帶有中間分液結(jié)構(gòu)的管殼式冷凝器實(shí)驗(yàn)研究

李連濤，諸凱，劉圣春，王華峰（天津商業(yè)大學(xué)，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

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研究開(kāi)發(fā)

帶有中間分液結(jié)構(gòu)的管殼式冷凝器實(shí)驗(yàn)研究

李連濤，諸凱，劉圣春，王華峰
（天津商業(yè)大學(xué)，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

摘要：對(duì)于管內(nèi)凝結(jié)而言，為保持蒸汽在換熱管進(jìn)口段的高效換熱狀態(tài)而進(jìn)行中間分液，改變氣液兩相流的流型，以保持相對(duì)較高的換熱系數(shù)是“短管效應(yīng)”理論的技術(shù)舉措。結(jié)合傳統(tǒng)冷凝器的結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了一種用于實(shí)驗(yàn)研究的氣液分離臥式管殼式水冷冷凝器。通過(guò)布置在冷凝器兩端分程隔板處的不同直徑和數(shù)量的分液管來(lái)觀察其換熱效果，并與傳統(tǒng)冷凝器進(jìn)行整體換熱系數(shù)、出口冷凝液溫度及壓力損失三方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明：具有不同直徑和數(shù)量的分液管的冷凝器具有相似的熱力性能；具有不同直徑和數(shù)量的分液管的冷凝器整體換熱系數(shù)比傳統(tǒng)冷凝器要高，出口冷凝液溫度比傳統(tǒng)冷凝器要低，且具有較小的壓力損失；在測(cè)試工況下，右側(cè)開(kāi)啟1個(gè)0.5mm、1個(gè)1mm，左側(cè)開(kāi)啟2個(gè)1mm、1個(gè)0.5mm分液管的冷凝器表現(xiàn)出較好的綜合換熱性能。

關(guān)鍵詞：短管效應(yīng)；氣液兩相流；分離；分液管；管殼式冷凝器；傳熱

第一作者：李連濤（1986—），男，碩士研究生。E-mail:rdfreedom@163.com。

聯(lián)系人：諸凱，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閭鳠醾髻|(zhì)過(guò)程機(jī)理及生物傳熱。E-mail zhukai210@tju.edu.cn。

管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承壓高以及易于清洗的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)換熱過(guò)程中經(jīng)常被使用，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中也暴露出許多的問(wèn)題，如壓力損失大、產(chǎn)生流動(dòng)死區(qū)、易結(jié)垢、誘導(dǎo)性振動(dòng)大，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器整體的傳熱效果不理想。針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員提出了一系列的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，也據(jù)此開(kāi)發(fā)了一系列新型高效換熱器。這些技術(shù)分別從換熱器殼側(cè)、管側(cè)以及整體結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行了強(qiáng)化，例如螺旋槽管、波紋管、縮放管、橫紋管、變截面管、內(nèi)肋管以及內(nèi)插物管的開(kāi)發(fā)以及將殼側(cè)折流板換成折流桿或螺旋板等[1-2]，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]的介紹，采用上述強(qiáng)化換熱技術(shù)的換熱器確實(shí)能夠提高換熱效果。

