殼體冷凝器換熱特性試驗(yàn)研究

韓勇軍，白　超，楊赪石，彭　博，郭兆元，路　駿，馬為峰

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

殼體冷凝器換熱特性試驗(yàn)研究

韓勇軍，白超，楊赪石，彭博，郭兆元，路駿，馬為峰

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

為深入研究閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)殼體冷凝器的換熱特性，對采用多組螺旋矩形通道的殼體冷凝器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了蒸汽入口流量和溫度對冷凝器換熱特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明: 多組螺旋矩形通道具有較好的強(qiáng)化換熱效果，換熱效果隨著雷諾數(shù)的增加而逐步增強(qiáng)，冷凝器總平均換熱量、熱流密度及凝結(jié)水出口溫度均隨冷凝器入口蒸汽溫度和蒸汽流量的升高而升高； 但總傳熱系數(shù)和蒸汽側(cè)換熱系數(shù)則隨冷凝器入口蒸汽溫度的升高而降低，隨冷凝器入口蒸汽流量的升高而升高； 并且隨著入口蒸汽流量的增加，凝結(jié)水出口溫度變化并不是很大。最后在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)得出了換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，可以作為殼體冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。

殼體冷凝器； 換熱特性； 閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)

0　引言

在閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)中，殼體冷凝器的作用是將做功后的乏氣快速冷凝成液態(tài)為系統(tǒng)提供循環(huán)利用工質(zhì)。汽輪機(jī)出口乏汽能否快速而高效的冷凝是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，故殼體冷凝器工作性能的好壞直接影響到閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性。因此，合理設(shè)計(jì)殼體冷凝器，使汽輪機(jī)乏汽高效快速凝結(jié)，對動(dòng)力系統(tǒng)具有重要意義。有必要針對閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)這種特殊應(yīng)用環(huán)境的殼體冷凝器開展深入的冷凝換熱特性試驗(yàn)研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對工業(yè)用汽車、空調(diào)、制冷等行業(yè)中的冷凝器進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究，但對閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)中殼體冷凝器的相關(guān)研究很少，試驗(yàn)研究更為鮮有。

文章以閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)中殼體冷凝器為對象，對其換熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了蒸汽入口流量和溫度對殼體冷凝器換熱特性的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得出了換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，可以作為殼體冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，并為閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)研制提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1試驗(yàn)裝置

為模擬產(chǎn)品真實(shí)使用環(huán)境，冷凝器試驗(yàn)裝置采用套管結(jié)構(gòu)，外殼體與冷凝器之間為冷卻水。試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1　Structure of experiment system

結(jié)合殼體冷凝器特殊的使用和運(yùn)行環(huán)境，冷凝器采用內(nèi)、外兩層殼體的形式，內(nèi)殼體外圓周布置冷卻通道，外殼體為光滑圓筒形殼體。冷卻通道采用多組螺旋矩形通道，每組冷卻通道設(shè)計(jì)多個(gè)進(jìn)口通道和1個(gè)回流通道（主要考慮乏汽在冷凝器內(nèi)換熱后，水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水，體積容量減?。?。由于試驗(yàn)條件的限制，冷卻水流量無法達(dá)到真實(shí)產(chǎn)品使用要求，故采用縮比試驗(yàn)方式。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中主要采用了幾何相似、動(dòng)力相似、運(yùn)動(dòng)相似等相似原理以保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真實(shí)冷凝器中的流動(dòng)換熱現(xiàn)象相似。根據(jù)相似理論的幾何相似要求，冷凝器試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦鋮s通道形式、通道寬度和高度尺寸均與真實(shí)冷凝器保持一致，僅將冷凝器模型的外徑和冷卻通道數(shù)量縮小為真實(shí)冷凝器的一半，以適應(yīng)現(xiàn)有試驗(yàn)臺冷卻水量供應(yīng)能力。根據(jù)運(yùn)動(dòng)相似與動(dòng)力相似要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真實(shí)冷凝器冷卻通道內(nèi)的蒸汽流速和流動(dòng)雷諾數(shù)要求相似，故試驗(yàn)時(shí)將蒸汽流量設(shè)置為真實(shí)冷凝器蒸汽流量的一半，蒸汽溫度、壓力與真實(shí)冷凝器保持一致，以保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔總€(gè)通道內(nèi)的蒸汽流量、流速與真實(shí)冷凝器保持一致，進(jìn)而保證流動(dòng)雷諾數(shù)相似。

