凝結(jié)換熱研究現(xiàn)狀及強化方法

張威

摘 要：介紹了凝結(jié)流動的研究現(xiàn)狀，對兩相流動的處理方法，以及目前國內(nèi)外采用的管內(nèi)外的凝結(jié)換熱強化方法，為熱交換器凝結(jié)換熱強化方法的研究提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)流動 強化方法

在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中，經(jīng)?？梢钥吹礁鞣N換熱器，且它們說上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強，特別是對換熱器的研究必須滿足各種特殊情況和苛刻條件的要求，對它的研究就顯得更為重要。

在海水淡化、空調(diào)制冷等領(lǐng)域中，有大量管內(nèi)蒸汽的冷凝換熱設(shè)備，其投資占總投資的比例很大，因此強化凝結(jié)換熱有著重要的意義。蒸汽在物體表面凝結(jié)主要有兩種形式：膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)。由于膜狀凝結(jié)在壁面上形成完整的液膜，此時凝結(jié)是放出的潛熱必須通過液膜才能傳給溫度較低的壁面；珠狀凝結(jié)時，換熱是蒸汽與液珠表面和蒸汽與冷壁間進行的，所以膜狀凝結(jié)要比珠狀凝結(jié)傳熱系數(shù)低。

由此可見，凝結(jié)換熱的熱阻主要是凝結(jié)液膜的表面，為了提高換熱效率，關(guān)鍵是設(shè)法減薄液膜層的厚度，加速它的排泄，促進珠狀凝結(jié)。提高凝結(jié)換熱系數(shù)的主要措施有：采用粗糙表面、采用各種形式的強化傳熱管。近幾年，我國研制出了螺紋管、螺旋槽管、波紋管、翅片管、管內(nèi)插入擾流子等形式的強化傳熱元件。

1、凝結(jié)流動的研究現(xiàn)狀

在能源、制冷、化工、航天、冶金等行業(yè)中，氣液兩相流及其相變傳熱都是一門重要的學(xué)科。同時，在兩相流中，氣液兩相流也是最復(fù)雜的流動，氣液兩相流體在絕熱或受熱管道中流動時，因壓力、流量、熱流密度和管道幾何形狀的不同會形成各種流動結(jié)構(gòu)形式，簡稱流型，因此研究氣液兩相流首先要研究其流型。氣液兩相流體在水平管中流動時流型分為6種：細泡狀流型、氣塞狀流型、分層流型、波狀分層流型、氣彈分層流型、環(huán)狀流型。

管道中氣液流動的流動形態(tài)是根據(jù)實驗得到的流型圖來判別的。目前運動最多的是Baker流型圖及對Baker流型圖來判別水平管道流型[1]。氣液兩相流動最基本的流動模型有兩種：一種是分相流動模型，一種是均相流動模型。

對兩相流動的處理方法有三種：理論分析法、半經(jīng)驗法、經(jīng)驗法。理論分析法是根據(jù)各種流動形態(tài)的特點，利用流體力學(xué)方法將其流動特性進行理論分析，進而建立起描述這一流動過程的關(guān)系式。半經(jīng)驗方法是從兩相流動的基本方程出發(fā)，根據(jù)所研究的兩相流動過程的特點，采用適當(dāng)假設(shè)和簡化，求得描述這一流動的函數(shù)式，然后利用實驗方法確定出式中的經(jīng)驗系數(shù)。經(jīng)驗方法是通過實驗研究，將采集的數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗關(guān)系式。目前，大部分采用的是半經(jīng)驗法和經(jīng)驗法。

2、凝結(jié)換熱的強化方法

2.1管外的凝結(jié)換熱強化

強化管外凝結(jié)換熱的方法有很多，主要有：粗糙表面法、采用各種形式的強化傳熱管、靜電場法、表面振動法、抽壓法等，其中采用強化傳熱管應(yīng)用最廣，低肋管是應(yīng)用最早的一種冷凝傳熱強化管。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，異形管的開發(fā)和應(yīng)用已走向成熟。比如常用的異形管主要有：螺旋槽管、花瓣形翅片管、螺旋扁管、鋸齒形翅片管等，許多專家學(xué)者對異形管的管外凝結(jié)換熱進行了研究。

許多學(xué)者對肋管上冷凝傳熱系數(shù)的計算模型進行了對比分析[2～3]。計算相同工質(zhì)在不同模型下的冷凝換熱系數(shù)，其中Sardesia模型的計算最精確，Beatty-Katz模型次之。

Belghazi M.等[4]在Rudy-Webb模型基礎(chǔ)上，建立了適用于3D肋管的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Yun R、Nguyen T.N.等學(xué)者研究了3D肋管的凝結(jié)換熱特性。對三種典型的三維肋管進行管外凝結(jié)換熱實驗，實驗結(jié)果表明三維肋管的強化凝結(jié)換熱效果更好。

