低壓條件下緊湊又排管束沸騰換熱特性試驗

摘要：針對傳統(tǒng)的滿液型蒸發(fā)換熱器，將蒸發(fā)器中的水平加熱管束按又排方式緊湊排列形成窄縫空間，在大氣壓和低壓運行條件下，利用窄縫空間沸騰強化換熱機理，可以將在低壁溫／低熱負(fù)荷條件下的自然對流換熱轉(zhuǎn)化為核態(tài)沸騰換熱，能有效提高滿液式蒸發(fā)器的換熱性能。和傳統(tǒng)的滿液型蒸發(fā)換熱器相比，這種緊湊式蒸發(fā)器平均換熱系數(shù)能提高一倍以上。緊湊蒸發(fā)器的管距、管位置，工作壓力都對蒸發(fā)器的換熱性能有顯著影響，管距的影響是最大的。不同的壓力條件下存在一個對應(yīng)的最佳管距。在此管距下，蒸發(fā)換熱器的強化換熱性能達(dá)到最大。最佳管距對應(yīng)的管束水力當(dāng)量直徑近似等于池內(nèi)沸騰時的氣泡脫離直徑。隨著壓力減小，最佳管距逐漸增大。同時，緊湊式管束布置引起的窄縫空間內(nèi)沸騰強化換熱強化效果也逐步降低。
　　關(guān)鍵詞：沸騰緊湊式換熱器強化換熱管柬
　　中圖分類號：TK51
　　0 前言
　　在吸收式制冷機、海水淡化裝置以及各類化工設(shè)備的換熱裝置中，低壓蒸發(fā)換熱器應(yīng)用非常廣泛。目前降膜型蒸發(fā)換熱器應(yīng)用比較多。降膜型蒸發(fā)換熱器的換熱系數(shù)很大，但尺寸較大，而且需要一套比較復(fù)雜的供液裝置。如將傳熱管束緊湊排列置于飽和狀態(tài)液體中，則構(gòu)成滿液型蒸發(fā)換熱器。常壓下常規(guī)滿液型蒸發(fā)換熱器中的水平管束上的沸騰換熱特性研究已經(jīng)相當(dāng)深入I ，但是這些管束的管距都較大，在低中熱流密度條件下，傳熱管上不會產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象。利用傳熱管束間窄縫沸騰強化機理，可以將在中低熱流密度條件下的自然對流換熱轉(zhuǎn)化為核態(tài)沸騰換熱，其換熱性能可以得到大幅度提升，從而優(yōu)于降膜式蒸發(fā)換熱器。另一方面，蒸發(fā)換熱器管束以緊湊式布置，可以減小換熱器的質(zhì)量和體積。作者過去的研究已經(jīng)證實：在常壓和高壓條件下采用緊湊排列管束可以十分顯著地提高沸騰換熱性能。
    針對目前低壓條件下的管束沸騰換熱強化研究還十分少見的情況，提出了一種新的緊湊式叉排光滑管束組成的滿液式蒸發(fā)換熱器結(jié)構(gòu)。在這種管束結(jié)構(gòu)中，每一列管束中的相鄰各管間距十分小，形成窄縫空間?？疾炝斯芫?、管束中管的不同位置和試驗壓力對沸騰換熱性能的影響，并進(jìn)行了一些機理探討。試驗結(jié)果對高效節(jié)能型蒸發(fā)換熱器設(shè)計提供了一種新的思路和方法。
    1 試驗設(shè)備
    如圖1所示，整個試驗裝置主要是由真空泵、水銀壓力計、不銹鋼壓力容器、水平試驗管束、不銹鋼平板支架箱、冷凝器、加熱電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的。試驗箱與真空泵間連接一個穩(wěn)壓箱用以保持試驗箱內(nèi)壓力穩(wěn)定。
                  
    圖2給出了試驗管束在叉排情況下排列的示意圖。試驗管子由15根直徑和管長相同的水平光滑銅管組成。共有三列加熱管，每列五根試驗管。中間一列標(biāo)上A、B和C的三根管子為測量管。試驗管束通過不銹鋼平板支架箱以叉排的形式被固定，管束兩端密封。側(cè)面兩列管子與支架箱的距離取管距的一半。管排的管距定義為相鄰兩根圓管外表面的徑向距離。本試驗中管距有0．5 mm、1 mm、2mm和4mm四種，管距的調(diào)節(jié)通過更換不同的支架箱實現(xiàn)。
                 
