彈性管束換熱器強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究

1、彈性管束換熱器強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究             摘要 本文設(shè)計(jì)了一種新的傳熱元件-彈性管束，它對管內(nèi)外流體流動具有良好的振動響應(yīng)特性。利用傳熱表面振動提高管外對流換熱系數(shù)的同時，利用振動變形減少積垢，降低污垢熱阻，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合強(qiáng)化傳熱。在汽水換熱條件下，對流體誘導(dǎo)振動強(qiáng)化對流換熱規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了管外對流換熱的準(zhǔn)則方程式。關(guān)鍵詞換熱器 強(qiáng)化傳熱 污垢1 引言流體誘導(dǎo)振動是換熱設(shè)備中普遍存在的一種現(xiàn)象。已經(jīng)提出的流體誘導(dǎo)振動機(jī)理主要有：旋渦脫落、紊流顫振、流體彈性

2、激振、聲激振、兩相流靜壓脈動等。很多研究者圍繞這些機(jī)理作了大量研究工作，提出了許多新的理論模型與判別式1，這些研究在指導(dǎo)換熱器設(shè)計(jì)方面起到了積極作用。但這些研究幾乎都致力于流體誘導(dǎo)振動的防止，而對其強(qiáng)化傳熱的影響很少討論過。本文提出了利用流體誘導(dǎo)振動實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的新方法。設(shè)計(jì)了一種新的傳熱元件-彈性管束。該傳熱元件不同傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，讓傳熱元件從眾多的約束中解脫出來，在管內(nèi)外流體誘導(dǎo)下自由振動，依靠元件本身的振動特性使振幅通過系統(tǒng)阻尼得到有效控制，元件長期運(yùn)行不致?lián)p壞，同時依靠振動大幅度地強(qiáng)化傳熱。該強(qiáng)化傳熱方式不需要消耗外部能源，屬于無源強(qiáng)化。振動在強(qiáng)化管外對流換熱同時減小污垢熱阻，從而實(shí)現(xiàn)

3、復(fù)合強(qiáng)化傳熱。本文對彈性管束汽水換熱器的復(fù)合強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行探討。2 彈性管束的結(jié)構(gòu)及振動特性彈性管束的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由四根圓管組成，C，D是固定端，A，B是自由端，A，B端具有附加質(zhì)量。通過調(diào)整彈性管束的曲率半徑R，管徑d壁厚以及A，B端的附加質(zhì)量，可以改變其固有頻率和固有振型。圖1彈性管束結(jié)構(gòu)及壁溫測點(diǎn)分布彈性管束具有獨(dú)特的固有振型，其中二個頻率的振型結(jié)構(gòu)如圖2所示。彈性管束的振動有發(fā)下特點(diǎn)：在不同的固有頻率下，彈性管束的固有振型也完全不同；彈性管束的振動既有面外振動，又有面內(nèi)振動；彈性管束的各管的振動特征不同，1#管較長，剛度較其他管子低，其振動強(qiáng)度高于其他各管，并且振動出現(xiàn)較高階的

4、彎曲振動。2#和3#管長度和約束條件基本相同，這二管的振動特征基本相同。在固定端C、D處幾乎沒有振動發(fā)生，而在自由端A、B處振幅相對較大。圖2彈性管束的固有振型結(jié)構(gòu)（a）13.5Hz；（b）48.3Hz試驗(yàn)證實(shí)，管內(nèi)和管外流體誘導(dǎo)振動的機(jī)理和管束的振動特性是不同的。圖3為管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動的功率譜均為離散譜，由此可見管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動為周期性振動，振動為幾階低頻振動的諧振。在汽-水換熱條件下，加熱介質(zhì)蒸汽在管內(nèi)不斷凝結(jié)，最終變?yōu)槟Y(jié)水。汽液兩相流是管內(nèi)流動最基本的特征。由于汽液兩相流的不穩(wěn)定，可引起管內(nèi)靜壓的脈動現(xiàn)象。另外汽液兩相流在自由端不斷的轉(zhuǎn)向流動，加劇了汽液兩相不穩(wěn)定性。管

