螺旋槽式翅片管沸騰強(qiáng)化傳熱特性的研究

李 浩， 顏雪娟， 馬郢程， 曾為民， 陳琴珠

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237）

0 引 言

近年來，人們利用翅片管來強(qiáng)化換熱器傳熱。翅片管增加了光管側(cè)面的傳熱面積，此外還能促進(jìn)流體的擾動(dòng)，大大增加該側(cè)的換熱系數(shù)［1］，即在體積不變的情況下增加傳熱量，從而在保證一定的傳熱量情況下，使設(shè)備更高效而緊湊［2］。近期又發(fā)現(xiàn)螺旋槽式翅片管可用于廢熱鍋爐，在以蒸汽冷凝作為熱源的廢熱鍋爐中，一般以管程作為蒸汽冷凝，殼程液體淹沒換熱管束并在管束的加熱下沸騰產(chǎn)生蒸汽。要實(shí)現(xiàn)高效的泡核沸騰狀態(tài)，換熱管壁面必須達(dá)到一定的過熱度，而此時(shí)使用普通換熱管不能滿足此類特殊的工藝要求，在這種條件下就必須使用強(qiáng)化傳熱管以實(shí)現(xiàn)在較低的壁面過熱度的條件下仍能實(shí)現(xiàn)殼程的泡核沸騰。因此，需要了解翅片管的強(qiáng)化機(jī)理，并研制出高效螺旋槽式翅片管。

由于沸騰換熱機(jī)理的復(fù)雜性，國內(nèi)外很多學(xué)者為尋找一個(gè)具有廣泛意義的沸騰換熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式，已經(jīng)開展過大量有關(guān)沸騰換熱的研究。其中，Chen 等［3］檢驗(yàn)了594 組典型數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)新的飽和沸騰換熱的關(guān)聯(lián)式。Nakayama等［4］研究了R11、液氮和水在機(jī)加工型表面強(qiáng)化管外的沸騰傳熱特性。他們對(duì)表面尺寸參數(shù)對(duì)沸騰換熱的影響進(jìn)行了研究。Warrier 等［5］通過實(shí)驗(yàn)對(duì)當(dāng)量直徑為0.75mm 的矩形通道內(nèi)單相強(qiáng)迫對(duì)流換熱、過冷沸騰和飽和核態(tài)沸騰三部分傳熱特性進(jìn)行研究，擬合出沸騰傳熱的計(jì)算公式。程慧平等［6］研究了蒸汽發(fā)生器內(nèi)的沸騰兩相流，對(duì)管束外R113流體的沸騰換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析得到其換熱計(jì)算關(guān)系式。吳偉等［7］通過在燒結(jié)多孔層上開槽，研究了開槽對(duì)燒結(jié)型多孔表面沸騰換熱的影響。徐治國等［8］以金屬泡沫為對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了不同因素影響下的池沸騰傳熱特性。歐陽新萍等［9］研究了R22 工質(zhì)在3 種螺紋管內(nèi)的沸騰換熱特性，并分析了不同結(jié)構(gòu)對(duì)換熱的影響。冀文濤等［10］實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了R134a在光管和強(qiáng)化管外的沸騰傳熱特性，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果同Cooper公式進(jìn)行了對(duì)比。秦政等［11］借助計(jì)算流體力學(xué)軟件，模擬研究并分析了T型翅片管的沸騰強(qiáng)化傳熱。趙傳亮等［12］研究了高通量管的強(qiáng)化傳熱性能，并給出了相關(guān)介質(zhì)下的傳熱關(guān)聯(lián)式。劉聰［13］分析了管殼式換熱器沸騰傳熱工藝。王佳駿等［14］研究了水基氧化銅納米流體的核沸騰傳熱特性。路陽等［15］試驗(yàn)并分析了兩種不同齒形強(qiáng)化單管的沸騰傳熱特性。