Belghazi等對Gewa-C管的冷凝傳熱特性進行了實驗分析，實驗測試了R134a和R23/R134a混合物在Gewa-C管外的冷凝傳熱系數(shù)，實驗結(jié)果表明Gewa-C管相比于翅片管冷凝傳熱系數(shù)提高了30%。

螺旋槽管對管內(nèi)外凝結(jié)傳熱均能起到顯著的強化效果。螺旋槽管的凹凸曲面使得凝結(jié)液在表面張力的作用下易于排泄。中國海洋大學(xué)王欣[5]對水平螺旋槽管壁面液膜的形成機理及流動特性進行了研究。結(jié)果表明，與光管相比，螺旋槽管表面的液膜變薄且分布變均勻，且隨著螺旋角的增大，壁面上各處的液膜分布越均勻。在淺槽范圍內(nèi)，槽道越深，槽道跨度越小，液膜分布越均勻，分布特性越好。當(dāng)螺旋槽管表面為多槽道時，各槽道間發(fā)生流體相互摻混，因此液膜分布特性比單槽道好。

2.2管內(nèi)的凝結(jié)換熱強化

與管外凝結(jié)換熱一樣，強化管內(nèi)凝結(jié)的方法多種多樣，采用強化管也是強化管內(nèi)凝結(jié)的有效手段，因此許多學(xué)者對不同形式的內(nèi)表面強化管進行了大量的研究。強化管內(nèi)冷凝傳熱的管型主要有：內(nèi)螺紋管、內(nèi)螺旋翅片管、螺旋槽管等。除了高效強化管，管內(nèi)插入物也是強化管內(nèi)凝結(jié)的常用技術(shù)之一。管內(nèi)插入物的類型有很多，主要有：螺旋線圈、螺旋片、麻花鐵、螺旋帶、扭帶和靜態(tài)混合器等。各種插入物的強化傳熱機理一般可有四種：（1）形成旋轉(zhuǎn)流；（2）破壞邊界層；（3）中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用；（4）產(chǎn)生二次流。

J.C.Chato等在特定條件下，對比分析了光管、軸向槽管、螺旋槽管和18°螺旋角管的傳熱特性和壓降特性。當(dāng)蒸汽流量較小時，換熱特性為：18°螺旋角管>軸向槽管>光管；當(dāng)蒸汽流量較大時，換熱特性為：軸向槽管大于光管和螺旋槽管。同時分析了不同流量狀態(tài)下不同管子的適用性，大流量時微肋管更適用，小流量時交叉管更適用。同時還分析比較了不同管子的換熱特性，扁平管與18°螺旋角管的換熱特性最好，光滑管和軸向微肋管的換熱特性水平相似。

交叉溝槽管也是一種高效冷凝換熱管，它是在原內(nèi)螺紋管內(nèi)又開出一條魚原抓旋溝槽旋向垂直的螺紋溝槽。與內(nèi)螺紋管相比交叉溝槽管的換熱系數(shù)提高40%，而阻力僅僅增加6%～10%[6]。endprint

清華大學(xué)的謝旭斌[7]等開發(fā)出一種新型強化管。新型強化管分別為DAE-2管和DAEC管，該管具有阻力小、質(zhì)量請、傳熱性能好等特點，DAE-2管目前已被廣泛用于制造國產(chǎn)冷水機組的換熱器。DAE-2管為波紋狀單螺旋內(nèi)槽管。管內(nèi)表面加工有螺旋微槽，且在管外軋有一條大螺紋，DAEC管為波紋狀交叉螺旋內(nèi)槽管。

綜上所述，在氣液兩相沸騰實驗方面，國內(nèi)外學(xué)者主要從換熱機理出發(fā)，通過改變管束結(jié)構(gòu)尺寸、流量、入口干度、雷諾數(shù)、溫度、壓力等參數(shù)進行比對實驗，在實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)實驗范圍內(nèi)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式和修正關(guān)聯(lián)式。同樣為工業(yè)換熱器的設(shè)計、制造、運營等提供理論支撐。

3、小結(jié)

從氣液兩相流凝結(jié)換熱的強化研究來看，國內(nèi)外學(xué)者都通過實驗和計算兩方面，基于流動和沸騰機理進行實驗或理論研究。通過改變一系列可能影響實驗特性的基本參數(shù)質(zhì)量含氣率、系統(tǒng)壓力、質(zhì)量流量、換熱器結(jié)構(gòu)、溫度、孔隙率、換熱器徑向距離進行實驗，進行分析對比得到相應(yīng)的變化規(guī)律和理論。但是彼此之間存在著許多不同意和誤差，所得的結(jié)論或者計算公式也有一定的局限性，這很大一部分是由于實驗條件的限制以及實驗數(shù)據(jù)庫的匱乏造成的，所以繼續(xù)擴張實驗基本參數(shù)范圍，研究分析更多可能的影響因子，才能推動整個兩相流領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻

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[7] 謝旭斌，王維成.高效傳熱管內(nèi)凝結(jié)換熱性能及阻力性能的實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2000，21（6）：742-745.endprint