非能動(dòng)分離式換熱器設(shè)計(jì)

袁萬(wàn)朋，盧 川，盧佳鑫，周 杰

(1.中國(guó)人民解放軍海軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，哈爾濱150001；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213；3.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

自熱管問(wèn)世以來(lái)，以其諸多的突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用.隨著應(yīng)用的進(jìn)一步深入和換熱器大型化的發(fā)展，如：在化工、電廠(chǎng)、煉鐵、電站等部門(mén)，需從每小時(shí)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米的煙氣中回收熱量，兩種流體之間絕對(duì)不允許相互滲漏[1].以往的換熱器在總體布置和輔助循環(huán)設(shè)備等方面都受限于宇航、化工、冶金等多個(gè)領(lǐng)域.同樣，人們已熟悉的整體式熱管換熱器也存在著需要很大空間及難以避免的相互滲漏等問(wèn)題，而分離式熱管恰恰能夠解決以上問(wèn)題.在核工程中，非能動(dòng)意味著很高的可靠性，非能動(dòng)設(shè)備往往無(wú)需人的參與就能正常工作.分離式熱管具有非能動(dòng)、傳熱能力強(qiáng)、冷熱流體可完全隔離，極適合用于核動(dòng)力工程中.蒸發(fā)段和冷凝段是分開(kāi)的，這是分離式熱管區(qū)別于普通單管式熱管的最鮮明的特征，通過(guò)蒸汽上升管和液體下降管連通起來(lái)，形成一個(gè)自然循環(huán)回路[2-5].

1 非能動(dòng)換熱器總體設(shè)計(jì)

1.1 總體布局設(shè)計(jì)

換熱器冷熱源均采用水浴、熱源溫度不高于100 ℃，為分離式熱管用于反應(yīng)堆的余熱排出、低溫余熱回收等作出探索性研究.設(shè)計(jì)換熱功率在2 000 W左右.制作好的熱交換器將有兩個(gè)水箱，分別為冷水箱和熱水箱，冷水箱的位置將高于熱水箱，冷、熱兩個(gè)水箱內(nèi)的水分別作為分離式熱管的冷源和熱源[6].實(shí)驗(yàn)時(shí)，熱水箱充入一定量的水，使用電熱管加熱，熱水箱的水溫根據(jù)電熱管的通斷來(lái)控制，通過(guò)觀(guān)察冷水箱水溫的升高程度和速度來(lái)檢測(cè)熱交換器的性能.如圖1所示.

圖1 分離式熱管結(jié)構(gòu)示意圖

非能動(dòng)熱交換器的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有：選定工作介質(zhì)；選定傳熱管材料以及尺寸；計(jì)算蒸發(fā)段管外對(duì)流換熱系數(shù)；計(jì)算蒸發(fā)段管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)；計(jì)算冷凝段管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)；計(jì)算冷凝段管外對(duì)流換熱系數(shù)；校核分離式熱管的傳熱極限；校核分離式熱管的強(qiáng)度[7]；根據(jù)設(shè)計(jì)溫度及功率計(jì)算循環(huán)回路總阻力，由此確定最佳工作狀態(tài)下分離式熱管的最小高度差.

1.2 分離式熱管管殼材質(zhì)的確定

與工作介質(zhì)水相容的材料有銅和經(jīng)化學(xué)處理的碳鋼兩種.從導(dǎo)熱性看，銅的導(dǎo)熱系數(shù)最高，但是價(jià)格昂貴，且與碳鋼相比，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，與水箱的連接問(wèn)題不易解決；考慮到不銹鋼的耐腐蝕性特點(diǎn)突出，不僅傳熱管內(nèi)壁與純水相容性較好，管外壁長(zhǎng)期裸露于濕空氣中也不易生銹，雖然其導(dǎo)熱系數(shù)較低，但本熱交換器的熱流密度不大，管壁熱阻對(duì)傳熱效果影響不大；另一方面，不銹鋼管與氨、有機(jī)工作介質(zhì)等均相容，不銹鋼管的使用為將來(lái)用水以外的工作介質(zhì)做實(shí)驗(yàn)提供可能.因此，本換熱器中熱管選用不銹鋼作為殼體材料.考慮到傳熱面積以及導(dǎo)管的連接問(wèn)題，最終選定外徑32 mm、壁厚2 mm的不銹鋼管.

