钉头管自支承换热器壳程冷凝传热的试验研究- woshibokema ...

                             钉头管自支承换热器壳程冷凝传热的试验研究
                                         刘世刚  江楠  刘剑桢
                                    (华南理工大学化工机械研究所)
    摘要：采用自行设计的试验装置和流程对3种不同钉头间距的钉头管．光管混合管束和纯光管管束换热器进行了冷凝试验对比研究.研究结果表明：(1)钉头管．光管混合管束换热器中钉头不仅能起到强化传热的作用而且每个钉头都对管束起到支承作用使管子受力均匀，大大减小因管子振动磨损而造成破坏的可能性；



(2)钉头管钉头纵向间距对换热性能有很大影响，在纵向间距S=20、35、50 mm的3种钉头管一光管混合管束中，S=35 mm的混合管束冷凝换热性能{zh0}，管外膜状冷凝对流传热系数‰比纯光管管束平均提高了121％.
    关键词：钉头管自支承式换热器  壳程  冷凝传热  试验研究
    引言
    蒸汽凝结传热是化工、发电、动力等工业领域中广泛遇到的有相变的传热过程，在这些工业领域中，通过采用强化换热技术，开发新工艺、新技术获得紧凑、可靠、gx的冷凝设备来提高冷凝器换热的效率，从而满足工业效率日益提高的要求.因此，开发和研制冷凝器的核心元件――传热管就成为传热和热工行业技术人员的主要目标之一.
    目前，正在研究和使用较多的强化传热管主要有各种异型管，包括肋管、螺旋槽管、横纹管、纵槽管和针翅管等.这些管子基本上都是通过改变换热管外表面结构实现管壳程强化传热的，它们虽然都具有强化传热效果，但是由于加工工艺复杂，并且容易引起管束振动，不利于设备安全运行.
    集合以上管子的优点，文献[1]中提出一种新型管束自支承结构――钉头管一光管混合管束自支承结构.该结构将太阳棒针翅管与光管管束有机地结合在一起.从理论的角度分析，一方面这种钉头管一光管混合管束结构具有太阳棒针翅管的强化传热效果，即能够实现壳程强化冷凝传热作用；

另一方面由于钉头的存在，在管子之间起到相互支承的作用，减少管束振动，也省却了折流支承挡板，有利于设备的安全运行.从设备加工角度来分析，这种混合管束相对纯太阳棒针翅管束而言，加工更加容易，而且在成本上更加经济.现在这种设备正广泛应用在广东的中小型企业，工业效率得到很大的提高.
    试验装置和方案
    试验使用的是管壳式冷凝换热器，管程为冷却水，壳程为饱和水蒸气，试验流程如图1所示.
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    管束由光管和钉头管组成混合管束，其中6根是光管，4根是钉头管.为了对比各种混合管束的冷凝强化传热性能，就纯光管管柬和3种不同钉头纵向间距的钉头管-光管混合管束进行了冷却水-饱和水蒸气冷凝传热试验，2种管束的基管尺寸都是Φ19mm×2mm，有效长度均为2m，混合管束具体的排列方式如图2所示.
    为比较各种钉头管结构参数下混合管束的冷凝性能，根据正交设计原则旧J，设计了以钉头直径、钉头长度、钉头环向密度、钉头纵向间距和钉头排列方式为变量的试验方案.其中钉头排列方式有顺排和错排2种方式，其余4个变量通过正交设计法可以选择三水平四因素设计9组试验.
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    笔者的试验暂且只研究钉头纵向间距对钉头管光管混合管束传热性能的影响，因此只选择了3种不同钉头纵向间距的钉头管进行研究.钉头管的结构参数如表l所示.
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    光管管柬的试验
    工业上遇到的大多是膜状冷凝，管径较小，膜层通常呈滞流流动，Nusseh水平管外冷凝传热系数为：
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    工业用冷凝器多半是由水平管束组成，管束中管子的排列通常有直排和错排2种.无论哪一种排列，就{dy}排管子而言，其冷凝情况与单根水平管相同.但是.对其他各排管子来说，冷凝情况必受到其上各排管流下的冷凝液的影响，冷凝液下流时不可避免地会撞击和飞溅，使下排液膜扰动增强.考虑到扰动的影响，将上式改为：
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    为了检验试验装置和测量装置的可靠性，首先对试验用的纯光管管束进行了壳程冷凝传热试验，并且和理论计算值进行了比较.根据公式(2)和公式(3)计算的管外膜状冷凝传热系数和试验值的比较如图3所示.

