立式蒸發(fā)式冷凝器強化傳熱實驗研究

吳治將 汪 南 朱冬生

符號說明

Rko:水蒸汽冷凝側(cè)熱阻，m2·K·W-1

Roi:管壁導(dǎo)熱熱阻，m2·K·W-1

Riw:水膜側(cè)熱阻，m2·K·W-1

Rwa:空氣-水界面熱阻，m2·K·W-1

α:換熱熱阻，W·m-2·K-1

q:熱流密度，W·m-2

mv:水蒸汽的質(zhì)量流量，kg·s-1

A:換熱面積，m2

Q:換熱量，W

Δt:溫差，K

下標

a:空氣

o:水蒸汽

i:管壁

w:水

1 引言

蒸發(fā)式冷凝器將冷換過程中的水冷式冷凝器和冷卻塔合二為一，實現(xiàn)對工藝流體的冷凝冷卻過程，同時實現(xiàn)水的重復(fù)利用，是一種高效節(jié)能的換熱設(shè)備。由于其傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點，目前已經(jīng)在世界各國得到廣泛的應(yīng)用和研究［1-4］，主要集中在橫管式蒸發(fā)式冷凝器，對于立式的研究則相對較少［5］。對于橫管式蒸發(fā)式冷凝器，立式在水蒸汽冷凝的優(yōu)勢更明顯。在中國，作為一種近年來才逐漸被逐步應(yīng)用的設(shè)備，其設(shè)計和應(yīng)用主要依賴工程數(shù)據(jù)，而工程數(shù)據(jù)也相當缺乏。一些學(xué)者從熱力學(xué)、節(jié)能和節(jié)水角度論證了蒸發(fā)式冷凝器相對于其它冷換設(shè)備的優(yōu)勢，但傳熱系數(shù)與水冷式冷凝器相比仍然偏小，強化傳熱是蒸發(fā)式冷凝器研究發(fā)展的一個重要方向［6-7］。課題組在前期研究的基礎(chǔ)上［8-10］，采用立式蒸發(fā)式冷凝器搭建了水蒸汽排汽冷凝實驗平臺，對圓管、插入螺旋線圓管和波紋管3種不同管形的立式蒸發(fā)式冷凝器在不同冷卻水噴淋密度和風(fēng)速下的強化傳熱性能進行研究，為其設(shè)計和推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

2 實驗研究

本實驗主要包括冷卻水回路、空氣回路、水蒸汽回路、真空泵系統(tǒng)和測量系統(tǒng)5大部分。實驗系統(tǒng)的工作流程見圖1所示。3種不同管形的參數(shù)見表1所示。

水蒸汽的循環(huán)流程:水蒸汽在蒸汽鍋爐中產(chǎn)生，由管道輸送到立式蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)(水蒸汽的流量由蒸汽流量計9進行測量)，高溫的水蒸汽遇到低溫的換熱管11，在管外壁面發(fā)生冷凝，變成液態(tài)水，從窺鏡10中可以觀察到換熱管外壁面上的冷凝狀況，冷凝水在管外壁面積聚到一定的程度后，在重力的作用下沿管外壁面下流到換熱器底部，然后排入儲液箱中，再經(jīng)循環(huán)水泵抽往蒸汽鍋爐中加熱變成水蒸汽，從而實現(xiàn)水蒸汽的不斷循環(huán)流動過程。

圖1 實驗流程圖

表1 3種不同管形的參數(shù)Table 1 Parameters for three different tube

在實驗中，水環(huán)真空泵主要起到兩個方面的作用:(1)把水蒸汽中的不凝性氣體抽出;(2)在立式蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)建立并維持一定的真空度，使水蒸汽自動流入換熱器內(nèi)。

