立式蒸发式冷凝器强化传热实验研究

吴治将 汪 南 朱冬生

符号说明

Rko:水蒸汽冷凝侧热阻，m2·K·W-1

Roi:管壁导热热阻，m2·K·W-1

Riw:水膜侧热阻，m2·K·W-1

Rwa:空气-水界面热阻，m2·K·W-1

α:换热热阻，W·m-2·K-1

q:热流密度，W·m-2

mv:水蒸汽的质量流量，kg·s-1

A:换热面积，m2

Q:换热量，W

Δt:温差，K

下标

a:空气

o:水蒸汽

i:管壁

w:水

1 引言

蒸发式冷凝器将冷换过程中的水冷式冷凝器和冷却塔合二为一，实现对工艺流体的冷凝冷却过程，同时实现水的重复利用，是一种高效节能的换热设备。由于其传热效率高、结构紧凑和安装方便等优点，目前已经在世界各国得到广泛的应用和研究［1-4］，主要集中在横管式蒸发式冷凝器，对于立式的研究则相对较少［5］。对于横管式蒸发式冷凝器，立式在水蒸汽冷凝的优势更明显。在中国，作为一种近年来才逐渐被逐步应用的设备，其设计和应用主要依赖工程数据，而工程数据也相当缺乏。一些学者从热力学、节能和节水角度论证了蒸发式冷凝器相对于其它冷换设备的优势，但传热系数与水冷式冷凝器相比仍然偏小，强化传热是蒸发式冷凝器研究发展的一个重要方向［6-7］。课题组在前期研究的基础上［8-10］，采用立式蒸发式冷凝器搭建了水蒸汽排汽冷凝实验平台，对圆管、插入螺旋线圆管和波纹管3种不同管形的立式蒸发式冷凝器在不同冷却水喷淋密度和风速下的强化传热性能进行研究，为其设计和推广应用提供依据。

2 实验研究

本实验主要包括冷却水回路、空气回路、水蒸汽回路、真空泵系统和测量系统5大部分。实验系统的工作流程见图1所示。3种不同管形的参数见表1所示。

水蒸汽的循环流程:水蒸汽在蒸汽锅炉中产生，由管道输送到立式蒸发式冷凝器内(水蒸汽的流量由蒸汽流量计9进行测量)，高温的水蒸汽遇到低温的换热管11，在管外壁面发生冷凝，变成液态水，从窥镜10中可以观察到换热管外壁面上的冷凝状况，冷凝水在管外壁面积聚到一定的程度后，在重力的作用下沿管外壁面下流到换热器底部，然后排入储液箱中，再经循环水泵抽往蒸汽锅炉中加热变成水蒸汽，从而实现水蒸汽的不断循环流动过程。

图1 实验流程图

表1 3种不同管形的参数Table 1 Parameters for three different tube

在实验中，水环真空泵主要起到两个方面的作用:(1)把水蒸汽中的不凝性气体抽出;(2)在立式蒸发式冷凝器内建立并维持一定的真空度，使水蒸汽自动流入换热器内。

立式蒸发式冷凝器的工作流程:循环水泵1从底部水槽吸入冷却水抽送到顶部水槽6(冷却水的流量通过旁通阀2进行调节，其流量由转子流量计4进行测量)，当顶部水槽的水位达到一定的高度后，冷却水会从换热管11顶端溢流进入换热管内，在分水器7的作用下在换热管内壁面形成均匀水膜，水膜从上而下沿管内壁面下流，沿途吸收管外水蒸汽的冷凝热，部分水蒸发成水蒸汽，并与水膜外逆向流动的空气发生热质交换，以潜热为主、显热为辅的方式向空气传递热量，空气吸收水蒸汽和热量后，由顶部抽风机8经风管排出(空气的流速由变压器进行调节)，未蒸发的水膜回落到底部水槽中供循环使用，被蒸发的冷却水由浮球阀12自动补充。

需要测试的数据较多，因此采用了自动监控、手动测试相结合的方法，两者偏差不超过2%。自动监测系统采用具有多点数字采集功能的巡检仪，配置平板电脑系统，并由MCGS全中文组态软件支持，以便实时存储记录实验数据。手动测量采用德国Testo系列热工仪器，温度测量精度为0.1℃，风速测量精度为1%，空气湿度测量偏差为±2%，流量计测量偏差为0.5%。

3 数据处理

影响蒸发式冷凝器总体传热性能最重要的两个参数是冷凝温度tk和湿球温度tb，实际工程计算中以两个温度之差为基准温差，本文也采用此法求出总传热系数K值。

立式蒸发式冷凝器的传热过程包括4个互相串联的热阻:水蒸汽侧的凝结换热热阻Rko、管壁的导热热阻Roi、水膜侧的对流换热热阻Riw和水膜与空气之间的传热传质热阻Rwa。传热过程的热阻网络示意图见图2所示。假设在整个传热过程中各阶段的传热量相等，即式(2)成立。

