含空氣逸流的水平管外冷凝實驗裝置設計

張俊霞 陳黨委 寧少帥 郭雷雷 雷 徹

(榆林學院能源工程學院)

含空氣逸流的水平管外冷凝實驗裝置設計

張俊霞 陳黨委 寧少帥 郭雷雷 雷 徹

(榆林學院能源工程學院)

設計了利用文丘里抽吸形成空氣逸流來改善水平管外冷凝換熱的實驗裝置。基于能量守恒、對數平均溫差法和噴管原理，給出了合理的蒸發器、冷凝段和空氣逸流裝置結構。隨著蒸發器加熱功率的增加，蒸發器長度、蒸汽質量流量和冷凝段長度將增加；隨著蒸汽壓力增加，蒸發器和冷凝段長度均下降，空氣逸流量將增加。在套管周向開設空氣逸流口，采用空氣逸流管使之與文丘里管喉段相接，利用文丘里抽吸排除冷凝空間中的空氣。

冷凝實驗裝置 空氣逸流 文丘里管

在化工換熱設備中，普遍存在含不凝氣體的冷凝換熱現象。存在不凝氣體會惡化冷凝換熱，增加傳遞過程阻力[1]。Gross U提出通過從液膜表面疏散不凝氣體的方法來抑制它對冷凝換熱的不良影響[2]。目前已有較多涉及含不凝氣體冷凝換熱的實驗研究[3～6]，這些實驗測量了不凝氣體對換熱參數的影響規律和存在不凝氣體冷凝換熱關聯式的發展。文獻[3]給出了空氣對水平管束冷凝換熱的影響，文獻[4]提出了蒸汽/空氣在水平管上冷凝換熱的實驗關聯式，文獻[5]指出煤油蒸汽/空氣在螺旋扁管束上的冷凝換熱系數是正方形和三角形管束的2.0～3.4倍，文獻[6]指出水平管束外冷凝空間中漏入空氣大于0.60%～1.37%時，冷凝器壓力和端差急劇增加，傳熱系數迅速下降。然而，現有實驗裝置未曾提供一種有效疏散不凝氣體的方法。筆者采用工程熱力學和傳熱學的知識設計了一種采用文丘里管的真空抽吸形成空氣逸流，以排放冷凝空間中空氣，并改善冷凝換熱的實驗裝置。

1 水平管外含空氣逸流的冷凝實驗裝置

圖1是含空氣逸流的冷凝實驗裝置簡圖，它由蒸發器、冷凝段和逸流裝置構成。蒸發器內部添加水，采用電加熱使水變為蒸汽，然后進入到冷凝段凝結，凝液回流到蒸發器中實現循環運行。考慮到實驗條件和安全性，蒸發器最大加熱功率為8kW，最高壓力為0.4MPa。整個系統要求密封并加裝保溫棉以防止蒸汽泄漏和散熱損失。在實驗開始時，不對系統抽空氣，在蒸汽驅動下，空氣會滯留在冷凝段，通過安裝在冷凝套管上的空氣逸流裝置引出系統。

圖1 含空氣逸流的冷凝實驗裝置簡圖

與文獻[2～6]中的實驗裝置相比，筆者所用的實驗裝置具有以下優勢：

a. 采用文丘里管的真空抽吸作用形成空氣逸流。文獻[3～6]中僅采用真空泵和空壓機來調節冷凝空間的空氣量，這些均在實驗啟動前完成。而筆者采用的文丘里管真空抽吸排放冷凝空間中的空氣可在冷凝過程中隨時進行。

b. 通過調節文丘里管結構參數調節空氣逸流量。該實驗裝置可通過調節文丘里管的收縮比、擴散角和進出口壓力差改變文丘里管喉段的真空度，以實現空氣逸流量的調節。

2 實驗系統設計方法

2.1 蒸發器長度

由于目前市場上出售的蒸發器多為立式，高度大于1m，不能多檔調節，是常壓鍋爐，水位截面積小，不利于較快產生蒸汽，是整體箱式結構，不利于拆卸維修。因此，本實驗裝置中的蒸發器采用圓筒狀臥式結構，其右側采用橢圓封頭，左側采用法蘭密封，便于拆卸維修，較大的橫截面便于快速產生蒸汽，高度僅有0.6m，便于操作。令圓筒形蒸發器長度為Le，內徑為Re，且Le=4Re，筒體的長度Le為：

(1)

其中，V為蒸發器容積，令蒸發器中水的體積為V/2，由于實驗過程中冷凝水會回流到蒸發器內，蒸發器中水量維持1h使用。由此得到蒸發器容積為：

V=7.2W/(hfg·ρw)

(2)

其中，蒸發器加熱功率為W，水的汽化潛熱和密度分別為hfg和ρw。由此可以得到蒸汽質量流量Gv為：

Gv=W/hfg

(3)

