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低压条件下紧凑式顺排管束满液型蒸发换热器的强化换热特性研究点击：1783 日期：[ 2014-04-26 22:54:50 ] |
| 低压条件下紧凑式顺排管束满液型蒸发换热器的强化换热特性研究 刘振华 廖 亮 (上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030) 摘 要：提出了一种新型紧凑式顺排光滑管束组成的满液式蒸发换热器。在低压条件下对水平光滑顺排管束的小空间内沸腾强化换热特性进行了实验研究,确认了管距、管位置和运行压力对强化换热性能的影响。实验表明存在一个能得到最大强化换热效果的最佳管距,这一最佳管距接近沸腾气泡的脱离直径。压力对强化换热效果也有重要影响:随着压力降低,强化换热效果也逐步减弱。实验结果对高效节能型蒸发换热器设计提供了设计基础。 关键词：蒸发换热器;强化换热;沸腾;紧凑式管束 中图分类号：TK51 文献标识码：A 文章编号：0254-0096(2007)02-0146-05 0·引 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、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。针对常压下满液型蒸发换热器中的水平管束上的沸腾换热特性的研究已经相当深入[1],但管束的管距都较大,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[2~3],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,可能优于降膜式蒸发换热器。此外,蒸发换热器管束以紧凑式布置,可以减小换热器的重量和体积。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显著提高沸腾换热性能[4~5]。 目前低压条件下的管束沸腾换热强化研究还未见报道。本文提出将一种紧凑式顺排光滑管束组成的满液式蒸发换热器用于低压运行条件。在这种管束结构中,每一列管束中的相邻各管上下紧密接触,形成的三角形细缝起到了有效的汽化核心作用,相当于一种强化传热表面。每两列管束在水平方向保持很小的距离,形成窄缝空间。本实验重点考察管距、管束中管的不同位置和实验压力对沸腾换热性能的影响。实验表明:存在一个能得到最大强化换热效果的最佳管距,这一最佳管距接近沸腾气泡的脱离直径。压力对强化换热效果也有重要影响。实验结果对高效节能型蒸发换热器设计提供了设计基础。 1·实验设备 如图1所示,整个实验装置主要由真空泵、水银压力计、不锈钢压力容器、水平实验管束、不锈钢平板支架箱、加热电源和数据采集系统组成。实验箱与真空泵间连接一个0·5m3的用以保持实验箱内压力稳定的稳压箱。 图2给出了实验管束在顺排情况下排列的示意图。实验管子由15根直径和管长相同的水平光滑铜管组成,实验管束通过不锈钢支架箱以顺排的形式被固定。管束两端密封,实验流体只能沿着竖直方向流出流进。中间一列实验管束中的3根标为A、B和C的管子为测量管。 实验管束中使用的管子是外径18mm、总长为180mm的紫铜管,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。电加热棒的两端套上外径18mm、长30mm的聚四氟乙烯管。在加热管的一端,在紫铜管端面圆周上沿水平方向用线切割法开4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。紫铜管、电热棒和热电偶间用焊锡填满。管束的管距指的是相邻两列管束间的最短距离。本实验采用的管距有1、2、3、4mm4种,管距的调节通过更换不同的支架实现。 实验工质是去离子水,实验压力分别为20、50kPa和常压3种。实验前用2000#砂纸将传热面打磨至镜面,然后用丙酮和纯水洗净。传热管表面温度由4根热电偶测得的平均温度和一维圆柱导热公式推算得出。热流密度根据传热面积和加热电功率换算得出。实验工质温度由4根放置在管束上下左右均匀分布的热电偶测量。在实验中,首先用真空泵抽气使实验箱压力达到设定压力,然后启动辅助电加热器和实验管束内的电加热器将实验箱内水升温到实验压力对应的饱和温度。此后,调节冷凝器中自来水流量,冷凝实验箱中水蒸汽使实验箱压力下降至设定压力并保持稳定。然后,逐步增加实验管束的热流密度进行实验。在实验进行中,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。大气压实验时,实验箱上部打开。实验箱压力使用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0·2K。实验测定中壁面过热度最大相对误差为10%左右。热流密度测量误差最大不超过1%。实验沿升温方向进行。 2 实验结果和讨论 首先对3根主测量管进行大气压下的纯水—单管池内核态沸腾实验。实验结果和文献[6]中的核态沸腾换热计算式一致。以后各图中,单管池内核态沸腾曲线用实线表示。 2·1 管距对沸腾换热特性的影响 图3和图4分别显示了实验压力为20KPa和50kPa时,管距S对顶部管沸腾换热特性的影响(h为管平均换热系数,ΔTsat为壁面过热度。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)。