多向擾流強化換熱管傳熱與阻力性能試驗研究

胡志明， 袁益超， 劉聿拯

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海200093；2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海200093）

由于具有傳熱性能好、加工方便和制造成本低等優點，螺紋管是國內外電廠凝汽器中廣泛應用的強化換熱管型［1－2］.然而傳統的單向螺紋管表面螺紋呈彈簧狀，彈簧效應會降低管子的抗振性能［3］，對汽輪發電機組的安全運行構成了一定威脅.因此，迫切需要開發一種能將換熱強化和機械強化有效結合的換熱管，不銹鋼多向擾流強化換熱管（以下簡稱多向擾流管）正是在這種背景下產生的.多向擾流管管壁的螺紋交叉呈網狀，這種結構相當于工字鋼的筋板，可以加強管子的軸向和徑向剛度，使同樣壁厚的管子具有更高的抗振性能［3］.此外，由于不銹鋼管具有耐腐蝕、耐沖蝕及強度高等特點［4］，因此多向擾流管在電廠凝汽器中具有廣闊的應用前景.

目前，對于凝汽器強化換熱管傳熱性能的研究主要針對單向螺紋管和橫紋管［5－8］，尚未發現關于多向擾流管的研究報道.雖然多向擾流管已應用于國內一些電廠凝汽器的改造項目［9－12］，但在這些改造項目中，通常只是對強化換熱管的螺距、槽深等結構參數進行調整，以實現等泵功率改造［3］，降低改造費用，而未對其傳熱性能進行系統研究，無法為多向擾流管在凝汽器中的應用提供設計依據.凝汽器內換熱管的傳熱性能受管型、結構參數、管束布置方式、蒸汽壓力和濕度等因素影響，所以系統地研究凝汽器運行工況下，多向擾流管的傳熱性能對其工程實際應用具有重要意義.由于蒸汽在多向擾流管束中的凝結換熱過程非常復雜，因此無法從理論上對其進行求解，只能通過試驗獲得.為此，筆者根據電廠凝汽器的運行工況，以濕蒸汽和冷卻水作為介質，對多向擾流管的傳熱與阻力性能進行試驗研究，以期為多向擾流管的結構優化和工程應用提供依據.

1 試驗系統及數據處理方法

1.1 試驗系統及試件

以電廠凝汽器強化傳熱為研究背景，重點研究蒸汽凝結條件下多向擾流管管束的傳熱和阻力性能.在對電廠凝汽器冷卻管束凝結換熱機理分析的基礎上，設計了如圖1所示的試驗系統.

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

為了準確測量蒸汽的質量流量，由燃油蒸汽鍋爐產生的飽和蒸汽首先經節流降壓為過熱蒸汽.過熱蒸汽經流量、壓力、溫度測量后再進入減溫器進行減溫減壓，使其達到試驗要求的壓力（10kPa）和濕度（7.7%），用來模擬汽輪機排汽.進入筒體的蒸汽由上往下橫向沖刷試件內的換熱管束，被管內的冷卻水冷凝后沉積于筒體下部.試驗用的冷卻水由自來水和試件出口冷卻水的一部分回水混合后獲得，可通過調節自來水和冷卻水回水的比例，達到試驗要求的冷卻水入口溫度（33.1 ℃）.此外，為了盡可能減小不凝結氣體對試驗的影響，需在試驗過程中不斷抽出不凝結氣體.

試驗過程中，過熱蒸汽和凝結水溫度采用精度為A 級的Pt100鉑電阻測量；試件內冷卻水入口、出口溫度和減溫水入口、出口溫度采用二等標準水銀溫度計測量.冷卻水和減溫水流量采用精度分別為0.2級和0.5級的渦輪流量計測量；過熱蒸汽流量采用精度為1級的漩渦流量計測量.試件入口蒸汽壓力采用精度為0.2級的3151型絕對壓力變送器測量；冷卻水流阻采用精度為0.2級的1151型差壓變送器測量.流量、壓力儀表反饋的4～20mA 標準電流信號被ADAM4118 模塊采集，鉑電阻的電阻信號被ADAM4015 模塊采集.所有采集的信號經ADAM4520 模塊轉換后輸入計算機，由數據采集程序實時采集.