針對(duì)管內(nèi)工質(zhì)冷凝，由于其換熱系數(shù)與兩相流流型之間存在很大的關(guān)聯(lián)[6-7]，若在冷凝過(guò)程中避免復(fù)雜兩相流流型的形成，換熱系數(shù)將會(huì)大大提高。其中文獻(xiàn)[8]通過(guò)含空氣蒸氣水平管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流冷凝換熱實(shí)驗(yàn)，分析了環(huán)狀流、波狀流及分層流下，影響局部換熱系數(shù)的因素。文獻(xiàn)[9]使用 VOF模型和 RSM模型對(duì)水平管內(nèi)汽液兩相流的流型及換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與已有關(guān)聯(lián)式吻合較好。文獻(xiàn)[10]采用了一種新型的管壁面外分液結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)工質(zhì)冷凝過(guò)程中兩相流的流型進(jìn)行調(diào)控，使流型與傳熱達(dá)到協(xié)同，增強(qiáng)換熱效果。彭曉峰等[11]提出一種新的強(qiáng)化傳熱思路——利用“短管效應(yīng)”強(qiáng)化管內(nèi)冷凝的方法受到研究人員的重視。某些場(chǎng)合下的傳統(tǒng)管殼式冷凝器管內(nèi)工質(zhì)冷凝，管外工質(zhì)對(duì)流換熱。隨著換熱過(guò)程的進(jìn)行，管內(nèi)工質(zhì)開(kāi)始凝結(jié)，兩相流流型變得復(fù)雜，管壁上凝結(jié)液膜的厚度增加，阻礙了工質(zhì)蒸氣與管壁的進(jìn)一步接觸，成為換熱過(guò)程中的主要熱阻。利用“短管效應(yīng)”的強(qiáng)化方法，即通過(guò)對(duì)管側(cè)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，在冷凝器兩端的分程隔板處布置分液小孔，通過(guò)分液小孔及時(shí)將凝結(jié)液排出，減薄液膜的厚度，使管壁表面在凝結(jié)過(guò)程中呈現(xiàn)出珠狀凝結(jié)狀態(tài)或者不穩(wěn)定的薄液膜狀態(tài)，避免換熱過(guò)程中復(fù)雜流型的形成，則換熱過(guò)程中熱阻將會(huì)大大降低，從而提高換熱效果?；诖?，彭曉峰等[11]設(shè)計(jì)了氣液分離式立式冷凝換熱器，通過(guò)在換熱站的實(shí)驗(yàn)得出，相比于市場(chǎng)上同類(lèi)換熱器，該氣液分離冷凝換熱器單位換熱量所需金屬材料的質(zhì)量不超過(guò)其他同類(lèi)換熱器的1/3，主體體積只有同類(lèi)換熱器的一半，換熱面積比使用強(qiáng)化管的換熱器小25%以上。陳穎等[12]也利用“短管效應(yīng)”設(shè)計(jì)了一款氣液分離式空冷冷凝器，將該冷凝器與制冷系統(tǒng)所用冷凝器進(jìn)行替換，實(shí)驗(yàn)中使用該冷凝器能夠獲得與原機(jī)型相當(dāng)?shù)闹评淞亢湍苄П?，換熱面積只有原冷凝器的73.1%。可見(jiàn)，具有合理結(jié)構(gòu)的氣液分離冷凝器的性能要優(yōu)于常用冷凝器。氣液分離冷凝器的關(guān)鍵在于分液小孔的設(shè)計(jì)，以達(dá)到“排液阻汽”的作用。陳雪清等[13]以水和空氣的混合物為工質(zhì)模擬兩相流，對(duì)含分液小孔的氣液分離器進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)。通過(guò)分析各參數(shù)對(duì)氣液分離器漏液速率和氣液分離效率的影響來(lái)獲得一定分液小孔的氣液分離器的較佳運(yùn)行工況。鄭文賢等[14]對(duì)比研究了不同分液隔板結(jié)構(gòu)的分液冷凝器對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)性能的影響。劉再?zèng)_等[15]以水和空氣模擬兩相流探究了多孔泡沫鎳分液隔板的分液特性，對(duì)分液隔板的設(shè)計(jì)起到了一定的指導(dǎo)意義。

工業(yè)上常用的冷凝器為臥式管殼式水冷冷凝器，利用“短管效應(yīng)”的強(qiáng)化換熱思路對(duì)其進(jìn)行的研究較少。本文設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)用的臥式管殼式氣液分離水冷冷凝器，進(jìn)行了與傳統(tǒng)冷凝器（無(wú)分液結(jié)構(gòu)）在整體換熱系數(shù)、冷凝液出口溫度及壓力損失三方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出的結(jié)論將為大型氣液分離水冷冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

1.1 冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該冷凝器管內(nèi)入口為過(guò)熱蒸汽，壓力為 1atm （1atm=101325Pa），要求溫度從 120℃降至飽和液溫度100℃；管外走水，入口溫度為20℃。在查閱換熱器相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)后[16-17]，進(jìn)行冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，完成冷凝器的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1所示。