殼體冷凝器工作時(shí)蒸汽能量首先通過對流換熱的方式傳遞給外殼體內(nèi)表面，然后由外殼體內(nèi)表面經(jīng)導(dǎo)熱傳遞給外殼體外表面，最終通過對流換熱的方式傳遞給雷外海水。殼體冷凝器外部對流換熱和內(nèi)部導(dǎo)熱特性可由現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式較為準(zhǔn)確的預(yù)測和計(jì)算，故本試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注殼體冷凝器內(nèi)部凝結(jié)換熱過程。為保證與實(shí)際殼體冷凝器工作環(huán)境一致，殼體冷凝器試驗(yàn)裝置采用套管結(jié)構(gòu)，套管與殼體冷凝器之間為冷卻水。殼體冷凝器的冷卻采用水冷方式，在試驗(yàn)裝置外殼體內(nèi)表面設(shè)計(jì)了螺旋溝槽，使冷卻水在試驗(yàn)裝置外殼體內(nèi)螺旋流動(dòng)以達(dá)到更好的冷卻效果。

水蒸氣經(jīng)殼體冷凝器蒸汽入口通道流入殼體冷凝器，在冷卻通道中被殼體冷凝器外冷卻水冷凝成液態(tài)水，然后由凝結(jié)水出口通道流出。

1.2測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)如圖2所示，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生一定流量、溫度和壓力的過熱蒸汽，進(jìn)入試驗(yàn)裝置內(nèi)并與外部一定流速的冷卻水進(jìn)行凝結(jié)換熱，高溫蒸汽放出熱量后凝結(jié)成水，由試驗(yàn)裝置出口流出（如果冷凝器的換熱能力不足，可能會(huì)有部分蒸汽存在）。通過分別測量冷凝器入口蒸汽、出口凝結(jié)水以及出口蒸汽的流量、溫度和壓力（若凝結(jié)水流量和入口蒸汽流量相同或者出口蒸汽流量為零，則表明入口蒸汽完全凝結(jié)），可以求出高溫蒸汽流經(jīng)冷凝器的焓降和換熱熱流密度； 通過測量冷凝器殼體外部冷卻水的流量和溫度，可以計(jì)算得到冷凝器內(nèi)蒸汽凝結(jié)換熱的對流換熱系數(shù)。

蒸汽流量由精度等級為0.5%FS的文丘里差壓式流量儀測量，蒸汽進(jìn)出口溫度和冷卻水進(jìn)出口溫度由PT100溫度傳感器測量，測量精度為0.2%FS。蒸汽進(jìn)口壓力和凝結(jié)水出口壓力、冷卻水進(jìn)出口壓力由麥克壓力傳感器測量，測量精度等級為0.5%FS。冷卻水流量和凝結(jié)水出口流量由精度等級為0.5%FS的渦輪流量計(jì)測量。測量數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制模塊進(jìn)行采集，測點(diǎn)布置示意圖如圖3所示。

圖2　測試系統(tǒng)Fig. 2　Test system

圖3　試驗(yàn)裝置測點(diǎn)布置示意圖Fig. 3　Schematic of testing points arrangement on experiment system

試驗(yàn)工況如下: 蒸汽入口雷諾數(shù)Re=17 000～50 000，蒸汽在試驗(yàn)段進(jìn)口的壓力為0.2～1 MPa、溫度為150～250℃、流量為50～120 g/s。