本文研究了一種螺旋槽式螺旋翅片管，通過管外沸騰換熱性能的實(shí)驗(yàn)分析，證實(shí)該螺旋槽式翅片管能符合池沸騰強(qiáng)化傳熱要求。

1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)效果

本文搭建了一臺(tái)為研究水蒸氣在單管管外沸騰（或管外冷凝）傳熱性能的實(shí)驗(yàn)裝置，見圖1，實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖1 單管管外沸騰傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 外低螺旋翅片管性能測(cè)試裝置工藝流程圖

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由冷凝器、蒸發(fā)器、蒸汽回路和飽和水回路組成。由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽直接進(jìn)入翅片管，恒溫水箱中的水為飽和液態(tài)水，注入蒸發(fā)器殼程。換熱過程在蒸發(fā)器內(nèi)發(fā)生，殼程的飽和液態(tài)水吸熱汽化，產(chǎn)生氣泡，翅片管中的水蒸氣放熱，形成氣液兩相流，通過氣液分離器分離，液體通過冷凝器冷凝回收流入恒溫水箱，恒溫水箱持續(xù)加熱，保持飽和液態(tài)水的溫度，通過水泵重新注入蒸發(fā)器殼程側(cè)。

整個(gè)過程為池沸騰，實(shí)驗(yàn)需要控制的參數(shù)主要為管程進(jìn)口蒸汽溫度、壓力與流量；管程出口液體溫度與流量、氣體的冷凝量與溫度；殼程進(jìn)口飽和水溫度和流量；殼程出口水蒸氣溫度、壓力與流量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象是3 根同一尺寸不同外形的換熱管，見圖3。換熱管直徑為φ19 mm ×2 mm，長度為1.2 m，其中圖3（a）換熱管外表面是光滑的（簡稱光管）；圖3（b）換熱管外表面是普通螺旋翅片管；圖3（c）換熱管外表面是螺旋槽式翅片管，該換熱管在翅片外表面上沿徑向擠壓，形成一個(gè)個(gè)“米粒”狀凹坑，比普通螺旋翅片管增加了換熱面積。

對(duì)每一根換熱管分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在不同蒸汽溫度、蒸汽流量下，翅片管處于池沸騰狀態(tài)時(shí)，測(cè)試每根實(shí)驗(yàn)管的換熱量Q。

實(shí)驗(yàn)中管程工質(zhì)為水蒸氣，殼程通入飽和液態(tài)水為冷源，實(shí)驗(yàn)采用的工質(zhì)為經(jīng)軟水器處理過的軟化水。為了更好地獲得傳熱結(jié)果，管外沸騰實(shí)驗(yàn)的管程進(jìn)口工質(zhì)設(shè)置為水蒸氣，以水蒸氣進(jìn)料的好處是可以使工質(zhì)在進(jìn)入換熱器管程與管外冷源換熱的過程中能夠充分換熱，獲得更好的沸騰傳熱強(qiáng)化效果。實(shí)驗(yàn)過程中管程中的水蒸氣作為熱源溫度為170 ℃，壓力為0.7 MPa，流量為0 ～50 kg／h。

通過對(duì)3 根不同類型的換熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得冷端進(jìn)出口溫度為80 ℃和100 ℃。其余實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，沸騰傳熱系數(shù)和換熱量，螺旋槽式翅片管明顯高于光管和普通螺旋翅片管；螺旋槽式翅片管傳熱效率優(yōu)于光管傳熱效率。

從圖4 可以看到，換熱管表面池沸騰現(xiàn)象，圖4（a）換熱管為光管，管外表面上有微粒小氣泡；圖4（b）換熱管為普通螺旋翅片管，翅片管外表面上有明顯顆粒小氣泡；圖4（c）換熱管為螺旋槽式翅片管，翅片管外表面上有較大顆粒小氣泡，池沸騰強(qiáng)化傳熱優(yōu)勢(shì)明顯。