表1 管殼式氣液分離冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為管殼式氣液分離冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖。該凝器為一殼程四管程的弓形折流板換熱器，殼程走水，管程走水蒸氣，冷、熱流體的流動(dòng)方向相反。冷凝器的殼內(nèi)依次排列7根換熱管，第一管程3根管，第二管程2根管，第三管程1根管，第四管程1根管。這樣的管排布置能夠降低管內(nèi)蒸汽流速變化幅度，壓力損失??；同時(shí)經(jīng)過(guò)分液后管程入口干度接近于 1，換熱器整體的溫度水平較高。在冷凝器管箱左、右側(cè)的分程隔板上設(shè)置有5個(gè)直徑不同的小孔，每個(gè)小孔分別與可以開(kāi)關(guān)的分液管連接，用于凝結(jié)液的及時(shí)排出和收集，匯總后的凝結(jié)液連接到冷凝器出口，出口溫度及壓力測(cè)點(diǎn)之前。當(dāng)過(guò)熱蒸汽流經(jīng)第一管程時(shí)，由于冷凝作用產(chǎn)生一定量的汽液混合物，該混合物在進(jìn)入第二管程前，由于汽液兩相密度不同，液相會(huì)經(jīng)右側(cè)分程隔板處的分液小孔進(jìn)入分液管，此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將其引出。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在保證有效汽液分離的同時(shí)，進(jìn)入第二管程的蒸汽干度會(huì)接近于1。同理在經(jīng)過(guò)左側(cè)的分程隔板處也會(huì)引出冷凝液，提高了進(jìn)入第三管程的蒸汽干度。干度增加，將有利于提高換熱系數(shù)。

圖1 管殼式氣液分離冷凝器結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

本文設(shè)計(jì)并搭建了管殼式氣液分離冷凝器凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及測(cè)量系統(tǒng)三部分組成。電加熱蒸汽發(fā)生器1產(chǎn)生具有一定過(guò)熱度的蒸汽通過(guò)流量計(jì)以及壓力、溫度傳感器進(jìn)入管殼式分液冷凝器2中，經(jīng)過(guò)冷凝以后變成飽和水進(jìn)入低溫恒溫槽4，水冷卻到設(shè)定的溫度后進(jìn)入儲(chǔ)液罐6中，再由給水泵7打到蒸汽發(fā)生器1中，完成循環(huán)。殼側(cè)的冷卻水為自來(lái)水，通過(guò)閥門(mén)可以控制進(jìn)入管殼式分液冷凝器的冷卻水流量。其中電蒸汽發(fā)生器的額定蒸發(fā)量為 30kg/h，額定工作壓力 0.7MPa（可調(diào)節(jié)）。溫度的測(cè)量采用的是T形熱電偶，量程0～200℃，測(cè)量精度±0.1℃。壓力傳感器的量程0～1MPa，測(cè)量精度為0.1%FS。流量計(jì)采用的渦街流量計(jì)，可以在-20～250℃的工作范圍內(nèi)工作，測(cè)量精度為0.5%FS。

圖2 凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)不開(kāi)啟分液管，保持冷卻水進(jìn)口溫度及流量不變，調(diào)整蒸汽進(jìn)口溫度及壓力，直至冷凝器出口凝結(jié)液為飽和水，此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。讀取蒸汽側(cè)及冷卻水側(cè)進(jìn)出口溫度及流量，通過(guò)計(jì)算可以得出傳統(tǒng)冷凝器的整體換熱系數(shù)。然后分別開(kāi)啟不同數(shù)目的分液管，通過(guò)冷凝器進(jìn)出口參數(shù)的變化可以計(jì)算分液冷凝器的換熱系數(shù)。改變蒸汽溫度以及流量，重復(fù)上述步驟。前期的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)啟右側(cè)的分液管后，排出的為氣液混合物，開(kāi)啟左側(cè)的分液管，在保證有效的氣液分離下，開(kāi)啟的最大數(shù)目是3根。這說(shuō)明右側(cè)分液小孔的孔徑相對(duì)于此時(shí)工況偏大，在分液隔板處的冷凝液不足以形成水封，不能起到“排液阻汽”的作用。所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中減小了分液孔的直徑，觀察汽液分離效果以及其他參數(shù)的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了保證右側(cè)分程隔板分液孔處能夠形成有效的液封，將孔徑減小至0.5mm和1mm。在這定義不同的分液孔組合方式，即不同孔徑和個(gè)數(shù)的分液孔的組合，即進(jìn)行具有3種不同分液結(jié)構(gòu)的冷凝器與傳統(tǒng)冷凝器的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。如表2所示。