2 非能動(dòng)熱交換器的傳熱計(jì)算

2.1 熱交換器熱量傳遞

在設(shè)計(jì)時(shí)，以余熱排出為目的，首先假設(shè)一個(gè)傳熱功率以及熱源溫度，根據(jù)熱量的傳遞路徑依次計(jì)算各傳熱環(huán)節(jié)的熱阻，根據(jù)熱阻及功率可算出各環(huán)節(jié)所需溫度勢(shì)，最終可以定出在保證功率前提下冷匯水的溫度上限.計(jì)算過(guò)程中有必要使用多次迭代.設(shè)計(jì)過(guò)程中以保證實(shí)際功率不低于設(shè)計(jì)功率為原則.熱交換器的傳熱計(jì)算以溫度為線(xiàn)索，按照熱量的傳遞路徑依次計(jì)算各環(huán)節(jié)熱阻或者換熱系數(shù)，最后得到所需冷源的最高水溫.

2.2 蒸發(fā)管段換熱計(jì)算

2.2.1 蒸發(fā)管段對(duì)流換熱計(jì)算

為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，在此選擇自然對(duì)流換熱形式，這對(duì)分離式熱管的研究沒(méi)有影響，且更為接近反應(yīng)堆余熱排出的實(shí)際情況.大空間自然對(duì)流換熱用以下特征數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算[4]：

Nu=C(GrPr)n=Cran

(1)

其中：u、Pr、Gr和Ra分別為努塞爾數(shù)、普朗特?cái)?shù)、格拉曉夫數(shù)和瑞利數(shù).格拉曉夫數(shù)表示作用在流體上的浮升力，即自然對(duì)流條件下的驅(qū)動(dòng)力和黏性力的相對(duì)大?。挥捎诜蛛x式熱管內(nèi)工作介質(zhì)為飽和狀態(tài)，所以其壁溫可認(rèn)為恒定，在選擇適用條件時(shí)用恒壁溫情況.非能動(dòng)熱交換器熱量流程見(jiàn)圖2.

圖2 非能動(dòng)熱交換器熱量流程圖

2.2.2 蒸發(fā)管段沸騰傳熱計(jì)算

由于分離式熱管內(nèi)流體的流動(dòng)是靠自然驅(qū)動(dòng)壓頭流動(dòng)，其流量較小，流速較低，因此返回到蒸發(fā)段的液體是過(guò)冷或者飽和的，但它的存在很短暫，故可以不考慮它們對(duì)流動(dòng)及傳熱的影響[8].因?yàn)橛盟〖訜崆覍?dǎo)管尺寸與本設(shè)計(jì)相近的研究成果尚無(wú).故在計(jì)算過(guò)程中選擇由羅森諾于1952年根據(jù)對(duì)流類(lèi)比模型提出來(lái)的公式計(jì)算.

(2)

其中:qw為壁面處的熱流密度，W·m-2；ηl為飽和液體的動(dòng)力黏度，Pa·s；γ為液體在飽和蒸汽界面上的表面張力，N·m-1；Cwl按照加熱面材質(zhì)與液體種類(lèi)的組合選取的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對(duì)于水—不銹鋼組合，Cwl=0.013 0，n=1.0.

2.3 冷凝段管內(nèi)凝結(jié)計(jì)算

來(lái)自蒸發(fā)段的蒸汽在冷凝段自上而下流動(dòng)，與管壁發(fā)生凝結(jié)換熱，冷凝成液體經(jīng)液體下降管回到蒸發(fā)段[9].假定不存在不凝性氣體，可以認(rèn)為這是—種豎直管內(nèi)的液-汽并流的凝結(jié)換熱過(guò)程，可以按照Nusselt膜狀層流凝結(jié)理論計(jì)算.

