水-酒精混合蒸氣在板式換熱器中凝結(jié)時(shí)的壓降特性

喬宏斌，王 順，胡申華

(南京工程學(xué)院 電力仿真與控制工程中心,南京 211167)

水-酒精混合蒸氣在板式換熱器中凝結(jié)時(shí)的壓降特性

喬宏斌，王 順，胡申華

(南京工程學(xué)院 電力仿真與控制工程中心,南京 211167)

通過(guò)設(shè)計(jì)搭建板式換熱器凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了不同酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%、1%、10%和50%)、蒸氣壓力(70 kPa、80 kPa和90 kPa)和蒸氣流速(15 m/s和25 m/s)下，水-酒精混合蒸氣在板式換熱器中凝結(jié)時(shí)的熱側(cè)壓降隨出口蒸氣干度的變化特性.在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用Lockhart-Martinelli模型計(jì)算壓降，并對(duì)其進(jìn)行修正.結(jié)果表明：壓降隨著酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高，與純水蒸氣相比，在同樣工況下，50%酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混合蒸氣壓降增大近1倍；在相同的酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蒸氣流速和出口蒸氣干度下，蒸氣壓力對(duì)壓降影響明顯，蒸氣壓力越大壓降越??；實(shí)驗(yàn)值與擬合值的對(duì)比誤差在±20%.

混合蒸氣；板式換熱器；凝結(jié)；壓降；傳熱

符號(hào)說(shuō)明：

A——板片換熱面積，m2

X——Lockhart-Martinelli模型參數(shù)

AC——PHE單通道流通截面積，m2

Δp——總壓降，Pa

cp——比定壓熱容，J/(kg·K)

Δx——干度變化

de——PHE流通等效直徑，m

Δh——蒸氣凝結(jié)潛熱，kJ/kg

f——摩擦因數(shù)

δ——板片厚度、凝結(jié)液膜的厚度，m

L——PHE板片的寬度，m

ρ——密度，kg/m3

p——壓力，kPa

φ——兩相摩擦分液相表觀系數(shù)

q——熱流密度，W/m2

qm—質(zhì)量流量，kg/s

n——流道數(shù)目

T——溫度，K

U——流速，m/s

w——混合蒸氣酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

x——PHE出口蒸氣干度

xm——PHE內(nèi)部平均蒸氣干度

下標(biāo)

CW——冷卻水

L——液相

G—— 氣相

in——進(jìn)口

m——平均值

mix——混合項(xiàng)

out——出口

板式換熱器(Plate Heat Exchanger,PHE)是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的新型高效換熱器.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)板式換熱器的研究涉及內(nèi)容很多，主要研究熱點(diǎn)離不開(kāi)如何提高其換熱效果和降低壓降.低濃度水-酒精混合蒸氣在物體表面凝結(jié)時(shí)，由于Marangoni效應(yīng)，其傳熱系數(shù)相較于純水蒸氣能提高2～8倍[1-2].研究表明這種低濃度提高傳熱系數(shù)的現(xiàn)象在板式換熱器中也存在，因此研究水-酒精混合蒸氣的壓降特性顯得非常重要.在壓降方面，很多學(xué)者對(duì)氣-液冷凝換熱進(jìn)行了定性定量地分析.

通過(guò)以上文獻(xiàn)可以看出，氣液兩相流在板式換熱器中壓降的研究以制冷空調(diào)行業(yè)中制冷劑的蒸發(fā)和冷凝研究為主.筆者通過(guò)設(shè)計(jì)和搭建能在正負(fù)壓下運(yùn)行的具有高氣密性的PHE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取能產(chǎn)生Marangoni珠狀凝結(jié)換熱的水-酒精混合物作為混合蒸氣，在不同蒸氣壓力、流速和酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)下進(jìn)行蒸氣部分凝結(jié)換熱壓降實(shí)驗(yàn)，分析其變化規(guī)律.并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立壓降理論模型，從而指導(dǎo)板式換熱器的設(shè)計(jì)，促進(jìn)中低溫能源的利用.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從功能上可以分為5部分：混合工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、輔助凝氣器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、抽真空-冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).混合蒸氣從蒸氣發(fā)生器進(jìn)入板式換熱器中進(jìn)行凝結(jié)，未完全凝結(jié)的蒸氣進(jìn)入輔助凝氣器繼續(xù)冷卻.同時(shí)，輔助凝氣器也作為整個(gè)蒸氣循環(huán)系統(tǒng)的調(diào)壓設(shè)備.空氣作為不凝結(jié)氣體對(duì)蒸氣凝結(jié)換熱的影響明顯，為避免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不凝結(jié)氣體進(jìn)入混合工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)并保證混合蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了抽真空部分，以盡量減少不凝結(jié)氣體對(duì)換熱的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)氣密性的更高要求.