表2 分液孔組合方式

圖3、圖4、圖5是在冷凝器蒸汽進(jìn)口溫度、壓力不變以及冷卻水側(cè)流量和進(jìn)口溫度不變的情況下入口蒸汽流量變化時(shí)，冷凝器整體換熱系數(shù)、出口冷凝液溫度及壓力損失與分液孔組合方式之間的關(guān)系曲線。由圖3可以看出，隨著入口蒸汽流量的增加，各種組合方式的換熱系數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。一方面是因?yàn)榱髁康脑黾?，增大了兩相流在管?nèi)的擾動(dòng)；另一方面冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝液能夠及時(shí)地通過(guò)分液孔排出，避免了復(fù)雜氣液兩相流流型的形成，使流型保持在過(guò)熱蒸汽濕壁面或環(huán)狀流狀態(tài)，從而減小了換熱熱阻，提高了換熱系數(shù)。其中流量為0.4L/s時(shí)，B、C、D方式的換熱系數(shù)分別比A方式的換熱系數(shù)高14.2%、15.5%和25.1%?？梢?jiàn)，帶有分液孔的冷凝器比傳統(tǒng)的冷凝器換熱效果要好。其中B方式開(kāi)始換熱系數(shù)增長(zhǎng)較快，后期變慢，原因?yàn)楹笃谀Y(jié)的冷凝液不能夠及時(shí)地排出，氣液兩相流流型從環(huán)狀流過(guò)渡到液膜更厚的半環(huán)狀流或波狀流，妨礙了換熱系數(shù)的增加，所以換成D方式后，換熱系數(shù)繼續(xù)增加。

由圖4可以看出，每一種組合方式下，冷凝液出口溫度都是從100℃逐漸降低的。A方式的降低幅度最小，D方式降低幅度最大。在冷凝的過(guò)程中，隨著分液孔孔徑的增大，能夠有效地將冷凝液及時(shí)的排出，換熱系數(shù)增加的同時(shí)，冷凝液出口溫度必然降低。其中A、B、C、D方式分別降低了1.4℃、2.5℃、2.8℃和3.8℃。

圖5描述的是冷凝器管側(cè)進(jìn)出口兩端的壓力損失隨著入口蒸汽流量變化的曲線。其中A方式的壓力損失最大，并且呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。蒸汽流量變大，蒸汽流速變大，沿程阻力損失變大，同時(shí)隨著流量增加，管程末端的凝結(jié)液越積越多，這樣蒸汽進(jìn)出口的壓差就會(huì)變大。而 B、C、D方式的壓差維持在一個(gè)范圍波動(dòng)，壓力損失較小。一方面是因?yàn)槔淠旱奶崆芭懦?，減小了沿程損失；另一方面隨著冷凝液的排出，為了保持管內(nèi)工質(zhì)流量分配的均勻性，換熱管數(shù)目逐程減少，工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中引起的壓力損失降低。其中D方式的壓力損失最小，也就說(shuō)明D方式中的工質(zhì)通過(guò)氣液分離后，有效的降低了管內(nèi)由于復(fù)雜兩相流引起的流動(dòng)失穩(wěn)，獲得了比B、C兩種方式更加均勻的流量分配，沿程阻力損失最小。

圖6、圖7、圖8是在冷凝器蒸汽進(jìn)口流量、壓力不變以及冷卻水側(cè)流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，入口蒸汽溫度變化時(shí)冷凝器整體換熱系數(shù)、出口冷凝液溫度及壓力損失與分液孔組合方式之間的關(guān)系曲線。由圖6中可以看出，隨著入口蒸汽溫度的升高，冷凝器整體換熱系數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。B 和C方式較A方式增長(zhǎng)斜率要小于D方式的增長(zhǎng)斜率。入口蒸汽溫度升高，影響了殼側(cè)介質(zhì)的定性溫度，從而影響了和定性溫度有關(guān)的Re數(shù)及Pr數(shù)，從而導(dǎo)致殼側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)變大；由于分液孔的設(shè)置，冷凝液排出得越及時(shí)，管內(nèi)兩相流的流態(tài)越趨于穩(wěn)定，就能夠使壁面保持在具有較高換熱系數(shù)的珠狀凝結(jié)或薄液膜凝結(jié)。其中D方式設(shè)置的分液小孔較多，其換熱系數(shù)是最高的。