(3)

其中:hL為管內(nèi)平均凝結(jié)換熱系數(shù)，W.(m2·℃)-1;L為冷凝段有效高度，m；ηl為液體動(dòng)力黏度，Pa·s;r為汽化潛熱，kJ·kg-1；考慮到流下來(lái)的液膜具有少量過(guò)冷液，而且因?yàn)榇嬖谝欢ǖ膶?duì)流傳熱，膜內(nèi)溫度并非嚴(yán)格線(xiàn)性，因而應(yīng)對(duì)上式略作修正，羅森諾提議把汽化潛熱改為r′=r+0.68cp(tsat-tw)，cpl表示液體定壓比熱容.

3 分離式熱管循環(huán)回路阻力計(jì)算

分離式熱管循環(huán)回路總阻力包括摩擦阻力和局部阻力，具體是蒸發(fā)段摩擦阻力、蒸汽上升管和冷凝液下降管的摩擦阻力和局部阻力、冷凝段摩擦阻力.對(duì)該熱交換器進(jìn)行條件假設(shè)：

1) 當(dāng)工作狀態(tài)為最佳時(shí)，熱端出口處蒸汽干度為1，冷端段出口處干度為0；

2) 蒸發(fā)段和冷凝段均是均勻受熱，沿傳熱管軸線(xiàn)方向熱流密度不變；

3) 冷凝回流液在蒸發(fā)段入口處為飽和狀態(tài).

4) 忽略各傳熱管傳熱能力的差別.

3.1 蒸發(fā)段兩相摩擦阻力計(jì)算

對(duì)于蒸發(fā)兩相摩擦阻力計(jì)算

(4)

其中：Xvt為兩相流參數(shù)；Rev為汽相雷諾數(shù)；x為質(zhì)量含氣率；ρv、ρl分別為汽相、液相密度，kg·m-3；μl、μv分別為液相、汽相動(dòng)力黏度，Pa·s.

3.2 蒸汽上升管及冷凝液下降管阻力計(jì)算

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)蒸汽上升管及冷凝液下降管摩擦阻力計(jì)算以最佳工作狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，所以蒸汽上升管以及冷凝液下降管內(nèi)均為單相流動(dòng)，摩擦阻力壓降用以下方法計(jì)算：

(5)

其中：ΔP為阻力壓降，Pa；l為沿程管長(zhǎng)度，m；v為工作介質(zhì)流速，m·s-1.

在對(duì)蒸汽上升管及冷凝液下降管局部阻力計(jì)算時(shí)采用以下局部阻力的計(jì)算式.

(6)

其中：ζ為局部阻力系數(shù).

設(shè)計(jì)傳熱管的組合形式如圖3所示，按靠外的傳熱管計(jì)算.工作介質(zhì)循環(huán)一次，蒸汽和冷凝液都需要經(jīng)過(guò)4個(gè)90°彎頭、4個(gè)三通.每個(gè)90°彎頭局部阻力系數(shù)為0.5，每個(gè)三通的局部阻力系數(shù)為1.5.流速按照直管處的平均速度計(jì)算.

圖3 傳熱管組合結(jié)構(gòu)圖

3.3 冷凝段兩相摩擦阻力計(jì)算

冷凝段摩擦阻力的計(jì)算方法與蒸發(fā)段的相同.本設(shè)計(jì)中由于冷凝段管根數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、流量、熱流密度等均與蒸發(fā)段相同，故冷凝段的局部阻力壓降可認(rèn)為與蒸發(fā)段相同.