1-安全閥；2-壓力變送器；3-渦街流量計(jì)；4-蒸氣側(cè)進(jìn)熱電偶；5-水側(cè)出熱電偶；6-蒸氣側(cè)差壓變送器；7-蒸氣側(cè)出熱電偶；8-水側(cè)進(jìn)熱電偶；9-板式換熱器；10-渦輪流量計(jì)；11、14-調(diào)節(jié)閥；12-管殼式換熱器；13-抽真空閥；15-數(shù)據(jù)采集模塊；16-計(jì)算機(jī)；17-冷卻水箱；18-循環(huán)泵；19-管道增壓泵；20-電加熱絲；21-蒸氣發(fā)生器.

圖1 Marangoni凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

Fig.1 Schematic view of the Marangoni condensation test rig

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先運(yùn)行輔助凝汽器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和抽真空-冷卻系統(tǒng)，抽至系統(tǒng)的最低壓力后通電加熱，當(dāng)系統(tǒng)壓力逐漸上升至接近工況壓力時(shí)，根據(jù)流速需求，調(diào)節(jié)蒸氣發(fā)生器加熱絲的加熱功率，并開(kāi)啟冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)管殼式換熱器的冷卻水流量，將未凝結(jié)的蒸氣完全凝結(jié)，并維持整個(gè)系統(tǒng)的壓力.壓力穩(wěn)定后，開(kāi)始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).當(dāng)板式換熱器的冷卻水溫升高到混合蒸氣幾乎不在板式換熱器中凝結(jié)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)流量計(jì)測(cè)出蒸氣的質(zhì)量流量qm,G.由于混合蒸氣循環(huán)基本上為一個(gè)封閉系統(tǒng)，通過(guò)下式可計(jì)算得到單通道蒸氣的實(shí)際流速：

(1)

水-酒精混合蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)使用廣泛的UNIFAC基團(tuán)貢獻(xiàn)法來(lái)計(jì)算確定[18].

通過(guò)測(cè)量冷卻水進(jìn)、出口溫度和流量，可以計(jì)算出冷卻水的熱流密度：

qCW=qm,CWcp(TCW,out-TCW,in)/A

(2)

混合蒸氣在板式換熱器中釋放熱量后，其干度變化為

(3)

進(jìn)入板式換熱器的混合蒸氣干度可視為1，在板式換熱器中干度變化為Δx，取出口蒸氣干度作為依據(jù)，研究壓降隨出口蒸氣干度變化的規(guī)律.

文中參照文獻(xiàn)選取混合蒸氣中的酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、1%、10%和50%.不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓力下的蒸氣飽和溫度如表1所示.實(shí)驗(yàn)壓力條件為70 kPa、80 kPa和90 kPa，流速取15 m/s和25 m/s.

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度

Tab.1 Saturated temperature at different vapor pressures and ethanol mass fraction

酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%壓力/kPa飽和溫度/℃09096.88093.67090.119096.68093.47089.9109095.48092.27088.6509089.08086.07082.6

在換熱過(guò)程中，冷卻水和蒸氣為逆流換熱方式.其中板片尺寸為212 mm×465 mm，接口進(jìn)、出口直徑均為50 mm，其他參數(shù)見(jiàn)表2.不確定度分析結(jié)果見(jiàn)表3.

