凝結換熱研究現狀及強化方法

張威

摘 要：介紹了凝結流動的研究現狀，對兩相流動的處理方法，以及目前國內外采用的管內外的凝結換熱強化方法，為熱交換器凝結換熱強化方法的研究提供技術支撐。

關鍵詞：凝結流動 強化方法

在化工、石油、動力、制冷、食品等行業中，經常可以看到各種換熱器，且它們說上述這些行業的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業的不斷發展，對能源利用、開發和節約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強，特別是對換熱器的研究必須滿足各種特殊情況和苛刻條件的要求，對它的研究就顯得更為重要。

在海水淡化、空調制冷等領域中，有大量管內蒸汽的冷凝換熱設備，其投資占總投資的比例很大，因此強化凝結換熱有著重要的意義。蒸汽在物體表面凝結主要有兩種形式：膜狀凝結和珠狀凝結。由于膜狀凝結在壁面上形成完整的液膜，此時凝結是放出的潛熱必須通過液膜才能傳給溫度較低的壁面；珠狀凝結時，換熱是蒸汽與液珠表面和蒸汽與冷壁間進行的，所以膜狀凝結要比珠狀凝結傳熱系數低。

由此可見，凝結換熱的熱阻主要是凝結液膜的表面，為了提高換熱效率，關鍵是設法減薄液膜層的厚度，加速它的排泄，促進珠狀凝結。提高凝結換熱系數的主要措施有：采用粗糙表面、采用各種形式的強化傳熱管。近幾年，我國研制出了螺紋管、螺旋槽管、波紋管、翅片管、管內插入擾流子等形式的強化傳熱元件。

1、凝結流動的研究現狀

在能源、制冷、化工、航天、冶金等行業中，氣液兩相流及其相變傳熱都是一門重要的學科。同時，在兩相流中，氣液兩相流也是最復雜的流動，氣液兩相流體在絕熱或受熱管道中流動時，因壓力、流量、熱流密度和管道幾何形狀的不同會形成各種流動結構形式，簡稱流型，因此研究氣液兩相流首先要研究其流型。氣液兩相流體在水平管中流動時流型分為6種：細泡狀流型、氣塞狀流型、分層流型、波狀分層流型、氣彈分層流型、環狀流型。

管道中氣液流動的流動形態是根據實驗得到的流型圖來判別的。目前運動最多的是Baker流型圖及對Baker流型圖來判別水平管道流型[1]。氣液兩相流動最基本的流動模型有兩種：一種是分相流動模型，一種是均相流動模型。

對兩相流動的處理方法有三種：理論分析法、半經驗法、經驗法。理論分析法是根據各種流動形態的特點，利用流體力學方法將其流動特性進行理論分析，進而建立起描述這一流動過程的關系式。半經驗方法是從兩相流動的基本方程出發，根據所研究的兩相流動過程的特點，采用適當假設和簡化，求得描述這一流動的函數式，然后利用實驗方法確定出式中的經驗系數。經驗方法是通過實驗研究，將采集的數據擬合成經驗關系式。目前，大部分采用的是半經驗法和經驗法。

2、凝結換熱的強化方法

2.1管外的凝結換熱強化

強化管外凝結換熱的方法有很多，主要有：粗糙表面法、采用各種形式的強化傳熱管、靜電場法、表面振動法、抽壓法等，其中采用強化傳熱管應用最廣，低肋管是應用最早的一種冷凝傳熱強化管。隨著技術的不斷發展，異形管的開發和應用已走向成熟。比如常用的異形管主要有：螺旋槽管、花瓣形翅片管、螺旋扁管、鋸齒形翅片管等，許多專家學者對異形管的管外凝結換熱進行了研究。

許多學者對肋管上冷凝傳熱系數的計算模型進行了對比分析[2～3]。計算相同工質在不同模型下的冷凝換熱系數，其中Sardesia模型的計算最精確，Beatty-Katz模型次之。

Belghazi M.等[4]在Rudy-Webb模型基礎上，建立了適用于3D肋管的經驗模型。Yun R、Nguyen T.N.等學者研究了3D肋管的凝結換熱特性。對三種典型的三維肋管進行管外凝結換熱實驗，實驗結果表明三維肋管的強化凝結換熱效果更好。

Belghazi等對Gewa-C管的冷凝傳熱特性進行了實驗分析，實驗測試了R134a和R23/R134a混合物在Gewa-C管外的冷凝傳熱系數，實驗結果表明Gewa-C管相比于翅片管冷凝傳熱系數提高了30%。

