水-酒精混合蒸气在板式换热器中凝结时的压降特性

乔宏斌，王 顺，胡申华

(南京工程学院 电力仿真与控制工程中心,南京 211167)

水-酒精混合蒸气在板式换热器中凝结时的压降特性

乔宏斌，王 顺，胡申华

(南京工程学院 电力仿真与控制工程中心,南京 211167)

通过设计搭建板式换热器凝结换热实验台，研究了不同酒精质量分数(0%、1%、10%和50%)、蒸气压力(70 kPa、80 kPa和90 kPa)和蒸气流速(15 m/s和25 m/s)下，水-酒精混合蒸气在板式换热器中凝结时的热侧压降随出口蒸气干度的变化特性.在实验数据的基础上，采用Lockhart-Martinelli模型计算压降，并对其进行修正.结果表明：压降随着酒精质量分数的增大而升高，与纯水蒸气相比，在同样工况下，50%酒精质量分数的混合蒸气压降增大近1倍；在相同的酒精质量分数、蒸气流速和出口蒸气干度下，蒸气压力对压降影响明显，蒸气压力越大压降越小；实验值与拟合值的对比误差在±20%.

混合蒸气；板式换热器；凝结；压降；传热

符号说明：

A——板片换热面积，m2

X——Lockhart-Martinelli模型参数

AC——PHE单通道流通截面积，m2

Δp——总压降，Pa

cp——比定压热容，J/(kg·K)

Δx——干度变化

de——PHE流通等效直径，m

Δh——蒸气凝结潜热，kJ/kg

f——摩擦因数

δ——板片厚度、凝结液膜的厚度，m

L——PHE板片的宽度，m

ρ——密度，kg/m3

p——压力，kPa

φ——两相摩擦分液相表观系数

q——热流密度，W/m2

qm—质量流量，kg/s

n——流道数目

T——温度，K

U——流速，m/s

w——混合蒸气酒精质量分数，%

x——PHE出口蒸气干度

xm——PHE内部平均蒸气干度

下标

CW——冷却水

L——液相

G—— 气相

in——进口

m——平均值

mix——混合项

out——出口

板式换热器(Plate Heat Exchanger,PHE)是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的新型高效换热器.国内外学者对板式换热器的研究涉及内容很多，主要研究热点离不开如何提高其换热效果和降低压降.低浓度水-酒精混合蒸气在物体表面凝结时，由于Marangoni效应，其传热系数相较于纯水蒸气能提高2～8倍[1-2].研究表明这种低浓度提高传热系数的现象在板式换热器中也存在，因此研究水-酒精混合蒸气的压降特性显得非常重要.在压降方面，很多学者对气-液冷凝换热进行了定性定量地分析.

通过以上文献可以看出，气液两相流在板式换热器中压降的研究以制冷空调行业中制冷剂的蒸发和冷凝研究为主.笔者通过设计和搭建能在正负压下运行的具有高气密性的PHE实验系统，选取能产生Marangoni珠状凝结换热的水-酒精混合物作为混合蒸气，在不同蒸气压力、流速和酒精质量分数下进行蒸气部分凝结换热压降实验，分析其变化规律.并利用实验结果建立压降理论模型，从而指导板式换热器的设计，促进中低温能源的利用.

1 实验系统

凝结换热实验系统如图1所示.整个实验系统从功能上可以分为5部分：混合工质循环系统、冷却水循环系统、辅助凝气器冷却水循环系统、抽真空-冷却系统和数据采集系统.混合蒸气从蒸气发生器进入板式换热器中进行凝结，未完全凝结的蒸气进入辅助凝气器继续冷却.同时，辅助凝气器也作为整个蒸气循环系统的调压设备.空气作为不凝结气体对蒸气凝结换热的影响明显，为避免在实验过程中不凝结气体进入混合工质循环系统并保证混合蒸气质量分数不变，实验台设计了抽真空部分，以尽量减少不凝结气体对换热的影响，实现了对系统气密性的更高要求.

1-安全阀；2-压力变送器；3-涡街流量计；4-蒸气侧进热电偶；5-水侧出热电偶；6-蒸气侧差压变送器；7-蒸气侧出热电偶；8-水侧进热电偶；9-板式换热器；10-涡轮流量计；11、14-调节阀；12-管壳式换热器；13-抽真空阀；15-数据采集模块；16-计算机；17-冷却水箱；18-循环泵；19-管道增压泵；20-电加热丝；21-蒸气发生器.

