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低压条件下紧凑又排管束沸腾换热特性试验点击：1772 日期：[ 2014-04-26 22:13:47 ] |
| 低压条件下紧凑又排管束沸腾换热特性试验 刘振华 杨荣华 (上海交通大学机械与动力工程学院上海200030) 摘要：针对传统的满液型蒸发换热器，将蒸发器中的水平加热管束按又排方式紧凑排列形成窄缝空间，在大气压和低压运行条件下，利用窄缝空间沸腾强化换热机理，可以将在低壁温／低热负荷条件下的自然对流换热转化为核态沸腾换热，能有效提高满液式蒸发器的换热性能。和传统的满液型蒸发换热器相比，这种紧凑式蒸发器平均换热系数能提高一倍以上。紧凑蒸发器的管距、管位置，工作压力都对蒸发器的换热性能有显著影响，管距的影响是最大的。不同的压力条件下存在一个对应的最佳管距。在此管距下，蒸发换热器的强化换热性能达到最大。最佳管距对应的管束水力当量直径近似等于池内沸腾时的气泡脱离直径。随着压力减小，最佳管距逐渐增大。同时，紧凑式管束布置引起的窄缝空间内沸腾强化换热强化效果也逐步降低。 关键词：沸腾紧凑式换热器强化换热管柬 中图分类号：TK51 0 前言 在吸收式制冷机、海水淡化装置以及各类化工设备的换热装置中，低压蒸发换热器应用非常广泛。目前降膜型蒸发换热器应用比较多。降膜型蒸发换热器的换热系数很大，但尺寸较大，而且需要一套比较复杂的供液装置。如将传热管束紧凑排列置于饱和状态液体中，则构成满液型蒸发换热器。常压下常规满液型蒸发换热器中的水平管束上的沸腾换热特性研究已经相当深入I ，但是这些管束的管距都较大，在低中热流密度条件下，传热管上不会产生沸腾现象。利用传热管束间窄缝沸腾强化机理，可以将在中低热流密度条件下的自然对流换热转化为核态沸腾换热，其换热性能可以得到大幅度提升，从而优于降膜式蒸发换热器。另一方面，蒸发换热器管束以紧凑式布置，可以减小换热器的质量和体积。作者过去的研究已经证实：在常压和高压条件下采用紧凑排列管束可以十分显著地提高沸腾换热性能。 针对目前低压条件下的管束沸腾换热强化研究还十分少见的情况，提出了一种新的紧凑式叉排光滑管束组成的满液式蒸发换热器结构。在这种管束结构中，每一列管束中的相邻各管间距十分小，形成窄缝空间。考察了管距、管束中管的不同位置和试验压力对沸腾换热性能的影响，并进行了一些机理探讨。试验结果对高效节能型蒸发换热器设计提供了一种新的思路和方法。 1 试验设备 如图1所示，整个试验装置主要是由真空泵、水银压力计、不锈钢压力容器、水平试验管束、不锈钢平板支架箱、冷凝器、加热电源和数据采集系统组成的。试验箱与真空泵间连接一个稳压箱用以保持试验箱内压力稳定。 图2给出了试验管束在叉排情况下排列的示意图。试验管子由15根直径和管长相同的水平光滑铜管组成。共有三列加热管，每列五根试验管。中间一列标上A、B和C的三根管子为测量管。试验管束通过不锈钢平板支架箱以叉排的形式被固定，管束两端密封。侧面两列管子与支架箱的距离取管距的一半。管排的管距定义为相邻两根圆管外表面的径向距离。本试验中管距有0．5 mm、1 mm、2mm和4mm四种，管距的调节通过更换不同的支架箱实现。 试验管束中使用的管子是外径18mm、内径12 mm、总长为180mm的纯铜管， 内插直径为12mm、有效加热长度100mm、总长140mm的电加热棒。管子和电加热棒之间用焊锡填满。电加热棒的一端套上外径18 mm、长30mm的聚四氟乙烯管。聚四氟乙烯管和紫铜管一端的端面圆周上沿水平方向用线切割法开四个直径为1．1mm的小孔，深度到达水平管中心，孔内插入直径1．0 mm的铠装式热电偶。