螺旋槽管對管內外凝結傳熱均能起到顯著的強化效果。螺旋槽管的凹凸曲面使得凝結液在表面張力的作用下易于排泄。中國海洋大學王欣[5]對水平螺旋槽管壁面液膜的形成機理及流動特性進行了研究。結果表明，與光管相比，螺旋槽管表面的液膜變薄且分布變均勻，且隨著螺旋角的增大，壁面上各處的液膜分布越均勻。在淺槽范圍內，槽道越深，槽道跨度越小，液膜分布越均勻，分布特性越好。當螺旋槽管表面為多槽道時，各槽道間發生流體相互摻混，因此液膜分布特性比單槽道好。

2.2管內的凝結換熱強化

與管外凝結換熱一樣，強化管內凝結的方法多種多樣，采用強化管也是強化管內凝結的有效手段，因此許多學者對不同形式的內表面強化管進行了大量的研究。強化管內冷凝傳熱的管型主要有：內螺紋管、內螺旋翅片管、螺旋槽管等。除了高效強化管，管內插入物也是強化管內凝結的常用技術之一。管內插入物的類型有很多，主要有：螺旋線圈、螺旋片、麻花鐵、螺旋帶、扭帶和靜態混合器等。各種插入物的強化傳熱機理一般可有四種：（1）形成旋轉流；（2）破壞邊界層；（3）中心流體與管壁流體產生置換作用；（4）產生二次流。

J.C.Chato等在特定條件下，對比分析了光管、軸向槽管、螺旋槽管和18°螺旋角管的傳熱特性和壓降特性。當蒸汽流量較小時，換熱特性為：18°螺旋角管>軸向槽管>光管；當蒸汽流量較大時，換熱特性為：軸向槽管大于光管和螺旋槽管。同時分析了不同流量狀態下不同管子的適用性，大流量時微肋管更適用，小流量時交叉管更適用。同時還分析比較了不同管子的換熱特性，扁平管與18°螺旋角管的換熱特性最好，光滑管和軸向微肋管的換熱特性水平相似。

交叉溝槽管也是一種高效冷凝換熱管，它是在原內螺紋管內又開出一條魚原抓旋溝槽旋向垂直的螺紋溝槽。與內螺紋管相比交叉溝槽管的換熱系數提高40%，而阻力僅僅增加6%～10%[6]。endprint

清華大學的謝旭斌[7]等開發出一種新型強化管。新型強化管分別為DAE-2管和DAEC管，該管具有阻力小、質量請、傳熱性能好等特點，DAE-2管目前已被廣泛用于制造國產冷水機組的換熱器。DAE-2管為波紋狀單螺旋內槽管。管內表面加工有螺旋微槽，且在管外軋有一條大螺紋，DAEC管為波紋狀交叉螺旋內槽管。

綜上所述，在氣液兩相沸騰實驗方面，國內外學者主要從換熱機理出發，通過改變管束結構尺寸、流量、入口干度、雷諾數、溫度、壓力等參數進行比對實驗，在實驗數據分析的基礎上提出相應實驗范圍內的準則關聯式和修正關聯式。同樣為工業換熱器的設計、制造、運營等提供理論支撐。

3、小結

從氣液兩相流凝結換熱的強化研究來看，國內外學者都通過實驗和計算兩方面，基于流動和沸騰機理進行實驗或理論研究。通過改變一系列可能影響實驗特性的基本參數質量含氣率、系統壓力、質量流量、換熱器結構、溫度、孔隙率、換熱器徑向距離進行實驗，進行分析對比得到相應的變化規律和理論。但是彼此之間存在著許多不同意和誤差，所得的結論或者計算公式也有一定的局限性，這很大一部分是由于實驗條件的限制以及實驗數據庫的匱乏造成的，所以繼續擴張實驗基本參數范圍，研究分析更多可能的影響因子，才能推動整個兩相流領域的發展。

參考文獻

[1]M Acikgoz，F Franca，RT Lahey.An experimental study of three-phase flow regimes[J].International Journal of Multiphase Flow，1992，18（3）：327-336.

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[3] Duane L，Randall，Steven J. Eckels.Effect of Inundation Upon the Condensation Heat Transfer Performance of R-134a： Part II—Results （RP-984）[J].HVAC&R Research，2005，11（4）：543-562.

[4] M Belghazi，ABontemps，C Marvillet.Condensation Heat Transfer on Enhanced Surface Tubes： Experimental Results and Predictive Theory[J].Journal of Heat Transfer，2002，124（4）：754-761.

[5]王欣，梅寧，陸建輝.水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究[J].熱科學與技術，2004，3（1）：29-33.

[6] Cavallini A，Del Col D， Doretti L，et al.Heat transfer and pressure and pressure drop during condensation of refrigerants inside horizontal enhanced tubes[J].International Journal of Refrigeration，2000，23（1）：4-25.

[7] 謝旭斌，王維成.高效傳熱管內凝結換熱性能及阻力性能的實驗研究[J].工程熱物理學報，2000，21（6）：742-745.endprint