圖3 不同類型換熱

圖4 不同類型換熱管池沸騰現(xiàn)象

2 結(jié)果與討論

通過測(cè)量得到冷熱流體的質(zhì)量流量以及進(jìn)出口溫度的差值，根據(jù)下式計(jì)算出實(shí)驗(yàn)換熱管的總換熱量、光管的換熱系數(shù)、沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

式中：Φ 為換熱量；qmh、qmc為熱、冷流體質(zhì)量流量；Ch、Cc為熱、冷流體比熱；th1、th2為熱流體進(jìn)出口溫度；tc1、tc2為冷流體進(jìn)出口溫度；K1為光滑管換熱系數(shù)；A 為換熱面積；Δt為冷熱流體平均溫度差；K2為沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；C1為沸騰換熱表面?zhèn)鳠岢?shù)，C1＝0.122 4；Δt為壁面過熱度；p為沸騰絕對(duì)壓力。

計(jì)算結(jié)果得出，140 ℃蒸汽為熱流體時(shí)，螺旋槽式翅片管沸騰傳熱系數(shù)約為光管的1.4 倍，換熱量為1.5 倍；160 ℃蒸汽為熱流體時(shí)，螺旋槽式翅片管沸騰傳熱系數(shù)約為光管的1.5 倍，換熱量為1.8 倍。

3根換熱管的質(zhì)量流量qm與換熱量Q 的關(guān)系如圖5 所示，圖中螺旋槽式翅片管換熱量明顯高于光管和普通螺旋翅片管。

圖5 不同類型換熱管的換熱量對(duì)比圖

從圖中可以得出：對(duì)于170 ℃的水蒸氣，當(dāng)qm≤12 kg／h時(shí)，普通螺旋翅片管的換熱量Q 略低于光滑圓管，而螺旋槽式翅片管的換熱量Q 開始高于光滑圓管；當(dāng)qm＞12 kg／h時(shí)，普通螺旋翅片管的換熱量Q 明顯高于光滑圓管，而螺旋槽式翅片管的換熱量Q 明顯高于普通螺旋翅片管。當(dāng)qm＝45 kg／h 時(shí)，普通螺旋翅片管的換熱量Q 是光滑圓管的2.63 倍，即Q ＝2.63Q1；螺旋槽式翅片管的換熱量Q 是光滑圓管的3.78 倍。

同時(shí)根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具和實(shí)驗(yàn)設(shè)備材料的不確定度進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)最大誤差約為6.17 %，符合實(shí)驗(yàn)要求，結(jié)果可靠。

3 結(jié) 論

（1）在管程工質(zhì)為170 ℃水蒸氣，殼程通入飽和液態(tài)水作為冷源的條件下，隨著換熱管的質(zhì)量流量qm增加，螺旋槽式翅片管的換熱量Q 明顯高于普通螺旋翅片管和光管。當(dāng)qm＝45 kg／h 時(shí)，普通螺旋翅片管的換熱量Q是光滑圓管的2.63 倍，螺旋槽式翅片管的換熱量Q是光滑圓管的3.78 倍。

（2）螺旋槽式翅片管的換熱特性高于普通翅片管，更優(yōu)于光管。隨著蒸汽溫度的上升，傳熱效率的提升更加明顯。140 ℃蒸汽為熱流體時(shí)，螺旋槽式翅片管沸騰傳熱系數(shù)約為光管的1.4 倍，換熱量為1.5 倍；在160 ℃蒸汽為熱流體時(shí)，螺旋槽式翅片管沸騰傳熱系數(shù)約為光管的1.5 倍，換熱量為1.8 倍。

（3）通過工藝計(jì)算，螺旋槽式翅片管應(yīng)用于石油化工或煤化工中的廢熱鍋爐，不但傳熱效率高，而且能節(jié)省換熱管材料，使用螺旋槽式翅片管重量可以減少30%，換熱器尺寸同樣可以大幅度地減少，螺旋槽式翅片管工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。