在本实验的整个低中热流密度范围内,各管距的沸腾曲线都已经显示出充分发展核态沸腾特性。管距对沸腾换热特性有强烈影响,存在着一个最佳管距。在两种低压条件下,都是管距2mm时的沸腾换热强化效果最好。在本实验的中低热流密度范围内,换热系数可以增加0·5~3倍左右,显示了良好的换热强化效果。尤其是在低热流密度区域,强化换热效果十分显著。随着热流密度的增加,沸腾换热特性逐渐接近一般的池内沸腾,显示在高热流密度时,强化效果将逐渐减弱。 紧凑式管束强化沸腾换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。大气泡和传热面间形成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,同时使得实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,使得微膜导热和气泡扰动的综合效果达到最佳。 2·2 不同管位置对沸腾换热性能的影响 图5是管距2mm(最佳管距),实验压力50kPa时同一管束中不同管位置的各管沸腾换热性能实验图。从图中可以看出,由下到上,换热性能依次增大。下部管的换热强化主要是由于同一管束中各管子紧密接触形成的三角形细缝引起的。这些三角形细缝起到了有效的汽化核心作用,相当于一种强化传热表面,从而在较低热流密度条件下也出现沸腾换热。而对于上部管子,由于气液两相流的空泡份额比较高,形成了强烈扰动的大气泡流,换热强化来自于三角形细缝汽化核心和管束间狭窄空间的共同作用,因此换热强化效果更加显著。 2·3 压力对沸腾换热性能的影响 图6是管距2mm(最佳管距)时不同压力下顶部管的沸腾换热特性的比较。由图6可见,换热强化效果随着实验压力的降低而减弱。在池内沸腾时,虽然单管沸腾换热性能也是随着实验压力的降低而减弱(h∝p0·7),但是对于管束,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。在大气压时,管束的沸腾曲线基本与池内沸腾曲线平行;随着压力降低,管束的沸腾曲线的斜率逐渐变小。这使得压力与管束沸腾特性之间的关系变得十分复杂,我们目前还无法提出简单的经验公式来预示这种关系。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,相关的实验数据非常少,需要进一步进行一些基础性研究。 2·4 最佳管距和沸腾气泡脱离直径的关系 文献[2]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7给出了不同压力条件下的最佳管距实验值和沸腾气泡脱离直径计算值,高压条件下的顺排管束最佳管距数据来自作者过去的实验[5]。气泡脱离直径采用下式计算[7]: 式中,db———气泡脱离直径;ρ1和ρv———分别是液体和气体密度;σ———气液表面张力;φ———固液接触角,对于本实验的铜-水接触条件,φ在45°~65°之间,取平均值φ=55°。从图7可以看出,在20~300kPa的压力范围内,气泡脱离直径的变化范围十分狭窄,在2~2·5mm之间,而最佳管距都是2mm,最佳管距十分接近气泡脱离直径。因此,可使用气泡脱离直径的计算公式预示最佳管距。 3 结 论 1)利用狭窄空间沸腾强化换热机理,在低压条件下小管距紧凑顺排管束能显著提高管束沸腾换热性能。这是一种十分简单有效的提高满液型蒸发换热器性能的方法; 2)当压力在20 kPa至大气压之间时,管距为2mm时的管束结构有最好的换热强化效果; 3)管在管束中的位置对各管的换热特性有一定影响。最上面的管子强化换热效果更好一些; 4)压力对小管距紧凑顺排管束沸腾换热性能有强烈影响。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,最佳管距接近气泡脱离直径。可使用气泡脱离直径的计算公式预示最佳管距。[参考文献][1]Browne M W, Bansal P K. Heat transfer characteristics of boiling phenomenon in flooded refrigerent evaporators[J].Applied Thermal Engineering, 1999, 19: 595—624.[2]Ishibashi E, Nishikawa K. Saturated boiling heat transfer innarrow spaces[J]. Int J Heat Mass Transfer, 1969, 12(3):865—885.[3]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.[4]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.[5]刘振华,秋雨豪.紧凑管束蒸发换热器内水的沸腾强化换热特性[J].上海交大学报, 2005, 39(8):1240—1243.[6]杨世铭,陶文铨.传热学(3版)[M].北京:高等教育出版社,1998,425—428.[7]Fritz W, Ende W, Maximum volume of vapor bubbles[J].Hys Zeitscher, 1936, 37: 391—395. |
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