图2 热阻网络示意图Fig.2 Sketch map of thermal resistance net

为了便于比较，统一整理成单位管外表面积对应的排热量，将式(2)化简为式(3)。

各个热阻的计算采用式(4)。

计算单个实验不确定度传递，推导出基本偏差，实验数据偏差不超过4%，实验结果偏差不超过7%。

4 实验结果

4.1 总体强化传热作用结果

实验工况取空气湿球温度28℃，相对湿度77%，初始冷却水取常温水。在不同强化传热条件的水喷淋密度Γ=0.195 kg·m-1·s-1和进口空气流速uG，in=1.8 m·s-1对总传热系数K的影响如图3和图4所示。由图3，图4分析可见，插入螺旋线圆管和波纹管比圆管总传热系数 K分别高8.7%、12.9%。可见采用插入螺旋线和波纹管两种手段都起到强化传热作用。

4.2 对流阻的影响

图5和图6分别为 Γ =0.19 kg·m-1·s-1和uG，in=1.8 m·s-1条件下，空气流动压降 Δp 随 uG，in和Γ变化的关系图。

从图5可知，空气的流动压降Δp随uG，in的增大而增加。圆管压力降增加2.75倍，插入螺旋线圆管压力降增加3.07倍，波纹管压力降增加3.18倍。波纹管和插入螺旋线圆的压降平均值比圆管高58.51%、36.38%。这表明波纹管和插入螺旋线圆管在提升换热效率的同时，要付出增加空气流动阻力作为代价。

从图6可知，空气流动压降Δp随Γ的增大而增加，圆管压力降增加2.38倍，插入螺旋线圆管压力降增加2.64倍，波纹管压力降增加2.71倍。波纹管和插入螺旋线圆的压降平均值比圆管分别高46.75%、27.69%。对于一定的横截面积，当冷却水的喷淋密度增加后，相应增加了空气的流动阻力，所以空气的流动压降也随之增加。

4.3 热阻分布的影响

表1 反映了在 uG，in=1.8 m·s-1，Γ =0.195 kg·m-1·s-1时螺旋线插入物和波纹管对热阻分布的影响。插入螺旋线后，Rwa由 0.92×10-3m2·K·W-1降低至 0.73 × 10-3m2·K·W-1，降幅达20.65%，其余热阻值变化不大，由此可见插入螺旋线对降低气-液界面的热阻尤为明显;而采用波纹管后，Rko由0.53 ×10-3m2·K·W-1降至 0.34 ×10-3m2·K·W-1，降幅达 35.85%，Rwa由 0.92 × 10-3m2·K·W-1降低至 0.75 ×10-3m2·K·W-1，降幅达18.47%，可见，波纹管对降低凝结换热侧的热阻尤为明显。各阶段的热阻值见表2所示。从表2可以看出，气-液界面的热阻是整个传热过程的控制热阻，它具有改变总热阻的最大潜力，要提高总传热效率应设法降低这一环节的热阻值。

表2 不同管形对热阻分布的影响Table 2 Effect of heat resistance distributions on different tubes

图7为不同竖管外壁面上水蒸汽冷凝照片。从图7a分析可知，对竖直圆管，水蒸汽在管外壁面的凝结形式主要是膜状凝结，凝结水能很好地润湿壁面，水蒸汽在管外壁面冷凝时铺展成一层水膜，凝结放出的相变热必须穿过液膜才能传到冷却壁面，增加了换热过程的热阻;而对于波纹管，水蒸汽在管外壁面的凝结形式主要是珠状凝结，如图7b所示，凝结水不能很好的润湿管外壁面，凝结水在壁面形成一个个的小水珠，水珠会不断发展长大，当长大到一定尺寸后在重力的作用下沿壁面滚下，一方面会合相遇的水珠，合并成更大的水珠，另一方面也扫清了沿途的水珠，使壁面重复水珠的形成和成长过程，大大强化了换热。这也是波纹管能明显降低凝结换热侧热阻的原因。

图7 竖管外壁面上水蒸汽冷凝照片Fig.7 Photos of water vapor condensation on vertical tube wall

5 结论

(1)在立式蒸发式冷凝器的传热过程中，采用插入螺旋线圆管或者波纹管都可以起到强化传热的效果，总传热系数K比圆管分别高8.7%、12.9%，但要付出增加空气流动阻力作为代价。

(2)在本实验范围，Rwa是整个传热过程的控制热阻，它具有改变总热阻的最大潜力;插入螺旋线对降低气-液界面的热阻尤为明显，降幅达20.65%;波纹管对降低凝结换热侧的热阻尤为明显，降幅达35.85%;波纹管外壁比圆管更容易形成珠状凝结，这也是波纹管能明显降低凝结换热侧热阻的原因。

1 刘德兴.蒸发式冷凝器在制冷系统中的应用［J］.上海节能，2007，(4):35-36.

2 包 卫.蒸发式冷凝器用于火电厂冷却系统的可行性分析［J］.浙江电力，2004，(4):46-49.

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8 吴治将，朱冬生，赵 强，等.立式蒸发式冷凝器的性能研究与强化实验［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2008，36(2):112-116.

9 蒋 翔，朱冬生，吴治将，等.立式蒸发式冷凝器传热传质的CFD模拟［J］.高校化学工程学报，2009，23(4):566-571.

10 孙荷静，朱冬生，吴治将，等.波纹管管内降膜流动与传热特性的研究［J］.石油练制与化工，2009，40(10):25-29.