    試驗管束中使用的管子是外徑18mm、內(nèi)徑12 mm、總長為180mm的純銅管， 內(nèi)插直徑為12mm、有效加熱長度100mm、總長140mm的電加熱棒。管子和電加熱棒之間用焊錫填滿。電加熱棒的一端套上外徑18 mm、長30mm的聚四氟乙烯管。聚四氟乙烯管和紫銅管一端的端面圓周上沿水平方向用線切割法開四個直徑為1．1mm的小孔，深度到達(dá)水平管中心，孔內(nèi)插入直徑1．0 mm的鎧裝式熱電偶。純銅管、電熱棒和熱電偶間用焊錫填滿。
    試驗工質(zhì)是純水，試驗壓力有20 kPa、50 kPa和100 kPa三種。試驗前用2000#砂紙將傳熱面打磨至光滑面，然后用丙酮和純水洗凈。傳熱管表面溫度由四根熱電偶測得的平均溫度和一維圓柱導(dǎo)熱公式推算得出。熱負(fù)荷根據(jù)傳熱面積和加熱電功率換算得出。試驗工質(zhì)溫度由四根放置在管束上下左右均勻分布的熱電偶測量。在試驗中，首先用真空泵抽氣使試驗箱壓力達(dá)到設(shè)定壓力，然后啟動輔助電加熱器和試驗管束內(nèi)的電加熱器將試驗箱內(nèi)水升溫到設(shè)定壓力對應(yīng)的飽和溫度。此后，調(diào)節(jié)冷凝器中自來水流量，冷凝試驗箱中水蒸氣使試驗箱壓力下
降至設(shè)定壓力并保持穩(wěn)定。然后，逐步增加試驗管束的熱流密度進(jìn)行試驗。在試驗進(jìn)行中，通過調(diào)節(jié)與真空泵相連接的調(diào)壓閥門的開度， 以及調(diào)節(jié)冷卻水流量，綜合達(dá)到控制箱內(nèi)壓力穩(wěn)定的目的。大氣壓試驗時，試驗箱上部打開。在讀取試驗數(shù)據(jù)時，保證實測平均液溫和試驗壓力對應(yīng)的理論飽和液溫相差不超過0．5℃。試驗箱壓力使用U型水銀壓力計測量。根據(jù)數(shù)值計算，傳熱管兩端散熱損失不大于0．5％，熱電偶校正誤差最大0．2 K。試驗測定中壁面過熱度最大相對誤差為20％左右。熱負(fù)荷測量誤差最大不超過3％。
    2 試驗結(jié)果
    首先對三根主測量管進(jìn)行大氣壓下的純水一單管池內(nèi)核態(tài)沸騰試驗。試驗結(jié)果和文獻(xiàn)[6]中的核態(tài)沸騰換熱計算式一致
              
    2．1 管距對沸騰換熱特性的影響
    圖3是試驗壓力為50 kPa時，管距d對上部管A 的沸騰換熱特性影響的試驗結(jié)果(從換熱器的幾何結(jié)構(gòu)來看，管A 最能代表實際換熱器的平均特性)?？梢钥闯觯芫酁镺．5mm和1mm時沸騰換熱強化效果較好。低熱流密度時0．5 mm管距最好，而中熱流密度時1mm管距最好。管距d=2mm時沸騰換熱性能與管距d=4mm時的沸騰換熱性能比較接近。隨著管距的增加，沸騰換熱性能逐漸接近一般的池內(nèi)沸騰。
                 
    圖4是試驗壓力為20 kPa時，管距d對上部管A的換熱特性影響的試驗結(jié)果。管距從d=4mm和d=2mm減小到d=1mm時，隨著管距的減小，換熱性能得到大幅提高，說明受限小空間能夠強化換熱。當(dāng)管距繼續(xù)減小到0．5mm時，換熱劣化，同時在試驗范圍內(nèi)管A 已經(jīng)出現(xiàn)沸騰危機。由圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，對于窄縫沸騰，存在一個最佳間隙。從試驗結(jié)果中得到，在50 kPa壓力下，最佳管距應(yīng)該在0．5mm和1mm之間，可以取d=1mm為最佳管距。管束在20 kPa的低壓下，d=1mm是最佳管距。在此管距下，與d=4mm的管距(可以代表一般管束)相比較，換熱能力可以提高一倍左右。因此，在低中熱流密度條件下，采用緊湊式管束是提高滿液型蒸發(fā)換熱器換熱性能的一個十分簡便有效的方法。
                    
    2．2 不同管位置的沸騰換熱性能差異
    圖5顯示了管束內(nèi)不同管位置的沸騰換熱性能差異。從圖5可以看出，試驗壓力為50 kPa、d=2．0mm時，三個測量管換熱性能存在較大差異?？偟膩碚f，上部管A的換熱性能最好。其原因是，下面的管子周圍流體沸騰產(chǎn)生的氣泡上升，管柬上部通道內(nèi)的空泡率逐漸增加，上面管子周圍流體產(chǎn)生的擾動也相應(yīng)增強，從而提高了上部管子的換熱性能。這一特性稱為管束效應(yīng)。
                     