表2 板式換熱器幾何參數(shù)

表3 不確定度分析

在PHE的蒸氣凝結(jié)過(guò)程中，壓降是其重要的特性參數(shù).蒸氣凝結(jié)總壓降由實(shí)驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)、出口差壓變送器獲得.蒸氣凝結(jié)總壓降由兩相摩擦壓降Δpf、重力壓降Δpg、加速壓降Δpa和附加壓降Δpadd構(gòu)成，其表達(dá)式如下：

Δp=Δpf+Δpg+Δpa+Δpadd

(4)

Wang等[3]研究發(fā)現(xiàn)重力壓降、加速壓降和附加壓降分別占總壓降的0.2%、4%和2.1%，則在板式換熱器中，兩相摩擦壓降是影響蒸氣凝結(jié)總壓降的主要部分.因此主要對(duì)兩相摩擦壓降進(jìn)行分析研究，并在計(jì)算結(jié)果上進(jìn)行修正，以對(duì)蒸氣側(cè)總壓降進(jìn)行預(yù)測(cè).

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱側(cè)壓降的影響

圖2(a)、圖2(b)分別為70 kPa和90 kPa壓力下板式換熱器蒸氣側(cè)壓降隨出口蒸氣干度的變化曲線.由圖2可知，在不同酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)下壓降變化規(guī)律相同，都隨著出口蒸氣干度的增大而升高.在不同壓力下，酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)板式換熱器熱側(cè)壓降影響較大，隨著酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增大，板式換熱器熱側(cè)壓降也不斷升高.在70 kPa時(shí)，酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%和10%的壓降曲線差別較明顯，可以比較清楚地看出其變化趨勢(shì).當(dāng)壓力達(dá)到90 kPa時(shí)，各酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的壓降變化十分接近.

(a)

(b)

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，相同出口蒸氣干度下，酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大壓降越高.高酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)壓降升高1倍左右.隨著酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，混合蒸氣的凝結(jié)潛熱隨之減小，在同樣的冷卻強(qiáng)度下，混合蒸氣干度變化更加劇烈，氣液界面也更加紊亂，造成了更大的流動(dòng)阻力.從微觀上說(shuō)，酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大意味著混合蒸氣中酒精分子的數(shù)目增多，酒精分子的體積是水分子的3.7倍，遠(yuǎn)大于水分子，導(dǎo)致酒精分子與水分子以及水分子之間的碰撞幾率增大，流體各層之間的切向力會(huì)增大，從而增大了流動(dòng)阻力.

2.2 蒸氣壓力對(duì)熱側(cè)壓降的影響

圖3給出了不同蒸氣壓力下板式換熱器熱側(cè)壓降的變化.從圖3可以看出，不同蒸氣壓力下，蒸氣側(cè)壓降都隨出口蒸氣干度的增大而升高.出口蒸氣干度越大，說(shuō)明混合蒸氣中氣相所占比例越大，混合蒸氣的體積流量要比低出口蒸氣干度時(shí)大，則氣液兩相摩擦壓降升高，壓損隨之升高.同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，蒸氣壓力越高，壓降越低.

(a)

(b)

2.3 混合蒸氣流速對(duì)熱側(cè)壓降的影響

圖4(a)和圖4(b)為壓力70 kPa，酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%和50%時(shí)，不同混合蒸氣流速下板式換熱器熱側(cè)壓降隨出口蒸氣干度的變化曲線.從圖4可以看出，在相同酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，混合蒸氣流速對(duì)壓降影響較為明顯，25 m/s時(shí)的壓降明顯高于15 m/s時(shí).這是由于混合蒸氣流速越大，摩擦阻力越大，從而導(dǎo)致壓降升高.同時(shí)，由于板式換熱器是由3塊板片組成的單流程單通道，流通截面積較小，這將進(jìn)一步使壓降升高.

(a)

(b)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式的對(duì)比分析

由于阻力過(guò)大將引起板式換熱器的壓降過(guò)高，這將影響板式換熱器的運(yùn)行情況.Lockhart-Martinelli模型已成功應(yīng)用于預(yù)測(cè)板式換熱器的凝結(jié)壓降.利用該模型預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)兩相壓降，需先分別計(jì)算液相和氣相的壓降.蒸氣側(cè)進(jìn)、出口液相和氣相的質(zhì)量流量可以通過(guò)傳熱量計(jì)算得到，因此單相的摩擦因數(shù)可由下式計(jì)算得到：

(5)

則液相和氣相的壓降分別由式(6)和式(7)計(jì)算得出：

(6)

(7)

Lockhart-Martinelli模型參數(shù)X和兩相摩擦分液相表觀系數(shù)的計(jì)算式如下:

(8)

(9)

式(9)中的常數(shù)C可由表4確定.

