蒸汽冷凝傳熱特性的研究

蔡雨錚 閆紹峰 趙彬 劉幫建(遼寧工業(yè)大學(xué),遼寧錦州121001)

蒸汽冷凝傳熱特性的研究

蔡雨錚 閆紹峰 趙彬 劉幫建(遼寧工業(yè)大學(xué),遼寧錦州121001)

以水蒸汽為工質(zhì)研究了波紋管管外冷凝時(shí)的傳熱特性。分析了波紋管強(qiáng)化傳熱機(jī)理,推導(dǎo)了冷凝傳熱系數(shù)的計(jì)算公式，實(shí)驗(yàn)中內(nèi)管采用為波紋管,分為水平和垂直兩種布置方式。結(jié)果表明，隨著液體雷諾數(shù)的增加，傳熱系數(shù)增大。相對(duì)光管，波紋管外傳熱系數(shù)明顯提高，波紋管有效地提高了管外的冷凝傳熱。

波紋管;雷諾數(shù);壓縮傳熱

波紋管是近幾年來(lái)被廣泛采用的一種強(qiáng)化換熱元件,波紋管換熱器作為一種新型高效管殼式換熱器已越來(lái)越受到關(guān)注。這種換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、傳熱效率高、不易結(jié)垢、

熱補(bǔ)償能力強(qiáng)，而且還秉承了管殼式換熱器堅(jiān)固耐用、安全可靠、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此,用波紋管做換熱管優(yōu)于其它異型管[1]。目前國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)其換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,但由于換熱器內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，許多波紋管強(qiáng)化傳熱的研究只給出了一些計(jì)算實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[2-4]，但各種關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果差異較大，為此，本文以水作為工質(zhì)，對(duì)波紋管管外冷凝傳熱強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)了傳熱系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

1 波紋管冷凝強(qiáng)化傳熱機(jī)理

波紋管結(jié)構(gòu)與外徑相同的普通光管相比，其強(qiáng)化傳熱有兩個(gè)特點(diǎn)：面積增加;由于凝結(jié)膜變薄，傳熱系數(shù)增加。后者在強(qiáng)化傳熱方面起著重要作用。由于風(fēng)箱波紋表面曲率很小，冷凝膜受表面張力的強(qiáng)烈影響，表面張力是由差壓、液膜的波峰和低谷引起的液體膜的表面張力流型受表面張力和重力的壓力差影響。為了提高傳熱的效果，表面張力應(yīng)該大于重力。當(dāng)表面張力大于重力時(shí)，當(dāng)表面張力大于重力時(shí)，冷凝水的流動(dòng)類型主要由表面張力控制。此時(shí),波紋表面液膜流動(dòng)模式類似,液膜在波紋表面波槽的底部,波峰區(qū)液膜變薄,大大降低了熱阻表面的熱流通過(guò)波區(qū),強(qiáng)化了傳熱。該區(qū)域的冷凝是膜狀的，但傳熱系數(shù)在串珠熱系數(shù)范圍內(nèi)。在整個(gè)波紋表面底部的冷凝水收集槽區(qū)，重力大于表面張力，重力下的冷凝控制沿環(huán)向壁面向下流動(dòng)，通過(guò)底部的熱流的底部非常小。當(dāng)表面張力和重力相結(jié)合時(shí)，凝結(jié)水的流動(dòng)類型是復(fù)雜且難以準(zhǔn)確判斷的。液體的流動(dòng)類型通常被簡(jiǎn)化為重力控制和表面張力控制縮合。光管是由重力控制的，可以通過(guò)努塞特理論計(jì)算出外管的傳熱系數(shù)。管外管的傳熱系數(shù)[8]

紊流時(shí)光管管外冷凝傳熱系數(shù)[8]

式中，g為重力加速度；?c為系數(shù)，對(duì)于豎直管?c=1.25，水平管?c=1.0；M為冷凝負(fù)荷，它是液相質(zhì)量流量與潤(rùn)濕周長(zhǎng)的比值；ReL，λL，ρL，μL分別為液相雷諾準(zhǔn)數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度。而波紋管表面張力遠(yuǎn)大于重力，Nusselt理論計(jì)算式不再適用。

2 實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)研究所需設(shè)備主要包括水箱、水泵、管道、閥門、流量計(jì)、溫度傳感器、冷凝液流量計(jì)、蒸發(fā)器和冷凝器等；實(shí)驗(yàn)介質(zhì)波紋管內(nèi)為水，飽和水蒸汽在波紋管管外水平流動(dòng)冷凝,冷凝器內(nèi)水平布置5根波紋管，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取5根管的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瓦楞管的壁薄，內(nèi)壁形狀變化的影響被忽略。波紋管有效管長(zhǎng)1 m，水流量為0.058—0.215m3/h,蒸汽溫度114℃，蒸汽壓力0.15MPa，Re0=20～103。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該類型的風(fēng)箱對(duì)傳熱和傳熱具有很好的效果。主要原因是波峰對(duì)流體的擾動(dòng)影響。流速越大，擾動(dòng)越大，傳熱效果越好。管壁光滑，有層流邊界層，耐熱性更大，傳熱效果更差。

(2)在垂直流動(dòng)的情況下，冷凝水的流動(dòng)是明顯的，所以效果是明顯的。

理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理分配使傳熱效應(yīng)增加了2～5倍。其他波紋管的結(jié)構(gòu)尺寸不同，對(duì)其主要性能有一定的影響，波峰和波峰的性能更好。

(4)在雷諾數(shù)的范圍內(nèi)，風(fēng)箱和光學(xué)管的總傳熱系數(shù)隨Re的增加而增加，而風(fēng)箱的傳熱特性比光管多

[1]黨高健,羅毓珊,陳聽寬,王海軍波紋管管外冷凝特性的研究化學(xué)工程2007,35(12):22～25.

[2]馮殿義,胡建生波紋管管外冷凝傳熱特性分析與實(shí)驗(yàn)研究核動(dòng)力工程2008,29(1):110～113.