為了對比多向擾流管與光管在傳熱和阻力性能方面的差異，模擬凝汽器的運行工況，對3種不同結構的換熱管進行傳熱與阻力試驗.試件結構如圖2所示，主要包括換熱管束、水室及管板.試件內換熱管水平布置，采用間距為32mm 的等邊三角形排列方式，沿蒸汽流動方向（縱向）錯列布置32排，橫向交替布置（4根或3根），合計112根.試件內冷卻水共8個流程，即14根換熱管并聯作為一個流程.

試件采用不銹鋼換熱管，所有換熱管外徑為25 mm、壁厚為0.5 mm，其中1號試件的換熱管為光管；2號和3號試件的換熱管為多向擾流管，二者槽深均為0.4mm，螺距分別為30mm 和27mm.

圖2 試件結構示意圖Fig.2 Structural diagram of the experimental tube panel

1.2 數據處理方法及誤差分析

1.2.1 總傳熱系數計算

試驗過程中，蒸汽凝結放熱量Qs和冷卻水吸熱量Qw分別為

式 中：qm，s、qm，w 分 別 為 蒸 汽 和 冷 卻 水 的 質 量 流 量；iin、ic分別為試件入口蒸汽和凝結水的比焓；cp，w為冷卻水平均比定壓熱容；t′w、t″w分別為冷卻水入口、出口溫度.

當蒸汽凝結放熱量與冷卻水吸熱量之間的相對誤差小于±3%時，認為工況穩定，此時可以采集試驗數據.試驗過程中，真空泵在不斷抽出不凝結氣體的同時不可避免地會抽出一部分蒸汽，為了減小試驗誤差，總傳熱量Q 按冷卻水吸熱量Qw計算.

以不同試件的總傳熱系數表征換熱管的傳熱性能，由傳熱學基本原理，試件的總傳熱系數為

式中：A 為傳熱面積，按換熱管外側總傳熱面積計算［13］；Δt［13］為試件傳熱溫壓.

式中：ts為試件入口飽和蒸汽溫度，由試件入口蒸汽壓力確定.

1.2.2 沿程阻力計算

對于本試驗，試件的冷卻水流阻由2部分組成：一是換熱管內的摩擦損失，即沿程阻力；二是冷卻水進、出水室的損失，即管端損失［13］.管端損失主要取決于換熱管內的冷卻水流速及水室結構［13］.3個試件的水室采用完全相同的結構，因此，可以認為同一冷卻水流速工況下3個試件的管端損失相同.

試驗中管內冷卻水Re 范圍為4.9×104～7.8×104，因此，對于光管試件，其管內阻力系數可按布拉修斯公式計算，進而根據達西公式可得到不同工況下光管試件的管內冷卻水沿程阻力Δps，再由光管試件的冷卻水總阻力ΣΔps減去冷卻水的沿程阻力，可得試件在不同工況下的管端損失Δpt.

對于多向擾流管試件，由冷卻水總阻力ΣΔpm減去管端損失Δpt，可得不同工況下管內冷卻水的沿程阻力Δpm.本文以換熱管內冷卻水的沿程阻力Δpm來表征多向擾流管的阻力性能.

1.2.3 誤差分析

由于設備、儀表、環境等客觀因素的影響，試驗中不可避免地存在系統誤差.根據誤差傳遞理論，間接測量量F 的相對誤差ξF 與各直接測量參數Xi（i＝1～n）的關系為

試驗系統誤差主要包括冷卻水入口、出口溫度t′w和t″w、入口飽和蒸汽溫度ts、傳熱溫壓Δt、冷卻水和蒸汽質量流量qm，w和qm，s、總傳熱量Q、總傳熱系數K 以及冷卻水沿程阻力Δpm的相對誤差.根據試驗過程中所涉及儀表的精度，各參數的相對誤差如表1所示.