2.2 冷凝管長度

圖2是水平套管內蒸汽/空氣冷凝換熱物理模型，它由內部冷凝管和外部套管組成，內部冷凝管外徑D=50mm，壁厚為δ=5mm，以便于埋入熱電偶。冷凝管內冷卻水入口溫度Ti=293℃，質量流量Gv蒸汽/空氣從套管上方流入，在冷卻水對流換熱下，蒸汽在冷凝管外表面冷凝，空氣滯留在套管中。

圖2 水平套管內蒸汽/空氣冷凝換熱物理模型

冷卻水取自來水質量流量Gc=1kg/s，冷凝管內徑為40mm，經計算冷卻水雷諾數為4 500左右，冷卻水流動屬于管內受迫湍流流動，對流換熱系數hc采用下式計算：

(4)

其中，λc、Rec和Prc分別為冷卻水的導熱系數、雷諾數和普朗特數。冷卻水出口溫度To可以用測得的冷卻水進口溫度Ti計算：

To=Gvhfg/Gccp+Tt

(5)

式中cp——水的定壓比熱容。

由此可得對數平均溫差ΔTm為：

ΔTm=[(Ts-Ti)-(Ts-To)]/ln[(Ts-Ti)/(Ts-To)]

(6)

式中Ts——蒸汽的飽和溫度。

根據熊孟清等的研究結果，冷凝換熱系數隨壓力增加而增加，當Gv一定時，低壓條件下所需冷凝管較長[4]。根據文獻[7]，在冷凝空間壓力為0.1MPa和空氣含量為41%時，含空氣冷凝換熱系數下降為純蒸汽冷凝換熱系數的1/3。由于筆者所用的實驗裝置壓力為0.1～0.4MPa，而且實驗系統中滯留空氣含量較低。因此，可將純蒸汽冷凝換熱系數hl[8]縮小3倍用作蒸汽/空氣冷凝換熱系數，計算式如下：

(7)

式中Tw——冷凝管壁面溫度；

λl——冷凝液體導熱系數；

ρl——冷凝液體的密度。

由此可得水平冷凝套管的傳熱系數k為：

(8)

式中λw——冷凝管的導熱系數。

根據換熱器換熱量計算式，可得冷凝管長度Lc為：

Lc=3Gvhfg/(πDkΔTm)

(9)

2.3 空氣逸流管直徑

假設冷凝空間噴管附近空氣壓力為p，溫度為T，流速為0。則空氣從出口截面為Am的漸縮管流入壓力為p0的文丘里管喉管中，空氣逸流流量Gad和逸流流速uad可計算[9]為：

Gad=(Am/v)·cs{2[(p0/p)2/k-(p0/p)(k+1)/k]/(k-1)}1/2

(10)

uad=Gad/ρaAm

(11)

2.4 設計參數分析和討論

筆者計算了蒸發器加熱功率在4～8kW，蒸汽壓力在0.1～0.4MPa時的蒸發器長度、冷凝段長度和空氣逸流量隨加熱功率和蒸汽壓力的變化規律。

圖3是蒸發器長度Le隨蒸汽壓力p和加熱功率W的變化曲線。由圖可知，Le在0.6～1.1m之間變化，隨著p的增加，Le減小，這是因為壓力增加會使蒸汽比體積減小；隨著W的增加，Le增加，這是因為W增加會使產生的蒸汽量增加，所需水量和蒸汽空間容積均會增加。為了滿足設計工況，此處取蒸發器最大管長為Le=1.1m。圖4是蒸汽質量流量Gv隨加熱功率W和壓力p的變化曲線，Gv在1.6～3.8g/s之間變化。隨著p的升高，Gv略有升高，但不顯著；隨著W的增加，Gv顯著增加。

圖3 蒸發器長度隨蒸汽壓力和加熱功率的變化曲線

圖4 蒸汽質量流量隨蒸汽壓力和加熱功率的變化曲線

圖5是冷凝段長度Lc隨蒸汽壓力p和加熱功率W的變化曲線。由圖可知，Lc在0.3～0.9m之間變化。隨著p的增加，Lc減少，這表明較高的蒸汽壓力會增大蒸汽分子和液膜表面的碰撞頻率，冷凝量隨之增加，所需冷凝段長度自然減少；隨著W的增加，Lc增加，這表明較高的加熱功率會產生較多的蒸汽，需要的冷凝空間會顯著增大。筆者選取冷凝段長度Lc為1.0m。

圖5 冷凝段長度隨蒸汽壓力和加熱器功率的變化曲線

圖6是空氣逸流量Gad和逸流流速uad隨引流管直徑和蒸汽壓力的變化曲線。隨著引流管直徑的增加，Gad升高；隨著p的升高，Gad也升高。這表明較大壓差是促進空氣逸流流動的主要動力，較大的引流管直徑可促使更多空氣離開冷凝空間。因此，較高的Gad有助于冷凝換熱。考慮到安裝和加工制造的限制，引流管直徑D選取10mm。

