 試驗(yàn)各參數(shù)的相對(duì)誤差Tab.1 Relative errors for different parameters %

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 冷卻水流速及換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能的影響

圖3為多向擾流管試件與光管試件的傳熱性能對(duì)比.由圖3可知：

（1）3個(gè)試件的總傳熱系數(shù)均隨冷卻水流速w的增大而增大.這主要是因?yàn)槔鋮s水流速增大使管內(nèi)冷卻水的擾動(dòng)增強(qiáng)，湍流度增大，破壞并減薄了邊界層；此外，冷卻水流速增大使試件的總傳熱量增大，為了維持試件入口蒸汽參數(shù)（壓力、濕度）不變，蒸汽質(zhì)量流量將增大、流速將增加，蒸汽對(duì)管外凝結(jié)液膜的黏滯作用加強(qiáng)，液膜厚度被拉?。?4］.

圖3 冷卻水流速及換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響Fig.3 Effects of cooling water flow and tube structure on heat transfer coefficient of the tube panel

（2）多向擾流管具有顯著的強(qiáng)化傳熱性能，在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，與采用光管的1號(hào)試件相比，采用多向擾流管的2號(hào)和3號(hào)試件的總傳熱系數(shù)平均分別增大約13.8%和14.8%.其強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是：管內(nèi)的網(wǎng)狀螺紋凸起增強(qiáng)了對(duì)冷卻水的擾動(dòng)，減薄了傳熱邊界層厚度；管外的網(wǎng)狀凹槽成為排泄凝結(jié)液的通道，使換熱管表面凝結(jié)液膜變薄，在凹槽內(nèi)凝結(jié)液表面張力的作用下，換熱管表面液膜厚度會(huì)進(jìn)一步減薄.

（3）3號(hào)試件的傳熱性能稍?xún)?yōu)于2號(hào)試件，這是因?yàn)?號(hào)試件所采用的多向擾流管的螺距更小.在相同冷卻水流速條件下，螺距小的多向擾流管一方面對(duì)管內(nèi)冷卻水的擾動(dòng)更劇烈；另一方面管外螺紋凹槽內(nèi)凝結(jié)液表面張力作用更明顯，換熱管外表面液膜平均厚度更?。?］.因此，在相同冷卻水流速條件下，3號(hào)試件的傳熱性能更好.

2.2 冷卻水流速及換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)阻力性能的影響

圖4為多向擾流管試件和光管試件的阻力性能對(duì)比.由圖4可知，在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，與采用光管的1號(hào)試件相比，2號(hào)和3號(hào)試件的沿程阻力平均分別增大約8.7%和10.7%，且螺距小的3號(hào)試件的沿程阻力更大，比2號(hào)試件增大約1.8%.這是因?yàn)槎嘞驍_流管內(nèi)壁的網(wǎng)狀螺紋凸起增強(qiáng)了對(duì)冷卻水的擾動(dòng)，因此流動(dòng)阻力比光管大；而在相同工況下，螺距小的多向擾流管對(duì)冷卻水的擾動(dòng)作用更加劇烈，因此冷卻水流動(dòng)阻力也更大.

2.3 多向擾流管傳熱與阻力計(jì)算公式

根據(jù)多向擾流管試件的傳熱性能試驗(yàn)結(jié)果，采用最小二乘法擬合得到了多向擾流管總傳熱系數(shù)K 關(guān)于冷卻水流速和結(jié)構(gòu)參數(shù)p／di（螺距／內(nèi)徑）的計(jì)算公式：

圖4 冷卻水流速及換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)沿程阻力的影響Fig.4 Effects of cooling water flow and tube structure on flow resistance of the tube panel

上式適用范圍如下：1.125≤p／di≤1.25，w＝1.4～2.2m／s，與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差不超過(guò)±5%.

根據(jù)管內(nèi)阻力試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到了單位長(zhǎng)度多向擾流管的沿程阻力Δp′關(guān)于冷卻水流速w 和結(jié)構(gòu)參數(shù)p／di（螺距／內(nèi)徑）的計(jì)算公式：

上式適用范圍與式（6）相同，與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差不超過(guò)±5%.

3 結(jié) 論

（1）蒸汽凝結(jié)條件下的管束傳熱試驗(yàn)表明，多向擾流管具有顯著的強(qiáng)化傳熱性能.在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，與采用光管的1號(hào)試件相比，采用多向擾流管的2號(hào)和3 號(hào)試件的總傳熱系數(shù)平均分別增大約13.8%和14.8%，且槽深相同條件下，螺距小的多向擾流管的傳熱性能更好.

（2）在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，與光管相比，2號(hào)和3號(hào)試件的流動(dòng)阻力均有所增大，平均分別增大約8.7%和10.7%，且螺距小的多向擾流管流動(dòng)阻力更大.