表1 試驗各參數的相對誤差Tab.1 Relative errors for different parameters %

2 試驗結果及分析

2.1 冷卻水流速及換熱管結構對傳熱性能的影響

圖3為多向擾流管試件與光管試件的傳熱性能對比.由圖3可知：

（1）3個試件的總傳熱系數均隨冷卻水流速w的增大而增大.這主要是因為冷卻水流速增大使管內冷卻水的擾動增強，湍流度增大，破壞并減薄了邊界層；此外，冷卻水流速增大使試件的總傳熱量增大，為了維持試件入口蒸汽參數（壓力、濕度）不變，蒸汽質量流量將增大、流速將增加，蒸汽對管外凝結液膜的黏滯作用加強，液膜厚度被拉薄［14］.

圖3 冷卻水流速及換熱管結構對總傳熱系數的影響Fig.3 Effects of cooling water flow and tube structure on heat transfer coefficient of the tube panel

（2）多向擾流管具有顯著的強化傳熱性能，在試驗工況范圍內，與采用光管的1號試件相比，采用多向擾流管的2號和3號試件的總傳熱系數平均分別增大約13.8%和14.8%.其強化傳熱的機理是：管內的網狀螺紋凸起增強了對冷卻水的擾動，減薄了傳熱邊界層厚度；管外的網狀凹槽成為排泄凝結液的通道，使換熱管表面凝結液膜變薄，在凹槽內凝結液表面張力的作用下，換熱管表面液膜厚度會進一步減薄.

（3）3號試件的傳熱性能稍優于2號試件，這是因為3號試件所采用的多向擾流管的螺距更小.在相同冷卻水流速條件下，螺距小的多向擾流管一方面對管內冷卻水的擾動更劇烈；另一方面管外螺紋凹槽內凝結液表面張力作用更明顯，換熱管外表面液膜平均厚度更薄［5］.因此，在相同冷卻水流速條件下，3號試件的傳熱性能更好.

2.2 冷卻水流速及換熱管結構對阻力性能的影響

圖4為多向擾流管試件和光管試件的阻力性能對比.由圖4可知，在試驗工況范圍內，與采用光管的1號試件相比，2號和3號試件的沿程阻力平均分別增大約8.7%和10.7%，且螺距小的3號試件的沿程阻力更大，比2號試件增大約1.8%.這是因為多向擾流管內壁的網狀螺紋凸起增強了對冷卻水的擾動，因此流動阻力比光管大；而在相同工況下，螺距小的多向擾流管對冷卻水的擾動作用更加劇烈，因此冷卻水流動阻力也更大.

2.3 多向擾流管傳熱與阻力計算公式

根據多向擾流管試件的傳熱性能試驗結果，采用最小二乘法擬合得到了多向擾流管總傳熱系數K 關于冷卻水流速和結構參數p／di（螺距／內徑）的計算公式：

圖4 冷卻水流速及換熱管結構對沿程阻力的影響Fig.4 Effects of cooling water flow and tube structure on flow resistance of the tube panel

上式適用范圍如下：1.125≤p／di≤1.25，w＝1.4～2.2m／s，與試驗結果的相對誤差不超過±5%.

根據管內阻力試驗結果，擬合得到了單位長度多向擾流管的沿程阻力Δp′關于冷卻水流速w 和結構參數p／di（螺距／內徑）的計算公式：

上式適用范圍與式（6）相同，與試驗結果的相對誤差不超過±5%.

3 結 論

（1）蒸汽凝結條件下的管束傳熱試驗表明，多向擾流管具有顯著的強化傳熱性能.在試驗工況范圍內，與采用光管的1號試件相比，采用多向擾流管的2號和3 號試件的總傳熱系數平均分別增大約13.8%和14.8%，且槽深相同條件下，螺距小的多向擾流管的傳熱性能更好.

（2）在試驗工況范圍內，與光管相比，2號和3號試件的流動阻力均有所增大，平均分別增大約8.7%和10.7%，且螺距小的多向擾流管流動阻力更大.

（3）在槽深相同的條件下，螺距減小，多向擾流管的傳熱性能提高、流動阻力增大.但凝汽器換熱管選材首先應考慮傳熱性能，因此在一定范圍內，為了強化傳熱，建議使用螺距小的多向擾流管.

（4）根據試驗結果，得到了試驗條件下多向擾流管的傳熱與阻力計算公式，為工程應用提供了一定依據.

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