4 最小高度差的確定

4.1 最小高度差的意義

最小高度差指的是在最佳工作狀態(tài)下，使循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓力等于循環(huán)回路阻力時(shí)所需要的冷熱段高度差.分離式熱管蒸發(fā)段與冷凝段的高度差即圖3中的H，H必須要大于最小高度差，否則工作介質(zhì)不能正常循環(huán)，影響換熱效果.雖然有最小高度差的限制，分離式熱管的高度差也不能太大，太大的將使循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓力過(guò)大，導(dǎo)致蒸發(fā)段出口處蒸汽帶水，因而可能減少干蒸汽流量，使傳熱效率降低.最佳高度差應(yīng)該通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，本次設(shè)計(jì)將使冷熱段高度差可調(diào)，以便研究高度差對(duì)分離式熱管的影響.

4.2 回路驅(qū)動(dòng)壓頭

分離式熱管循環(huán)回路中循環(huán)動(dòng)力是由密度差所提供的，即下降管系統(tǒng)與上升管系統(tǒng)中工作介質(zhì)密度差[8-12].

在本設(shè)計(jì)中，可認(rèn)為分離式熱管的蒸發(fā)段與冷凝段內(nèi)工作介質(zhì)蒸汽處于同一飽和溫度下，兩相的密度變化均甚微[13-14].通常認(rèn)為兩段的熱流密度和熱流量相同，因此在蒸發(fā)段與冷凝段內(nèi)質(zhì)量含氣率、截面含氣率的變化情況相同，循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭主要產(chǎn)生于冷凝段下面的冷凝液導(dǎo)管.循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓力計(jì)算公式為：

sqd=(ρl-ρg)gH

(7)

其中：sqd為循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓力，Pa；H為分離式熱管高度差，m；ρl、ρg分別為工作溫度對(duì)應(yīng)飽和狀態(tài)下的液體和蒸汽密度，kg·m-3.

本設(shè)計(jì)中冷、熱段傳熱管結(jié)構(gòu)尺寸相同，熱流密度相同，屬于特殊情況，通常情況下，熱端與冷端結(jié)構(gòu)不相同，導(dǎo)致了兩段的重位壓頭也不同，因此，有必要計(jì)算各自的重位壓頭.

假設(shè)不考慮循環(huán)回路的熱量損失，單純地認(rèn)為蒸發(fā)端出口處含氣率為ε0，冷凝端出口處截面含氣率為0，其循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭為[15]

(8)

其中：εi為蒸發(fā)段第i小段的截面含氣率；εj為冷凝段第j小段的截面含氣率.

5 結(jié) 論

本文對(duì)非能動(dòng)熱交換器作了比較全面的設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)過(guò)程中先假定熱源溫度和熱源需要被帶走的功率，按照熱交換器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)熱量的傳遞路徑依次計(jì)算各傳熱途徑的熱阻，其中有管外自然對(duì)流換熱、管內(nèi)相變換熱、管壁導(dǎo)熱.分離式熱管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)屬于自然循環(huán)，因而有必要對(duì)循環(huán)回路阻力和循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓力進(jìn)行計(jì)算，也就涉及到單相和兩相流動(dòng)阻力的計(jì)算.針對(duì)計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)對(duì)分離式換熱器整體熱計(jì)算，在假設(shè)熱源水的溫度為90 ℃時(shí)，得到了該分離式換熱器熱功率為2 000 W，工作溫度為70 ℃.

2) 傳熱管的尺寸為0.4 m、外徑為32 mm、壁厚2 mm；蒸發(fā)段傳熱管根數(shù)為4根，冷凝段傳熱管束結(jié)構(gòu)尺寸與蒸發(fā)段相同.冷源溫度上限40 ℃.工作溫度70 ℃時(shí)聲速極限是24 128 W，最小高度差6 mm.

3) 通過(guò)計(jì)算該分離式換熱器熱參數(shù)為：蒸發(fā)段管外對(duì)流換熱系數(shù)852.75 W/(m2·℃) ,蒸發(fā)段管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)2 314.29 W/(m2·℃),冷凝段管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)1 162.32 W/(m2·℃),冷凝段管外對(duì)流換熱系數(shù)734.65 W/(m2·℃).