耐腐蝕強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱的研究進(jìn)展

王詩悅，高文忠，史文軍，雷晴禾

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

換熱器是廣泛應(yīng)用在石油化工、能源動(dòng)力等產(chǎn)業(yè)的設(shè)備[1]，其工作性能的優(yōu)劣影響著系統(tǒng)能耗。目前，常見的是管殼式冷凝器，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單[2]，但殼側(cè)凝結(jié)換熱是影響其傳熱性能的主要因素[3]。機(jī)械加工換熱管表面可增加換熱面積，達(dá)到提高冷凝傳熱效率的目的。近些年，凝結(jié)換熱的強(qiáng)化管一般都采用高導(dǎo)熱材料(銅、鋁等)[4-6]，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[7-10]：低翅片銅管可使凝結(jié)換熱系數(shù)提高8倍。但在一些存在嚴(yán)重腐蝕、高沖擊力的制冷劑應(yīng)用中，如鹽水環(huán)境中運(yùn)行的船舶冷凝器等[11]，防蝕是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素，必須采用耐腐蝕材料，如銅鎳合金、鈦和不銹鋼等[12-13]。

1 實(shí)驗(yàn)研究

換熱管強(qiáng)化傳熱的研究開展，按照國際權(quán)威Bergles劃分為三代：第一代為光滑管或光滑通道；第二代為平翅片、二維粗糙元、二維肋片管；第三代為三維粗糙元、三維肋片管[14]。

1.1 第二代強(qiáng)化管

第二代強(qiáng)化管的出現(xiàn)在原有光管的基礎(chǔ)上進(jìn)行了表面結(jié)構(gòu)處理，早應(yīng)用于管外蒸汽凝結(jié)換熱研究的第二代強(qiáng)化管是低肋管。Gregorig[15]首次提出了凝結(jié)液的表面張力使翅片頂部液膜變薄的機(jī)理后，各國研發(fā)人員在低肋管的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了管外表面具有一定高度、一定片距和一定厚度肋片的翅片管，不僅增加了換熱面積，而且減薄了凝結(jié)液膜。

Mills等[16]采用了由銅(Cu)、黃銅(Br)、銅/鎳(Cu/Ni 70-30)制成的梯形翅片管，其中翅片密度為每英寸36片(36 fpi)。實(shí)驗(yàn)得到了Cu、Br和Cu/Ni管的凝結(jié)換熱系數(shù)分別為相同材料光管的4.0，3.6和2.6倍。

相關(guān)研究者對(duì)制冷工質(zhì)在不銹鋼、黃銅、青銅和鈦材強(qiáng)化管外凝結(jié)換熱性能的研究[17-19]表明，對(duì)于水蒸氣，當(dāng)冷卻水流速為3.5 m/s時(shí)，銅與不銹鋼的總傳熱系數(shù)之比為2.6；對(duì)于乙二醇和R113，黃銅強(qiáng)化管的凝結(jié)換熱系數(shù)分別可達(dá)其光管的2.42～2.76倍和3.16～3.72倍，青銅強(qiáng)化管分別可達(dá)其光管的2.14～2.52倍和2.85～3.56倍；對(duì)于 R134a，鈦材低肋管的凝結(jié)強(qiáng)化系數(shù)是鈦材光管的3.54～4.1倍。

不同于以上研究所用的制冷劑和水，Anna等[20]采用了Wieland公司研發(fā)的GEWA系列低翅片管，確定了碳素鋼、不銹鋼和鈦管外純組分(異丙醇、正戊烷、正庚烷、異辛烷)的凝結(jié)換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得低翅片管外凝結(jié)換熱系數(shù)也可達(dá)到光管的3～8倍。

1.2 第三代強(qiáng)化管

為了彌補(bǔ)第二代強(qiáng)化管的不足，需進(jìn)一步擴(kuò)大管內(nèi)外表面?zhèn)鳠崦娣e，來促進(jìn)湍動(dòng)，也就出現(xiàn)了能夠使流體形成三元流動(dòng)的第三代強(qiáng)化管。不同于第二代強(qiáng)化管，第三代強(qiáng)化管內(nèi)或管外的肋或翅片或凹陷是不連續(xù)的，使翅片頂部、根部相互斷開形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立體[21]。針翅片管具有肋化系數(shù)高的特點(diǎn)，其凝結(jié)換熱系數(shù)一般高于低肋管1.5倍以上。