表4 Lockhart-Martinelli模型常數(shù)C確定值

Tab.4Cvalue determination for the Lockhart-Martinelli model

液體-氣體流動(dòng)狀態(tài)C湍流-湍流20層流-湍流12湍流-層流10層流-層流5

考慮到板式換熱器氣液兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，將式(9)中的C取為16.則兩相摩擦壓降為

Δpf=φ2ΔpL

(10)

引入修正系數(shù)K對(duì)式(10)進(jìn)行修正，即實(shí)驗(yàn)中的整體總壓降為

Δp=KΔpf

(11)

對(duì)于式(11)的待求修正系數(shù)，通過(guò)Matlab編寫程序，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性回歸擬合，計(jì)算獲得修正系數(shù)K=1.316.其中上述各物性參數(shù)按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)水和水蒸氣熱力性質(zhì)IAPWS-IF97公式編寫的Matlab子程序調(diào)用計(jì)算獲得.

圖5給出了壓降實(shí)驗(yàn)值和擬合值的對(duì)比曲線.從圖5可以看出，統(tǒng)計(jì)結(jié)果誤差范圍處于±20%，擬合效果較好.

圖5 實(shí)驗(yàn)值與擬合值的誤差

4 結(jié) 論

(1) 隨著出口蒸氣干度的增大，換熱量減小，混合蒸氣凝結(jié)量隨之減少，壓降升高.

(2) 在不同壓力下，壓降隨著酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高.

(3) 在相同酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蒸氣流速和出口蒸氣干度的情況下，高壓下的壓降比低壓下的壓降高.與純水相比，在低酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%)時(shí)，壓降幾乎相同；在中酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)(10%)和高酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)(50%)時(shí)，壓降明顯升高.

(4) 隨著混合蒸氣流速的增大，摩擦阻力也隨之增大,從而板式換熱器的熱側(cè)壓降升高.

(5) 凝結(jié)壓降采用應(yīng)用廣泛的Lockhart-Martinelli模型進(jìn)行修正，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與擬合值的誤差范圍處于±20%.

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Pressure Drop in Plate Heat Exchanger During Condensation of Ethanol-Water Mixed Vapor

QIAOHongbin,WANGShun,HUShenhua

(Electrical Power Simulation and Control Engineering Center,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

Experimental tests were carried out in a plate heat exchanger to study the effects of outlet vapor quality on the changes of hot side pressure drop during condensation of ethanol water mixed vapor at different ethanol mass fractions (0%,1%,10% and 50%),different vapor pressures (70 kPa,80 kPa and 90 kPa),and different vapor flow rates (15 m/s and 25 m/s).Based on the experimental data,the Lockhart-Martinelli model was used to calculate and correct the pressure drop.Results show that the pressure drop increases with the rise of ethanol mass fraction,which would be doubled for the mixed vapor with ethanol mass fraction of 50% as compared to pure water vapor,under same experimental conditions.Under conditions with the same ethanol concentration,vapor flow rate and outlet vapor quality,the vapor pressure has obvious effects on the pressure drop; the higher the vapor pressure is,the smaller the pressure drop will be.The error between experimental data and fitted results is within 20%.

mixed vapor; plate heat exchanger; condensation; pressure drop; heat transfer

2015-12-22

2016-02-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51166013)；南京工程學(xué)院校級(jí)科研基金資助項(xiàng)目(YKJ201533)

喬宏斌(1969-)，男，江蘇寶應(yīng)人，講師，碩士，主要從事火電廠的仿真開(kāi)發(fā)及凝結(jié)換熱方面的研究.電話(Tel.)：17705188894；E-mail：123697618@qq.com.

1674-7607(2017)01-0033-06

TK121

A 學(xué)科分類號(hào)：470.10