立式蒸發(fā)式冷凝器的工作流程:循環(huán)水泵1從底部水槽吸入冷卻水抽送到頂部水槽6(冷卻水的流量通過旁通閥2進行調(diào)節(jié)，其流量由轉(zhuǎn)子流量計4進行測量)，當頂部水槽的水位達到一定的高度后，冷卻水會從換熱管11頂端溢流進入換熱管內(nèi)，在分水器7的作用下在換熱管內(nèi)壁面形成均勻水膜，水膜從上而下沿管內(nèi)壁面下流，沿途吸收管外水蒸汽的冷凝熱，部分水蒸發(fā)成水蒸汽，并與水膜外逆向流動的空氣發(fā)生熱質(zhì)交換，以潛熱為主、顯熱為輔的方式向空氣傳遞熱量，空氣吸收水蒸汽和熱量后，由頂部抽風(fēng)機8經(jīng)風(fēng)管排出(空氣的流速由變壓器進行調(diào)節(jié))，未蒸發(fā)的水膜回落到底部水槽中供循環(huán)使用，被蒸發(fā)的冷卻水由浮球閥12自動補充。

需要測試的數(shù)據(jù)較多，因此采用了自動監(jiān)控、手動測試相結(jié)合的方法，兩者偏差不超過2%。自動監(jiān)測系統(tǒng)采用具有多點數(shù)字采集功能的巡檢儀，配置平板電腦系統(tǒng)，并由MCGS全中文組態(tài)軟件支持，以便實時存儲記錄實驗數(shù)據(jù)。手動測量采用德國Testo系列熱工儀器，溫度測量精度為0.1℃，風(fēng)速測量精度為1%，空氣濕度測量偏差為±2%，流量計測量偏差為0.5%。

3 數(shù)據(jù)處理

影響蒸發(fā)式冷凝器總體傳熱性能最重要的兩個參數(shù)是冷凝溫度tk和濕球溫度tb，實際工程計算中以兩個溫度之差為基準溫差，本文也采用此法求出總傳熱系數(shù)K值。

立式蒸發(fā)式冷凝器的傳熱過程包括4個互相串聯(lián)的熱阻:水蒸汽側(cè)的凝結(jié)換熱熱阻Rko、管壁的導(dǎo)熱熱阻Roi、水膜側(cè)的對流換熱熱阻Riw和水膜與空氣之間的傳熱傳質(zhì)熱阻Rwa。傳熱過程的熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖2所示。假設(shè)在整個傳熱過程中各階段的傳熱量相等，即式(2)成立。

圖2 熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Sketch map of thermal resistance net

為了便于比較，統(tǒng)一整理成單位管外表面積對應(yīng)的排熱量，將式(2)化簡為式(3)。

各個熱阻的計算采用式(4)。

計算單個實驗不確定度傳遞，推導(dǎo)出基本偏差，實驗數(shù)據(jù)偏差不超過4%，實驗結(jié)果偏差不超過7%。

4 實驗結(jié)果

4.1 總體強化傳熱作用結(jié)果

實驗工況取空氣濕球溫度28℃，相對濕度77%，初始冷卻水取常溫水。在不同強化傳熱條件的水噴淋密度Γ=0.195 kg·m-1·s-1和進口空氣流速uG，in=1.8 m·s-1對總傳熱系數(shù)K的影響如圖3和圖4所示。由圖3，圖4分析可見，插入螺旋線圓管和波紋管比圓管總傳熱系數(shù) K分別高8.7%、12.9%?？梢姴捎貌迦肼菪€和波紋管兩種手段都起到強化傳熱作用。

4.2 對流阻的影響

圖5和圖6分別為 Γ =0.19 kg·m-1·s-1和uG，in=1.8 m·s-1條件下，空氣流動壓降 Δp 隨 uG，in和Γ變化的關(guān)系圖。

從圖5可知，空氣的流動壓降Δp隨uG，in的增大而增加。圓管壓力降增加2.75倍，插入螺旋線圓管壓力降增加3.07倍，波紋管壓力降增加3.18倍。波紋管和插入螺旋線圓的壓降平均值比圓管高58.51%、36.38%。這表明波紋管和插入螺旋線圓管在提升換熱效率的同時，要付出增加空氣流動阻力作為代價。