    圖6為試驗壓力20 kPa、管距1．0mm時的試驗數(shù)據(jù)圖。由圖6可見，三個測量管換熱性能基本相同。這說明對微小管距，管柬效應(yīng)基本消失。其原因可能是在微小管束中由于沸騰氣泡引起的對流沖刷效應(yīng)接近飽和。
                     
    2．3 試驗壓力對管束沸騰換熱強化效果的影響
    圖7為管距d=2．0mm時，不同壓力下管A的沸騰換熱試驗數(shù)據(jù)圖。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，換熱強化效果隨著試驗壓力的增加而增加。在池內(nèi)沸騰時，雖然池內(nèi)沸騰的換熱特性隨著試驗壓力的增加而增強，但是對于管排，壓力的影響更加強烈； 隨著壓力降低，強化換熱效果大幅度降低。在管距2mm時(注意不是最佳管距)，50 kPa壓力下的沸騰換熱強化效果依然很好，而20 kPa壓力下的沸騰換熱強化效果已經(jīng)很弱了。這一強化換熱效果的差異用傳統(tǒng)理論，亦即不同壓力下物性的變化很難解釋。過去的窄縫強化沸騰研究，各種強化傳熱面強化沸騰研究幾乎都沒有涉及低壓條件，相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)非常少?，F(xiàn)有的研究還無法解釋，需要進(jìn)一步進(jìn)行一些基礎(chǔ)性研究。
                  
    2．4 最佳管距和氣泡脫離直徑之間的關(guān)系
    緊湊式管束強化沸騰化熱的基本原理是窄縫沸騰。其機理研究已經(jīng)相當(dāng)豐富[2-3]?；镜挠^點是窄縫使得氣泡不易脫離傳熱面，從而形成大氣泡粘附在傳熱面上。大氣泡和傳熱面間的微層液膜形成強烈的蒸發(fā)換熱從而強化了低熱流密度下的沸騰換熱。如果間隙過大，管子表面的微膜層不易形成，傳熱特性得不到很大提升。而如果間隙過小，將會阻礙氣液流動，同時使得試驗管會因為供液不足從而很快達(dá)到沸騰危機。因而存在一個最佳管距，使得微膜導(dǎo)熱和擾動的綜合效果達(dá)到最佳。文獻(xiàn)對豎直套管間形成的狹窄流路內(nèi)的沸騰換熱特性進(jìn)行了研究，提出達(dá)到換熱強化效果最好的最佳管距基本等于沸騰氣泡脫離直徑。并對此進(jìn)行了簡單的定性解釋。本研究中的管束流路也是一種豎直流路，因此，最佳管距應(yīng)該和沸騰氣泡脫離直徑間存在某種聯(lián)系。圖8給出了不同壓力條件下的最佳管距試驗值、最佳管距對應(yīng)的水力當(dāng)量直徑和相同壓力下沸騰氣泡脫離直徑計算值。氣泡脫離直徑采用式(2)計算。
                      
                      
    緊湊式叉排水平管束的沸騰換熱特性非常復(fù)雜，各管的沸騰曲線與管距、壓力、管位置等參數(shù)之間存在著十分復(fù)雜的耦合關(guān)系，不可能使用簡單的經(jīng)驗相關(guān)式來描述。對于實際的管束蒸發(fā)換熱器，如傳熱管管徑，管子根數(shù)發(fā)生變化時，換熱特性在定量上也會有所變化。這種定量上的變化需要根據(jù)實際換熱裝置通過試驗確定。對于最佳管距和小管距情況，試驗結(jié)果已經(jīng)證實管位置對換熱特性沒有影響。這也就是說，管子根數(shù)對換熱特性沒有影響。本研究的目的是對實際的管束式蒸發(fā)換熱器提出一種簡單的強化換熱技術(shù)，確認(rèn)其在低壓條件下的換熱強化特性，為低壓條件下管束式蒸發(fā)換熱器的性能改善提供一種新的思路和技術(shù)指導(dǎo)。
    3 結(jié)論
    (1)利用管排窄縫空間沸騰強化換熱機理，在中低熱流量條件下，小管距緊湊又排管束能顯著提高管束沸騰換熱性能。
    (2)壓力為20kPa和50kPa時，管距為1．0mm時的換熱效果為最優(yōu)。在該管距下， 管束的沸騰換熱特性能強化一倍以上。
    (3)各管在管束中的位置對各管的換熱特性影響十分復(fù)雜。相比較而言，管距較大時最上面的管子強化換熱效果明顯優(yōu)于下面管子。但管距很小時各管的強化換熱效果基本相同。
    (4)壓力對小管距緊湊叉排管束沸騰換熱強化性能有強烈影響。隨著壓力降低，強化換熱效果大幅度降低。
    (5)最佳管距和氣泡脫離直徑間有密切關(guān)系，最佳管距對應(yīng)的水力當(dāng)量直徑十分接近氣泡脫離直徑。