纯铜管、电热棒和热电偶间用焊锡填满。 试验工质是纯水，试验压力有20 kPa、50 kPa和100 kPa三种。试验前用2000#砂纸将传热面打磨至光滑面，然后用丙酮和纯水洗净。传热管表面温度由四根热电偶测得的平均温度和一维圆柱导热公式推算得出。热负荷根据传热面积和加热电功率换算得出。试验工质温度由四根放置在管束上下左右均匀分布的热电偶测量。在试验中，首先用真空泵抽气使试验箱压力达到设定压力，然后启动辅助电加热器和试验管束内的电加热器将试验箱内水升温到设定压力对应的饱和温度。此后，调节冷凝器中自来水流量，冷凝试验箱中水蒸气使试验箱压力下 降至设定压力并保持稳定。然后，逐步增加试验管束的热流密度进行试验。在试验进行中，通过调节与真空泵相连接的调压阀门的开度， 以及调节冷却水流量，综合达到控制箱内压力稳定的目的。大气压试验时，试验箱上部打开。在读取试验数据时，保证实测平均液温和试验压力对应的理论饱和液温相差不超过0．5℃。试验箱压力使用U型水银压力计测量。根据数值计算，传热管两端散热损失不大于0．5％，热电偶校正误差最大0．2 K。试验测定中壁面过热度最大相对误差为20％左右。热负荷测量误差最大不超过3％。 2 试验结果 首先对三根主测量管进行大气压下的纯水一单管池内核态沸腾试验。试验结果和文献[6]中的核态沸腾换热计算式一致 2．1 管距对沸腾换热特性的影响 图3是试验压力为50 kPa时，管距d对上部管A 的沸腾换热特性影响的试验结果(从换热器的几何结构来看，管A 最能代表实际换热器的平均特性)。可以看出，管距为O．5mm和1mm时沸腾换热强化效果较好。低热流密度时0．5 mm管距最好，而中热流密度时1mm管距最好。管距d=2mm时沸腾换热性能与管距d=4mm时的沸腾换热性能比较接近。随着管距的增加，沸腾换热性能逐渐接近一般的池内沸腾。 图4是试验压力为20 kPa时，管距d对上部管A的换热特性影响的试验结果。管距从d=4mm和d=2mm减小到d=1mm时，随着管距的减小，换热性能得到大幅提高，说明受限小空间能够强化换热。当管距继续减小到0．5mm时，换热劣化，同时在试验范围内管A 已经出现沸腾危机。由图3、4可以发现，对于窄缝沸腾，存在一个最佳间隙。从试验结果中得到，在50 kPa压力下，最佳管距应该在0．5mm和1mm之间，可以取d=1mm为最佳管距。管束在20 kPa的低压下，d=1mm是最佳管距。在此管距下，与d=4mm的管距(可以代表一般管束)相比较，换热能力可以提高一倍左右。因此，在低中热流密度条件下，采用紧凑式管束是提高满液型蒸发换热器换热性能的一个十分简便有效的方法。 2．2 不同管位置的沸腾换热性能差异 图5显示了管束内不同管位置的沸腾换热性能差异。从图5可以看出，试验压力为50 kPa、d=2．0mm时，三个测量管换热性能存在较大差异。总的来说，上部管A的换热性能最好。其原因是，下面的管子周围流体沸腾产生的气泡上升，管柬上部通道内的空泡率逐渐增加，上面管子周围流体产生的扰动也相应增强，从而提高了上部管子的换热性能。这一特性称为管束效应。 图6为试验压力20 kPa、管距1．0mm时的试验数据图。由图6可见，三个测量管换热性能基本相同。这说明对微小管距，管柬效应基本消失。其原因可能是在微小管束中由于沸腾气泡引起的对流冲刷效应接近饱和。 2．3 试验压力对管束沸腾换热强化效果的影响 图7为管距d=2．0mm时，不同压力下管A的沸腾换热试验数据图。从图7中可以发现，换热强化效果随着试验压力的增加而增加。在池内沸腾时，虽然池内沸腾的换热特性随着试验压力的增加而增强，但是对于管排，压力的影响更加强烈； 随着压力降低，强化换热效果大幅度降低。