1.3數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1熱平衡及質(zhì)平衡

1）熱平衡

由于管路、試驗(yàn)裝置與外界不可能完全絕熱，試驗(yàn)過程中蒸汽經(jīng)過試驗(yàn)系統(tǒng)管路和試驗(yàn)裝置時(shí)會(huì)與外部環(huán)境交換部分熱量，產(chǎn)生熱量損失，可用相對熱平衡率進(jìn)行衡量。

冷水吸熱量［1］

蒸汽放熱量［1］

式中: hcd，in為冷凝器入口蒸汽焓值； hcd，out為冷凝器出口凝結(jié)水焓值。

相對熱平衡率［2］

2）質(zhì)平衡

冷凝器進(jìn)出口的質(zhì)量平衡關(guān)系可用相對質(zhì)平衡率進(jìn)行衡量。

相對質(zhì)平衡率［2］

1.3.2換熱系數(shù)

冷凝器外側(cè)熱流密度［3］

由于冷凝器模型的換熱過程屬于變溫傳熱，故用對數(shù)平均溫差［2］衡量傳熱溫差。

對數(shù)平均溫差是指換熱器兩端溫差的對數(shù)平均值。計(jì)算公式如下

式中: Tcd，in為冷凝器蒸汽入口溫度； Tcd，out為冷凝器凝結(jié)水出口溫度。

冷凝器總傳熱系數(shù)

通過熱阻的串聯(lián)，可得

式中: ?o為冷卻水側(cè)換熱系數(shù)； Rw為管壁導(dǎo)熱熱阻； ?cd為蒸汽側(cè)換熱系數(shù)； Ao和Ai分別為冷凝器外殼體外表面和內(nèi)殼體外表面換熱面積。其中，冷卻水側(cè)換熱系數(shù)可表達(dá)為［3］

式中: VT為冷卻水的流速；νs為冷卻水運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)； Prs為冷卻水普朗特?cái)?shù)；λs為冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)。

以管壁外表面為基準(zhǔn)的管壁導(dǎo)熱熱阻可表達(dá)為［2］

式中: λcd為冷凝器管壁導(dǎo)熱系數(shù)； Di為冷凝器外殼體內(nèi)徑。

已知冷卻水側(cè)換熱系數(shù)和冷凝器管壁導(dǎo)熱熱阻后，蒸汽側(cè)換熱系數(shù)可表達(dá)為

通道平均努塞爾數(shù)定義為［3-4］

式中: decd為通道水力直徑； decd=4×通道流通截面積/通道濕周長； λv為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果分析

按照設(shè)定工況進(jìn)行試驗(yàn)并根據(jù)上述處理方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到熱平衡、質(zhì)平衡參數(shù)及相關(guān)參數(shù)的變化曲線如圖4～圖6所示。

從曲線中可以看出，相對熱平衡率在-2%～15%之間，相對質(zhì)平衡率在-0.3%～3%之間，說明試驗(yàn)過程散熱損失在合理范圍內(nèi)，冷凝器進(jìn)出口質(zhì)量基本守恒。從試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，冷凝器總平均換熱量、熱流密度以及凝結(jié)水出口溫度均隨冷凝器入口蒸汽溫度和蒸汽流量的升高而升高。但總傳熱系數(shù)和蒸汽側(cè)換熱系數(shù)隨冷凝器入口蒸汽溫度的升高而降低，隨冷凝器入口蒸汽流量升高而升高，并且隨著入口蒸汽流量的增加，凝結(jié)水出口溫度變化并不是很大。主要是當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流量增加時(shí)，入口蒸汽流速也隨之增加，蒸汽換熱系數(shù)亦跟隨增加，故在一定流量范圍內(nèi)雖然總體換熱量增加，而冷凝器出口溫度變化并不是很大。

圖4　相對熱平衡率與相對質(zhì)平衡率Fig. 4　Relative thermal equilibrium ratio and relative mass balance ratio