Ali和Briggs[17]的實(shí)驗(yàn)研究豐富了由耐腐蝕材料制成的此類型強(qiáng)化管外凝結(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Thermoexcel-C管(翅片C管)具有三維翅片結(jié)構(gòu)，其凝結(jié)換熱系數(shù)可達(dá)低肋管的2倍，比GEWA翅片管的約高0.8倍[22]。

Zhang等[23]對(duì)比了銅整體翅片管和銅鎳合金翅片C管的凝結(jié)換熱系數(shù)，前者比后者高出1倍以上。與二維表面強(qiáng)化管相同，導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)三維表面的管外冷凝傳熱也有較大影響。

趙創(chuàng)要等[24]研究表明了對(duì)于具有相同材質(zhì)的強(qiáng)化管，三維高效管比低肋管強(qiáng)化效果好，且三維翅片表面更適合提高耐腐蝕管材的凝結(jié)換熱。此外，Ji等[25]將鈦、不銹鋼、B10和B30銅鎳合金強(qiáng)化管與同材質(zhì)光管相比，在實(shí)驗(yàn)的熱通量范圍內(nèi)，強(qiáng)化傳熱系數(shù)分別可以達(dá)到8.48，8.31，8.22和7.52。

文獻(xiàn)[11，25-26]研究了翅片的高度及密度對(duì)凝結(jié)換熱過程的影響。對(duì)于耐腐蝕管材，如不銹鋼，由于翅片效率不佳，隨著翅片高度的增加，傳熱系數(shù)會(huì)降低；管外凝結(jié)換熱系數(shù)會(huì)隨著翅片密度的增加而增加，反之，當(dāng)翅片密度大于某一臨界值時(shí)，凝結(jié)換熱系數(shù)會(huì)減小。在冷凝強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展和研究過程中，針對(duì)管材和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷凝強(qiáng)化管換熱性能影響的研究，會(huì)有著更大的意義。

2 現(xiàn)有理論模型

不同于光滑單管外凝結(jié)換熱，二維強(qiáng)化管表面結(jié)構(gòu)的差異，使其求解模型具有多樣性。目前，最常用的二維肋管外膜狀凝結(jié)換熱模型大致分為五種：Beatty-Katz模型[27]、Rudy-Webb模型[28]、Honda-Nozu 模型[29]、Rose模型[30]和Briggs-Rose模型[31]。

最早，Beatty-Katz[27]建立了以豎壁和水平光管上Nusselt[32]理論解為基礎(chǔ)的首個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停侵豢紤]重力作用的代表性模型。在之后的研究中，所建立的模型大多都考慮了重力和表面張力共同作用的影響。Rudy-Webb[29]進(jìn)一步劃分了淹沒區(qū)和非淹沒區(qū)，并將淹沒區(qū)的換熱引入模型中。Honda[29]提出了針對(duì)梯形肋片的模型。該模型考慮了凝結(jié)液淹沒角、肋管上液膜形狀以及肋片的導(dǎo)熱系數(shù)和形狀等因素，但卻忽略了淹沒區(qū)的重力效果。

Rose[30]通過量綱分析法將表面張力項(xiàng)引入 Beatty-Katz模型[27]，并采用修正因子來消除模型與具體問題的偏差。該模型適用于具有矩形或梯形截面的低肋管，是當(dāng)前公認(rèn)度較高的實(shí)用模型。Briggs[31]對(duì)Rose[30]模型進(jìn)行了完善，將淹沒區(qū)的換熱與肋片效率引入其中，拓展了模型在管材導(dǎo)熱系數(shù)較低的二維強(qiáng)化管上的應(yīng)用。