在管距2mm时(注意不是最佳管距)，50 kPa压力下的沸腾换热强化效果依然很好，而20 kPa压力下的沸腾换热强化效果已经很弱了。这一强化换热效果的差异用传统理论，亦即不同压力下物性的变化很难解释。过去的窄缝强化沸腾研究，各种强化传热面强化沸腾研究几乎都没有涉及低压条件，相关的试验数据非常少。现有的研究还无法解释，需要进一步进行一些基础性研究。 2．4 最佳管距和气泡脱离直径之间的关系 紧凑式管束强化沸腾化热的基本原理是窄缝沸腾。其机理研究已经相当丰富[2-3]。基本的观点是窄缝使得气泡不易脱离传热面，从而形成大气泡粘附在传热面上。大气泡和传热面间的微层液膜形成强烈的蒸发换热从而强化了低热流密度下的沸腾换热。如果间隙过大，管子表面的微膜层不易形成，传热特性得不到很大提升。而如果间隙过小，将会阻碍气液流动，同时使得试验管会因为供液不足从而很快达到沸腾危机。因而存在一个最佳管距，使得微膜导热和扰动的综合效果达到最佳。文献对竖直套管间形成的狭窄流路内的沸腾换热特性进行了研究，提出达到换热强化效果最好的最佳管距基本等于沸腾气泡脱离直径。并对此进行了简单的定性解释。本研究中的管束流路也是一种竖直流路，因此，最佳管距应该和沸腾气泡脱离直径间存在某种联系。图8给出了不同压力条件下的最佳管距试验值、最佳管距对应的水力当量直径和相同压力下沸腾气泡脱离直径计算值。气泡脱离直径采用式(2)计算。 紧凑式叉排水平管束的沸腾换热特性非常复杂，各管的沸腾曲线与管距、压力、管位置等参数之间存在着十分复杂的耦合关系，不可能使用简单的经验相关式来描述。对于实际的管束蒸发换热器，如传热管管径，管子根数发生变化时，换热特性在定量上也会有所变化。这种定量上的变化需要根据实际换热装置通过试验确定。对于最佳管距和小管距情况，试验结果已经证实管位置对换热特性没有影响。这也就是说，管子根数对换热特性没有影响。本研究的目的是对实际的管束式蒸发换热器提出一种简单的强化换热技术，确认其在低压条件下的换热强化特性，为低压条件下管束式蒸发换热器的性能改善提供一种新的思路和技术指导。 3 结论 (1)利用管排窄缝空间沸腾强化换热机理，在中低热流量条件下，小管距紧凑又排管束能显著提高管束沸腾换热性能。 (2)压力为20kPa和50kPa时，管距为1．0mm时的换热效果为最优。在该管距下， 管束的沸腾换热特性能强化一倍以上。 (3)各管在管束中的位置对各管的换热特性影响十分复杂。相比较而言，管距较大时最上面的管子强化换热效果明显优于下面管子。但管距很小时各管的强化换热效果基本相同。 (4)压力对小管距紧凑叉排管束沸腾换热强化性能有强烈影响。随着压力降低，强化换热效果大幅度降低。 (5)最佳管距和气泡脱离直径间有密切关系，最佳管距对应的水力当量直径十分接近气泡脱离直径。 参考文献 [1]王增辉，贾斗南，刘瑞兰．狭缝通道两相流强化换热研究综述[J]．热能动力工程，2002，17(4)：329—331． [2]刘振华，陈玉明．满液型海水淡化蒸发器的换热特性研究[J]．太阳能学报，2002，23(4)：450—454． [3]秋雨豪，刘振华．紧凑管束蒸发换热器内水的沸腾强化换热特性[J】．上海交通大学学报，2005，39(8)：1 240—1 243． [5]杨世铭．传热学[M】．第3版．北京：高等教育出版社，1998． [6]FRITZ W，ENDE W．Maximum volume of vapor bubbles[J】．Hys．Zeitscher，1936，37(2)：391—395． |
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