图1 Marangoni凝结换热实验系统图

Fig.1 Schematic view of the Marangoni condensation test rig

实验开始时，先运行辅助凝汽器冷却水循环系统和抽真空-冷却系统，抽至系统的最低压力后通电加热，当系统压力逐渐上升至接近工况压力时，根据流速需求，调节蒸气发生器加热丝的加热功率，并开启冷却水循环系统，调节管壳式换热器的冷却水流量，将未凝结的蒸气完全凝结，并维持整个系统的压力.压力稳定后，开始采集实验数据.当板式换热器的冷却水温升高到混合蒸气几乎不在板式换热器中凝结时，实验结束.

实验过程中，通过流量计测出蒸气的质量流量qm,G.由于混合蒸气循环基本上为一个封闭系统，通过下式可计算得到单通道蒸气的实际流速：

(1)

水-酒精混合蒸气质量分数通过使用广泛的UNIFAC基团贡献法来计算确定[18].

通过测量冷却水进、出口温度和流量，可以计算出冷却水的热流密度：

qCW=qm,CWcp(TCW,out-TCW,in)/A

(2)

混合蒸气在板式换热器中释放热量后，其干度变化为

(3)

进入板式换热器的混合蒸气干度可视为1，在板式换热器中干度变化为Δx，取出口蒸气干度作为依据，研究压降随出口蒸气干度变化的规律.

文中参照文献选取混合蒸气中的酒精质量分数分别为0%、1%、10%和50%.不同质量分数和压力下的蒸气饱和温度如表1所示.实验压力条件为70 kPa、80 kPa和90 kPa，流速取15 m/s和25 m/s.

表1 不同质量分数和压力下对应的饱和温度

Tab.1 Saturated temperature at different vapor pressures and ethanol mass fraction

酒精质量分数/%压力/kPa饱和温度/℃09096.88093.67090.119096.68093.47089.9109095.48092.27088.6509089.08086.07082.6

在换热过程中，冷却水和蒸气为逆流换热方式.其中板片尺寸为212 mm×465 mm，接口进、出口直径均为50 mm，其他参数见表2.不确定度分析结果见表3.

表2 板式换热器几何参数

表3 不确定度分析

在PHE的蒸气凝结过程中，压降是其重要的特性参数.蒸气凝结总压降由实验台的进、出口差压变送器获得.蒸气凝结总压降由两相摩擦压降Δpf、重力压降Δpg、加速压降Δpa和附加压降Δpadd构成，其表达式如下：

Δp=Δpf+Δpg+Δpa+Δpadd

(4)

Wang等[3]研究发现重力压降、加速压降和附加压降分别占总压降的0.2%、4%和2.1%，则在板式换热器中，两相摩擦压降是影响蒸气凝结总压降的主要部分.因此主要对两相摩擦压降进行分析研究，并在计算结果上进行修正，以对蒸气侧总压降进行预测.

2 实验数据分析

2.1 酒精质量分数对热侧压降的影响

图2(a)、图2(b)分别为70 kPa和90 kPa压力下板式换热器蒸气侧压降随出口蒸气干度的变化曲线.由图2可知，在不同酒精质量分数下压降变化规律相同，都随着出口蒸气干度的增大而升高.在不同压力下，酒精质量分数对板式换热器热侧压降影响较大，随着酒精质量分数的不断增大，板式换热器热侧压降也不断升高.在70 kPa时，酒精质量分数为0%、1%和10%的压降曲线差别较明显，可以比较清楚地看出其变化趋势.当压力达到90 kPa时，各酒精质量分数间的压降变化十分接近.

(a)

(b)

从图2可以发现，相同出口蒸气干度下，酒精质量分数越大压降越高.高酒精质量分数时压降升高1倍左右.随着酒精质量分数的增大，混合蒸气的凝结潜热随之减小，在同样的冷却强度下，混合蒸气干度变化更加剧烈，气液界面也更加紊乱，造成了更大的流动阻力.从微观上说，酒精质量分数的增大意味着混合蒸气中酒精分子的数目增多，酒精分子的体积是水分子的3.7倍，远大于水分子，导致酒精分子与水分子以及水分子之间的碰撞几率增大，流体各层之间的切向力会增大，从而增大了流动阻力.

2.2 蒸气压力对热侧压降的影响

图3给出了不同蒸气压力下板式换热器热侧压降的变化.从图3可以看出，不同蒸气压力下，蒸气侧压降都随出口蒸气干度的增大而升高.出口蒸气干度越大，说明混合蒸气中气相所占比例越大，混合蒸气的体积流量要比低出口蒸气干度时大，则气液两相摩擦压降升高，压损随之升高.同样的实验条件下，蒸气压力越高，压降越低.