從圖6可知，空氣流動壓降Δp隨Γ的增大而增加，圓管壓力降增加2.38倍，插入螺旋線圓管壓力降增加2.64倍，波紋管壓力降增加2.71倍。波紋管和插入螺旋線圓的壓降平均值比圓管分別高46.75%、27.69%。對于一定的橫截面積，當冷卻水的噴淋密度增加后，相應(yīng)增加了空氣的流動阻力，所以空氣的流動壓降也隨之增加。

4.3 熱阻分布的影響

表1 反映了在 uG，in=1.8 m·s-1，Γ =0.195 kg·m-1·s-1時螺旋線插入物和波紋管對熱阻分布的影響。插入螺旋線后，Rwa由 0.92×10-3m2·K·W-1降低至 0.73 × 10-3m2·K·W-1，降幅達20.65%，其余熱阻值變化不大，由此可見插入螺旋線對降低氣-液界面的熱阻尤為明顯;而采用波紋管后，Rko由0.53 ×10-3m2·K·W-1降至 0.34 ×10-3m2·K·W-1，降幅達 35.85%，Rwa由 0.92 × 10-3m2·K·W-1降低至 0.75 ×10-3m2·K·W-1，降幅達18.47%，可見，波紋管對降低凝結(jié)換熱側(cè)的熱阻尤為明顯。各階段的熱阻值見表2所示。從表2可以看出，氣-液界面的熱阻是整個傳熱過程的控制熱阻，它具有改變總熱阻的最大潛力，要提高總傳熱效率應(yīng)設(shè)法降低這一環(huán)節(jié)的熱阻值。

表2 不同管形對熱阻分布的影響Table 2 Effect of heat resistance distributions on different tubes

圖7為不同豎管外壁面上水蒸汽冷凝照片。從圖7a分析可知，對豎直圓管，水蒸汽在管外壁面的凝結(jié)形式主要是膜狀凝結(jié)，凝結(jié)水能很好地潤濕壁面，水蒸汽在管外壁面冷凝時鋪展成一層水膜，凝結(jié)放出的相變熱必須穿過液膜才能傳到冷卻壁面，增加了換熱過程的熱阻;而對于波紋管，水蒸汽在管外壁面的凝結(jié)形式主要是珠狀凝結(jié)，如圖7b所示，凝結(jié)水不能很好的潤濕管外壁面，凝結(jié)水在壁面形成一個個的小水珠，水珠會不斷發(fā)展長大，當長大到一定尺寸后在重力的作用下沿壁面滾下，一方面會合相遇的水珠，合并成更大的水珠，另一方面也掃清了沿途的水珠，使壁面重復(fù)水珠的形成和成長過程，大大強化了換熱。這也是波紋管能明顯降低凝結(jié)換熱側(cè)熱阻的原因。

圖7 豎管外壁面上水蒸汽冷凝照片F(xiàn)ig.7 Photos of water vapor condensation on vertical tube wall

5 結(jié)論

(1)在立式蒸發(fā)式冷凝器的傳熱過程中，采用插入螺旋線圓管或者波紋管都可以起到強化傳熱的效果，總傳熱系數(shù)K比圓管分別高8.7%、12.9%，但要付出增加空氣流動阻力作為代價。

(2)在本實驗范圍，Rwa是整個傳熱過程的控制熱阻，它具有改變總熱阻的最大潛力;插入螺旋線對降低氣-液界面的熱阻尤為明顯，降幅達20.65%;波紋管對降低凝結(jié)換熱側(cè)的熱阻尤為明顯，降幅達35.85%;波紋管外壁比圓管更容易形成珠狀凝結(jié)，這也是波紋管能明顯降低凝結(jié)換熱側(cè)熱阻的原因。

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