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、50mm的3种钉头管-光管混合管束中,S=35mm的混合管束冷凝换热性能最 好,管外膜状冷凝对流传热系数h0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、高效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-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-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。

　　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,就纯光管管束和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[2],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。

　　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1所示[3-5]。

　　光管管束的试验

　　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,Nusselt水平管外冷凝传热系 数为

　　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,就第一排管子而言,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

μ———冷凝液的粘度,Pa·s;

n———管束在垂直方向上的排管数,一般取 平均值;

ts———蒸汽的饱和温度,K;

tw———壁面温度,K。

　　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。

　　试验值比用Nusselt公式得 到的理论计算值高出6%~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 -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0·35MPa, 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。

　　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-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、50mm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最好,壳程的h0比纯光管管 束平均提升了121%,是试验中的最优混合管束; 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1、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中的管束排列方式 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 膜还未发展完全便遭到破坏,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=35mm的混合管束壳程冷凝换热能力是最优的, S=20和50mm的混合管束的壳程换热能力比S= 35mm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。