圖3 換熱系數(shù)與蒸汽流量變化曲線

圖4 出口冷凝液溫度與蒸汽流量變化曲線

圖5 壓力損失與蒸汽流量變化曲線

由圖7可以看出，隨著入口蒸汽溫度的升高，A方式的冷凝器出口冷凝液溫度呈升高趨勢(shì)，而B(niǎo)、C、D方式的冷凝器出口冷凝液溫度呈下降趨勢(shì)，且都小于100℃。A方式是傳統(tǒng)的冷凝器，當(dāng)入口溫度比設(shè)計(jì)參數(shù)還要高時(shí)，冷凝器的冷卻能力已經(jīng)達(dá)到最大，所以出口溫度呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。而B(niǎo)、C、D方式由于設(shè)置分液小孔，隨著圖6所示的冷凝器整體換熱系數(shù)提高，則出口冷凝液溫度下降，D方式下降幅度最大至2.8℃，而B(niǎo)、C方式下降幅度至2.3℃、2.5℃。

圖6 換熱系數(shù)與蒸汽溫度變化曲線

圖7 出口冷凝液溫度與蒸汽溫度變化曲線

圖8 壓力損失與蒸汽溫度變化曲線

由圖8可以看出，對(duì)于A方式代表的傳統(tǒng)冷凝器，蒸汽溫度升高，壓力損失增大。主要是因?yàn)闇囟壬吆螅涌炝四Y(jié)液與壁面的對(duì)流沖刷，也就增大了沿程阻力的損失。而 B、C、D方式由于采用了平行流布置方式，壓力損失在小范圍內(nèi)波動(dòng)，且都小于A方式的壓力損失?？梢?jiàn)B、C、D方式在增加換熱系數(shù)的同時(shí)，也能夠減小管側(cè)壓力損失，其中D方式的整體性能最好。

3 結(jié) 論

（1）具有分液隔板的冷凝器整體換熱系數(shù)比傳統(tǒng)冷凝器要高。其中在流量為0.4L/s時(shí)，具有分液孔結(jié)構(gòu)的冷凝器的換熱系數(shù)分別比傳統(tǒng)冷凝器的換熱系數(shù)高14.2%、15.5%和25.1%，且具有較小的壓力損失。

（2）具有不同分液孔組合的分液冷凝器所表現(xiàn)出的熱力性能相似。在測(cè)試工況下，右側(cè)具有1 個(gè)0.5mm、1個(gè)1mm及左側(cè)具有2個(gè)1mm、1個(gè)0.5mm 的分液孔的結(jié)構(gòu)要優(yōu)于右側(cè)具有 1個(gè)0.5mm、1個(gè)1mm及左側(cè)具有2個(gè)1mm的分液孔的結(jié)構(gòu)和右側(cè)具有 2個(gè) 0.5mm及左側(cè)具有 2個(gè)1mm分液孔的結(jié)構(gòu)，所以不同工況存在著分液孔的最佳組合方式。

參 考 文 獻(xiàn)

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Experimental study of shell and tube condenser with middle liquid separation structure

LI Liantao，ZHU Kai，LIU Shengchun，WANG Huafeng
（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

Abstract:As to condensation in tube，the technology initiatives of the “short-tube effect” theory to maintain a relatively higher heat transfer coefficient are making intermediate separation of the liquid，and changing the flow regimes of gas-liquid flow，in order to keep the steam in the heat exchange tube at the inlet section at a high-efficient heat transfer state. Combined with the structure of traditional condenser，a horizontal-water cooling shell and tube condenser with liquid separation structure was designed for experimental study in this paper. Heat transfer effect was observed by different diameters and numbers of liquid separation pipes arranged at pass partition plate of condenser. The results were compared to the traditional condenser with respect to the overall heat transfer coefficient，outlet condensate temperature and pressure loss. It was shown that the condensers with different diameters and numbers of liquid separation pipes have similar thermal performance. The overall heat transfer coefficient of condensers with different diameters and numbers of liquid separation pipes is higher than that of the traditional condenser. The outlet condensate temperature is lower than that of the traditional condenser and has lower pressure loss. The condenser with liquid separation pipes with the diameter of 0.5mm and 1mm at right side and the pipes with the diameter of 1mm，0.5mm at left side has a better comprehensive heat transfer performance under the test conditions.

Key words:short-tube effect；gas-liquid flow；separation；liquid separation pipes；shell and tube condenser；heat transfer

中圖分類(lèi)號(hào)：TK 124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6613（2016）05-1332-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.011

收稿日期：2015-11-09；修改稿日期：2015-12-07。

基金項(xiàng)目：國(guó)家863科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA053001）。