（3）在槽深相同的條件下，螺距減小，多向擾流管的傳熱性能提高、流動(dòng)阻力增大.但凝汽器換熱管選材首先應(yīng)考慮傳熱性能，因此在一定范圍內(nèi)，為了強(qiáng)化傳熱，建議使用螺距小的多向擾流管.

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到了試驗(yàn)條件下多向擾流管的傳熱與阻力計(jì)算公式，為工程應(yīng)用提供了一定依據(jù).

［1］ RABAS T J，TABOREK J.Heat－rate improvements obtained by retubing condensers with new，enhanced tube types［J］.Journal of Enhanced Heat Transfer，1996，3（2）：83－96.

［2］ 帥志明，李學(xué)泰.電廠凝結(jié)換熱器螺旋槽管強(qiáng)化傳熱［J］.中國(guó)電力，1993，38（4）：30－35.SHUAI Zhiming，LI Xuetai.Heat transfer enhancement of power plant condensers obtained by spirally corrugated tubes［J］.Electric Power，1993，38（4）：30－35.

［3］ 董斌，寧國(guó)泉.多螺紋不銹鋼管在凝汽器中的應(yīng)用［J］.發(fā)電設(shè)備，2005，19（5）：305－308.DONG Bin，NING Guoquan.Application of multi－rifled stainless steel tubes in condensers［J］.Power Equipment，2005，19（5）：305－308.

［4］ 孫泓.我國(guó)凝汽器換熱管材料的發(fā)展趨勢(shì)［J］.電站輔機(jī)，2009，30（2）：1－4.SUN Hong.Trend of heat exchange tube material used in condenser in China［J］.Power Station Auxiliary Equipment，2009，30（2）：1－4.

［5］ 吳慧英，帥志明，周強(qiáng)泰.凝結(jié)換熱器采用螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱研究［J］.化工學(xué)報(bào)，1997，48（5）：626－630.WU Huiying，SHUAI Zhiming，ZHOU Qiangtai.Investigation on heat transfer enhancement of the condensation heat exchanger with spirally corrugated tubes［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，1997，48（5）：626－630.

［6］ 湯亮，李曉敏，龔發(fā)云.螺旋槽管強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬及其場(chǎng)協(xié)同分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，47（5）：684－689.TANG Liang，LI Xiaomin，GONG Fayun.Numerical simulation of heat transfer in spiral groove pipe and its field synergy analysis［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2014，47（5）：684－689.

［7］ 帥志明，馮海仙，陳健.凝結(jié)條件下水平螺旋槽管強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，23（5）：126－130.SHUAI Zhiming，F(xiàn)ENG Haixian，CHEN Jian.Experimental study of horizontal heat exchanger with spirally corrugated tubes［J］.Journal of Southeast University，1993，23（5）：126－130.

［8］ 陸應(yīng)生，莊禮賢，鄧先和，等.凝汽式汽輪機(jī)乏汽凝汽器傳熱強(qiáng)化的研究［J］.熱能動(dòng)力工程，1998，13（1）：15－18.LU Yingsheng，ZHUANG Lixian，DENG Xianhe，et al.A study of the exhaust steam condenser heat transfer enhancement of a condensing steam turbine［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，1998，13（1）：15－18.

［9］ 張泉.多向擾流不銹鋼螺紋管在凝結(jié)器中的應(yīng)用［J］.能源與節(jié)能，2013，18（5）：95－96.ZHANG Quan.The applications of multi－directional turbulent flow stainless steel pipe thread in condenser［J］.Energy and Energy Conservation，2013，18（5）：95－96.

［10］ 劉洪亮，董斌.不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管在南昌電廠凝汽器中的應(yīng)用［J］.華中電力，2006，19（2）：44－46.LIU Hongliang，DONG Bin.The application of multispiral groove enhanced stainless steel tube on the condenser of Nanchang power plant［J］.Central China Electric Power，2006，19（2）：44－46.

［11］ 李國(guó)峰.不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管在凝汽器改造中的應(yīng)用［J］.工礦自動(dòng)化，2010，33（8）：127－129.LI Guofeng.The application of multi－spiral groove enhanced stainless steel tube on condenser retrofit［J］.Industry and Mine Automation，2010，33（8）：127－129.

［12］ 徐磊，張濤，楊立軍，等.汽輪發(fā)電機(jī)組板式凝汽器流程設(shè)計(jì) 研 究［J］.動(dòng) 力 工 程 學(xué) 報(bào)，2013，33（8）：625－632.XU Lei，ZHANG Tao，YANG Lijun，et al.Study on flow pass design of plate condenser for turbo－generator units［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（8）：625－632.

［13］ 張卓澄.大型電站凝汽器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：30－69.

［14］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006：310－311.