(a)

(b)

2.3 混合蒸气流速对热侧压降的影响

图4(a)和图4(b)为压力70 kPa，酒精质量分数分别为1%和50%时，不同混合蒸气流速下板式换热器热侧压降随出口蒸气干度的变化曲线.从图4可以看出，在相同酒精质量分数下，混合蒸气流速对压降影响较为明显，25 m/s时的压降明显高于15 m/s时.这是由于混合蒸气流速越大，摩擦阻力越大，从而导致压降升高.同时，由于板式换热器是由3块板片组成的单流程单通道，流通截面积较小，这将进一步使压降升高.

(a)

(b)

3 实验数据与预测关联式的对比分析

由于阻力过大将引起板式换热器的压降过高，这将影响板式换热器的运行情况.Lockhart-Martinelli模型已成功应用于预测板式换热器的凝结压降.利用该模型预测实验两相压降，需先分别计算液相和气相的压降.蒸气侧进、出口液相和气相的质量流量可以通过传热量计算得到，因此单相的摩擦因数可由下式计算得到：

(5)

则液相和气相的压降分别由式(6)和式(7)计算得出：

(6)

(7)

Lockhart-Martinelli模型参数X和两相摩擦分液相表观系数的计算式如下:

(8)

(9)

式(9)中的常数C可由表4确定.

表4 Lockhart-Martinelli模型常数C确定值

Tab.4Cvalue determination for the Lockhart-Martinelli model

液体-气体流动状态C湍流-湍流20层流-湍流12湍流-层流10层流-层流5

考虑到板式换热器气液两相流动的复杂性，将式(9)中的C取为16.则两相摩擦压降为

Δpf=φ2ΔpL

(10)

引入修正系数K对式(10)进行修正，即实验中的整体总压降为

Δp=KΔpf

(11)

对于式(11)的待求修正系数，通过Matlab编写程序，进行实验数据线性回归拟合，计算获得修正系数K=1.316.其中上述各物性参数按国际标准水和水蒸气热力性质IAPWS-IF97公式编写的Matlab子程序调用计算获得.

图5给出了压降实验值和拟合值的对比曲线.从图5可以看出，统计结果误差范围处于±20%，拟合效果较好.

图5 实验值与拟合值的误差

4 结 论

(1) 随着出口蒸气干度的增大，换热量减小，混合蒸气凝结量随之减少，压降升高.

(2) 在不同压力下，压降随着酒精质量分数的增大而升高.

(3) 在相同酒精质量分数、蒸气流速和出口蒸气干度的情况下，高压下的压降比低压下的压降高.与纯水相比，在低酒精质量分数(1%)时，压降几乎相同；在中酒精质量分数(10%)和高酒精质量分数(50%)时，压降明显升高.

(4) 随着混合蒸气流速的增大，摩擦阻力也随之增大,从而板式换热器的热侧压降升高.

(5) 凝结压降采用应用广泛的Lockhart-Martinelli模型进行修正，结果表明实验值与拟合值的误差范围处于±20%.

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Pressure Drop in Plate Heat Exchanger During Condensation of Ethanol-Water Mixed Vapor

QIAOHongbin,WANGShun,HUShenhua

(Electrical Power Simulation and Control Engineering Center,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

Experimental tests were carried out in a plate heat exchanger to study the effects of outlet vapor quality on the changes of hot side pressure drop during condensation of ethanol water mixed vapor at different ethanol mass fractions (0%,1%,10% and 50%),different vapor pressures (70 kPa,80 kPa and 90 kPa),and different vapor flow rates (15 m/s and 25 m/s).Based on the experimental data,the Lockhart-Martinelli model was used to calculate and correct the pressure drop.Results show that the pressure drop increases with the rise of ethanol mass fraction,which would be doubled for the mixed vapor with ethanol mass fraction of 50% as compared to pure water vapor,under same experimental conditions.Under conditions with the same ethanol concentration,vapor flow rate and outlet vapor quality,the vapor pressure has obvious effects on the pressure drop; the higher the vapor pressure is,the smaller the pressure drop will be.The error between experimental data and fitted results is within 20%.

mixed vapor; plate heat exchanger; condensation; pressure drop; heat transfer

2015-12-22

2016-02-16

国家自然科学基金资助项目(51166013)；南京工程学院校级科研基金资助项目(YKJ201533)

乔宏斌(1969-)，男，江苏宝应人，讲师，硕士，主要从事火电厂的仿真开发及凝结换热方面的研究.电话(Tel.)：17705188894；E-mail：123697618@qq.com.

1674-7607(2017)01-0033-06

TK121

A 学科分类号：470.10