Yun等[11]獲得了R134a在19fpi與26fpi二維不銹鋼管外的凝結(jié)換熱系數(shù)與現(xiàn)有模型的對(duì)比分析結(jié)果：飽和溫度為20 ℃時(shí)，Honda-Nozu模型[29]、Briggs-Rose模型[31]和Rose模型[30]的平均偏差分別為+19.0%，+55.6%，+92.8%；當(dāng)飽和溫度升至30 ℃時(shí)，Honda-Nozu模型[29]的平均偏差升至25.7%，而Briggs-Rose模型[31]與Rose模型[30]的平均偏差分別降至29.7%和29.1%。顯然，冷凝溫度為30 ℃時(shí)偏差較小，其原因是此時(shí)的凝結(jié)換熱系數(shù)受淹沒角和“Gregorig效應(yīng)”的影響更多[32]。此外，Beatty-Katz模型[27]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)超出了2.7倍，Kumar模型[33]與19fpi 管試驗(yàn)值偏差為43.7%與26fpi管試驗(yàn)值偏差達(dá)252.9%。Beatty-Katz模型[27]對(duì)文獻(xiàn)[13]不銹鋼預(yù)測(cè)精度范圍為-0.7%～11.2%。

有研究者對(duì)氨在二維鈦管(32fpi)外凝結(jié)換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行了比較。Briggs-Rose模型[31]的預(yù)測(cè)效果最好，對(duì)實(shí)驗(yàn)值高估了20%左右；Rudy-Webb模型[28]、Rose模型[30]和Briggs-Rose模型[31]的預(yù)測(cè)值比試驗(yàn)值高50%以上，其中，由于沒有考慮翅片效率，Rose模型[30]偏差最大(+300%)。

Chong等[34]測(cè)試了R134a、R1234ze(E)和R290在冷凝溫度為40 ℃時(shí)在鈦強(qiáng)化管上的凝結(jié)換熱并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與五種低肋管的預(yù)測(cè)模型比較，結(jié)果表明，Briggs-Rose模型[31]對(duì)R134a、R1234ze(E)的預(yù)測(cè)效果最佳，平均偏差分別為-15.3%～-9.4%和-25.6%～-11.2%，因熱物性的差異，對(duì)R290的預(yù)測(cè)偏差值均較大。Kang[35]提出了與Beatty-Katz模型[27]類似的預(yù)測(cè)模型，對(duì)R134a在二維鈦管(32fpi)外凝結(jié)換熱系數(shù)的平均偏差為-5.5%。

當(dāng)前，一維表面單管外的凝結(jié)換熱問題已有較為完善的理論求解模型；二維表面管外膜狀凝結(jié)換熱的模型對(duì)管材、管表面結(jié)構(gòu)以及工質(zhì)物性等參數(shù)仍然具有較強(qiáng)的依賴性，模型的適用范圍普遍較小；而對(duì)于三維表面強(qiáng)化管來說，由于表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，還未建立起適用的理論求解模型。

3 結(jié)論與展望

強(qiáng)化管的凝結(jié)強(qiáng)化系數(shù)很大程度上取決于換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)。大部分研究表明：①耐腐蝕強(qiáng)化管的凝結(jié)傳熱系數(shù)是光管凝結(jié)換熱系數(shù)的3～8倍。②強(qiáng)化管的外部凝結(jié)過程取決于凝結(jié)液的滯留量，而凝結(jié)液的滯留量又取決于作用在液膜上的力，分別是凝結(jié)液的重力和表面張力。其中，表面張力對(duì)凝結(jié)液在翅片間排出或是滯留起關(guān)鍵性作用。③不同制冷劑的表面張力也是不同的，翅片上凝結(jié)液的滯留角度會(huì)隨著翅片間距的減小而增加，而低表面張力的流體允許具有較小的翅片間距，如鋸齒形。④當(dāng)凝結(jié)液膜的厚度足夠厚時(shí)，管外凝結(jié)熱阻遠(yuǎn)大于管壁熱阻，此時(shí)可忽略不計(jì)管材對(duì)傳熱系數(shù)的影響。

根據(jù)前述研究，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)耐腐蝕管的凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)研究仍較為匱乏。對(duì)于管外凝結(jié)過程中所涉及到的兩相流及邊界層內(nèi)的相互作用、傳熱傳質(zhì)機(jī)理等方面的研究已較為完善，但還處于依賴經(jīng)驗(yàn)公式的階段。此外，在深冷條件下耐腐蝕強(qiáng)化管對(duì)凝結(jié)換熱過程影響的研究有待開展。