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    从图3可以看出，试验值比用Nusseh公式得到的理论计算值高出6％一15％.由于不凝气体、蒸汽过热、蒸汽流速与流向以及试验条件难以达到理想水平等因素的影响，试验值和理论计算值会有出入，但是结果是相近的.因此，笔者所用的试验装置得到的试验数据是可信的.
    3.种混合管束和纯光管管束的试验
    在试验中，采用了不同钉头间距的3种钉头管一光管混合管束和纯光管管束进行对比，通过比较得出钉头间距对传热效果的影响，同时为了便于比较结果，将电热锅炉蒸汽的压力稳定在0．35 MPa，以保证冷凝器的蒸汽进口温度能够稳定在102℃左右.试验结果如图4所示.
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    对不同钉头间距的3种钉头管．光管混合管束和纯光管管束试验结果做对比可以明显看出，钉头管一光管混合管束冷凝换热器具有较强的冷凝传热效果.通过对S=20、35、50 mm以及纯光管管束的试验比较，所有的钉头管-光管混合管束的壳程的冷凝效果均比纯光管管束要强，其中S=35mm的混合管束冷凝效果{zh0}，壳程的h0比纯光管管束平均提升了121％，是试验中的{zy}混合管束；

S=20mm的h0比纯光管管束平均提升了103％，S=50mm的h0比纯光管管束平均提升了82％.现结合图5做如下说明.
    图5中，2、4、7、9管为钉头管，其余的为光管.在l、2、3号管上形成的凝液，在钉头的导流作用下向下流动.根据图5中的管柬排列方式，可以将管束分为3个系统，1、4、8号管为1个系统；

2、5、6、9号管为1个系统；

3、7、10号管为1个系统.1号管的凝液经过4号管后从8号管上流下；

2号管的凝液经过5、6号管后从9号管流下；

3号管凝液经过7号管后从10号管流下.在凝液比较集中的4、7号管上可以明显地发现有冲刷作用和二次涡流形成.
    冷凝液膜为膜状冷凝的主要热阻，设法减薄其厚度是强化传热的关键.从试验装置的窥孔中发现，在光管上很少有凝液滴落，大部分凝液都被钉头管上的钉头引走.在钉头管上部的非积液区，钉头根部的凝液在经过钉头时会发生边界层分离，使得液膜还未发展wq便遭到破坏，凝液从钉头管上滴落.没有滴落的凝液在越过钉头后会和原来的凝液发生碰撞，产生二次流(涡流).在钉头管的积液区，凝液流过钉头时也会产生边界层的分离及二次流(涡流)，从而减薄了液膜厚度，使得这一部分的传热量大大高于纯粹依靠液膜导热而传递的热量.
    结论
    (1)随着钉头纵向密度的增加，混合管束的冷凝换热能力呈现出二次曲线的特征.在试验中.S=35 mm的混合管束壳程冷凝换热能力是{zy}的，S=20和50 Hun的混合管束的壳程换热能力比．s=35 mm的低.
    (2)在钉头管．光管混合管束换热器中，钉头不仅能够起到强化传热的作用，而且钉头管各截面的每个钉头都对管束起到了支承作用，各钉头均匀地分布在整段管子的长度上，使得管子各段受力均匀，从而大大减小由于振动磨损而造成管子破坏的可能性.
    (3)壳程冷凝强化的主要方法就是改变并强化凝液的流动状态.试验中，由于凝液在没有外界条件的影响下其流动状态是层流，而层流的传热效果相对较差，所以通过在光管表面焊接钉头来改变凝液的流动状态，从而达到强化冷凝传热的效果.钉头的存在，一方面可以产生表面张力，对凝液的流动起到拉扯的作用，促进凝液的流动；

另一方面可以增加管的传热面积，从而强化冷凝传热.对于管束来说，钉头还可以对凝液起到导流的作用，加速凝液的流动，从而改变凝液的流动状态，同时还减薄了液膜的厚度，对凝结换热起到强化的作用.
    参考文献
    [1] 江楠．一种管子自支承式换热器：中国，zL00227221．O．
    [2] 方开泰．正交与均匀试验设计．北京：科学出版社，2001：35．
    [3] 江飞飞．自支承换热器的实验与理论研究．广州：华南理工大学．2006．
    [4] 刘剑桢．钉头管自支承冷凝器壳侧冷凝传热研究．广州：华南理工大学，200r7．
    [5] 马学虎，陈嘉宾，徐敦硕，等．蒸汽冷凝型态的表面自由能差判据．化工学报，200253(5)：557―560．