圖5　各相關(guān)參數(shù)隨入口乏汽溫度變化曲線Fig. 5　Curves of relevant parameters versus inlet temperature of steam exhaust

圖6　各相關(guān)參數(shù)隨入口乏汽質(zhì)量流量變化曲線Fig. 6　Curves of relevant parameters versus inlet flowrate of steam exhaust

2.2換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法［5］進(jìn)行多元非線性回歸計(jì)算，最后得到換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式［6］

適用條件: 蒸汽入口Re=17 000～50 000，Pr= 0.956～1.05。定性尺寸為通道水力直徑。

圖7反映了準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式與換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的接近程度，其中橫坐標(biāo)Nue表示試驗(yàn)測量努賽爾數(shù)值，縱坐標(biāo)Nuc表示在相同的工況條件下準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值。由圖7可以看出，計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值相對誤差在-15.3%～6.3%之間，說明關(guān)聯(lián)式可以很好的反映冷凝器換熱特性與各參數(shù)之間的關(guān)系。

3　結(jié)束語

熱特性的影響。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)得出了換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，可以作為殼體冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，并為閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)研制提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

通過對采用多組螺旋矩形通道的殼體冷凝器換熱特性的試驗(yàn)研究，得出了各參數(shù)對冷凝器換

圖7　試驗(yàn)值Nue與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值Nuc的對比Fig. 7　Comparison between experimental Nueand calculated Nuc

［1］ 沈維道，蔣智敏，童鈞耕. 工程熱力學(xué)［M］. 第3版. 北京: 高等教育出版社，2001.

［2］ 余建祖. 換熱器原理與設(shè)計(jì)［M］. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］ 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)［M］. 第4版. 北京: 高等教育出版社，2006.

［4］ 史曉軍. 蒸汽冷卻帶肋矩形通道傳熱和壓降實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47（11）: 1-6.

Shi Xiao-jun. Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Rectangular Channels with Ribs［J］. Journal of Xi?an Jiaotong University，2013，47（11）: 1-6.

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Zheng Hui-fan. Study of Heat Transfer Enhancement in Horizontal Rectangular Channel with Staggered Holed Baffles［J］. Journal of Xi?an University of Architecture & Technology（Natural Science Edition），2005，37（4）: 504-508.

（責(zé)任編輯: 陳曦）

Experimental Investigation on Heat Transfer Characteristic of Shell Condenser

HAN Yong-jun，BAI Chao，YANG Cheng-shi，PENG Bo，GUO Zhao-yuan，LU Jun，MA Wei-feng
（The 705 Research Institute，China shipbuilding Industry Corporation，Xi?an 710075，China）

To reveal the heat transfer characteristic in the shell condenser of a closed-loop thermal propulsion system，experimental research was conducted on a shell condenser with multi-groups helical rectangular channels. The effects of flow rate and temperature of inlet steam on the heat transfer performance of the condenser were analyzed. The results indicate that the multi-group helical rectangular channels can enhance heat transfer performance，and the heat transfer performance improves as the Reynolds number increases. In addition，the total average heat transfer amount，the heat flow density，and the outlet temperature of condensed water increase as the flow rate and temperature of the inlet steam rise. On the other hand，the total heat transfer coefficient and the steam-side heat transfer coefficient decrease as the inlet steam temperature rises，while they increase as the flow rate of inlet steam increases. However，the outlet temperature of the condensed water changes slightly when the inlet steam flow rate increases. Consequently，a criterion formula of heat transfer is derived based on the experimental data to provide a basis for the design of shell condensers.

shell condenser； heat transfer characteristic； closed-loop thermal propulsion system

TJ630.32

A

1673-1948（2015）05-0348-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.006

2015-07-08；

2015-08-22.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61403306）； 中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014M552503）.

韓勇軍（1986-），男，在讀博士，工程師，主要研究方向?yàn)轸~雷熱動(dòng)力技術(shù).