3 實驗系統結構

根據以上計算和分析討論，可以得到如圖7所示的蒸發器、冷凝段和空氣逸流裝置的結構示意圖。在圖7a中，蒸發器筒體下部安裝有4個支撐，距離地面0.2m，使筒體能夠穩固的放置在地面上，在筒體最右面是加水管和加水閥，靠左面上方安裝有蒸汽管。啟動前，可打開截止閥將蒸餾水加入到筒體內，加水量可通過封頭右側安裝的玻璃管液位計所顯示的水位來控制；蒸發量可通過控制加熱功率來改變。回水管用來使冷凝液體從儲液筒返回蒸發器中，其上安裝了止回閥，僅允許冷凝水單向流回蒸發器。在圖7b中，冷凝段采用水平套管結構，為了便于密封和安裝，套管由相同兩段連接而成，相鄰套管間采用法蘭連接。套管左右采用堵蓋密封，其中心均設有可使冷凝管穿過的圓孔，在套管內部同軸安裝冷凝管，并嵌入到左右堵蓋的圓孔中。冷凝管左右兩側另接接管，在接管內各設一個吊環，其上懸掛一根穿過冷凝管中心的鋼棍，其上設有若干熱電偶，來測量冷卻水中心溫度。為了測量逸流空氣對冷凝換熱的影響，在冷凝管外壁沿周向等間距開設若干深2mm的丁字形溝槽，在它內埋入熱電偶來測量冷凝管壁面溫度。這些熱電偶線通過設置在接管和套管底部的出線管引出，并接在Agilent測溫儀上。套管頂部有蒸汽管可使來自蒸發器的蒸汽流入套管內，在通入冷卻水的作用下，蒸汽在冷凝管上凝結，凝液從套管下方凝液管流出。圖7c中，考慮到水平管外蒸汽冷凝換熱的對稱分布，在冷凝套管周向周角θ為50～180°的范圍開若干直徑為10mm的逸流口。當考察其中任意一個逸流口對換熱參數的影響時，將其他逸流口用孔帽蓋上。對于需要考慮的逸流口，在其上方安裝引流管，并將引流管接在放置在冷凝套管下方的文丘里管的喉段部位，利用引流氣體在文丘里管喉段產生的真空抽吸來將冷凝空間中的空氣抽引出來，形成空氣逸流，來改善冷凝換熱。

圖6 空氣逸流量和逸流流速隨引流管直徑和蒸汽壓力的變化曲線

圖7 實驗系統關鍵部件示意圖

4 結束語

基于傳熱學和工熱學知識，給出了利用文丘里抽吸形成空氣逸流來改善水平管外冷凝換熱實驗裝置的尺寸。經過計算發現，隨著蒸發器加熱功率的增加，蒸發器長度、蒸汽質量流量和冷凝段長度將增加。隨著蒸汽壓力的增加，蒸發器和冷凝段的長度均下降，空氣逸流量將增加。在套管周向開設空氣逸流口，采用空氣引流管使之與文丘里管喉段相接，利用文丘里的真空抽吸排除冷凝空間中的空氣。

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[2] Gross U.Reflux Condensation Heat Transfer Inside a Closed Thermosyphon[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1992，35(2)：279～294.

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[5] 顧紅芳，陳聽寬.含不凝氣體時煤油在水平管束外的冷凝[J].工程熱物理學報，2003，24(6)：976～979.

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[9] 嚴家騄，王永青.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2006.

DesignofExperimentalDeviceforCondensationHeatTransferoverHorizontalTubewithAirDrainage

ZHANG Jun-xia, CHEN Dang-wei,NING Shao-shuai,GUO Lei-lei,LEI Che
(SchoolofEnergyEngineering,YulinUniversity)

An experimental device was designed for the air drainage which generated by Venturi suction to improve condensation heat transfer over horizontal tube.Basing on the energy conservation, LMTD method and nozzle principle, the reasonable structures of the evaporator, the condensation section and the air drainage device were given out. With the increase of the evaporator’s heating power, the evaporator’s length, the vapor mass flux and the condensation section length increase; As vapor pressure increases, the lengths of both the evaporator and condensation section decrease but the air drainage mass flux goes up. Several air drainage holes were set along circumferential direction of the horizontal tube; and making use of air drainage tubes to connect it to the throat section of Venturi tube to discharge air in condensation section by means of Venturi suction.

condensation experiment device, air drainage, Venturi tube

國家自然科學青年基金項目(51406176)；榆林學院重點科研項目(14YK27)。

張俊霞(1974-)，副教授，從事冷凝器內蒸汽冷凝結換熱研究，wyb700411@163com。

TQ051.6+1

A

0254-6094(2017)03-0279-05

2016-07-21，

2016-12-19)