5、內(nèi)汽液兩相流誘導(dǎo)彈性管束的振動功率譜密度變?yōu)檫B續(xù)譜，管束的振動響應(yīng)不再局限于幾階頻率，而是分布在一個較寬的頻帶上，高頻振動明顯增加，振動為隨機(jī)振動（如圖4所示）。圖3管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動的功率譜圖4汽-水換熱條件下管外振動的功率譜3 傳熱試驗(yàn)裝置本試驗(yàn)裝置如圖5所示，主要由試驗(yàn)段、水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成。蒸汽從分汽缸經(jīng)調(diào)節(jié)閥、溫度和壓力測量裝置進(jìn)入彈性管束汽-水換熱器的管束內(nèi)。在管內(nèi)凝結(jié)放熱后變?yōu)槟Y(jié)水，由凝結(jié)水管排出。蒸汽的流量通過測量凝結(jié)水的流量而得到。被加熱水經(jīng)水泵、調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)進(jìn)入換熱器的殼程，在換熱器內(nèi)被加熱后，由出水管導(dǎo)入冷卻塔，降溫后再返回水箱。彈性管

6、束在換熱器中水平放置。圖5 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖換熱器的進(jìn)出口水溫和凝結(jié)水溫度由銅-康銅熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)水銀玻璃溫度計(jì)進(jìn)行測量并加以比較。蒸汽入口溫度以及換熱器內(nèi)彈性管束管內(nèi)和管外介質(zhì)的溫度以及管壁的溫度均由銅-康銅熱電偶測量，熱電偶的測量信號全部送入美國Fluke Net-DAQ2640A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和處理。         4 汽-水換熱器傳熱試驗(yàn)結(jié)果及分析41 傳熱系數(shù)表1為不同蒸汽壓力和不同的水流量下部分試驗(yàn)結(jié)果。總的看來，蒸汽壓力在0.20.4MPa，殼體水流Re數(shù)在100700范圍內(nèi)，彈性管束換熱器的平

7、均傳熱系數(shù)在40005100（W/m2·K）之間。彈性管束換熱器與其他類型換熱器的傳熱系數(shù)相比在低流動Re數(shù)下強(qiáng)化傳熱效果明顯。影響彈性管束傳熱系數(shù)的主要因素為蒸汽的進(jìn)口壓力、水流的Re數(shù)及彈性管束的結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)閺椥怨苁鴵Q熱器是依靠管束的振動強(qiáng)化傳熱，上述參數(shù)對管束的振動強(qiáng)度起重要作用。從表1中可以看到，蒸汽的進(jìn)口壓力對傳熱系數(shù)影響較大。而水流量對傳熱系數(shù)的影響相對較小，這與傳統(tǒng)換熱設(shè)備有很大的不同。要得到傳熱系數(shù)隨其他參數(shù)變化的關(guān)系式，這項(xiàng)工作尚需努力。42 管外對流換熱系數(shù)表1列出了部分工況下，管外對流換熱系數(shù)的數(shù)值。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，汽-水換熱條件下彈性管束管外平均對流換

8、熱系數(shù)一般在55008000（W/m2·K）左右。與管內(nèi)恒熱流電加熱條件下的管外對流換熱系數(shù)相比提高了一倍左右。這說明管內(nèi)汽水兩相流動對彈性管束的振動影響很大，在管內(nèi)、管外流動介質(zhì)共同作用下，液體誘導(dǎo)振動強(qiáng)化傳熱的效果更加明顯。若與同Reynolds數(shù)下橫向沖刷固定管束的對流換熱系數(shù)相比，管外平均對流換熱系數(shù)提高了45倍以上。其中橫掠固定管束管外平均對流換熱系數(shù)計(jì)算采用Zukausas給出的公式。彈性管束外對流換熱系數(shù)與管內(nèi)外介質(zhì)和流動條件均有較大的關(guān)系，這點(diǎn)與傳統(tǒng)換熱設(shè)備有很大不同。這是因?yàn)閺椥怨苁揽苛黧w誘導(dǎo)振動來強(qiáng)化傳熱，管內(nèi)外介質(zhì)和流動條件變化，液體誘導(dǎo)振動強(qiáng)度會發(fā)生相應(yīng)變化

9、。 同試驗(yàn)工況下部分試驗(yàn)結(jié)果 表1 蒸汽壓力（MPa）殼程水流Re數(shù)傳熱系數(shù)（W/（m2 ）管外對流換熱系數(shù)（W/（m2 ）管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)（W/（m2 ）0.32260247277328133170.26838644897216129500.27927446567247130190.29618047047331132650.3647050997859145210.22234941535924128920.2183094107586912536在管內(nèi)恒熱流電加熱條件下，彈性管束的振動只有管外水流誘導(dǎo)引起，其管外對流換熱準(zhǔn)則施工為： (1)在水水換熱器中，管內(nèi)為高溫水，彈性管束的振動是管外和管內(nèi)

10、水流共同誘導(dǎo)產(chǎn)生的，在管內(nèi)流速1.5m/s時，實(shí)驗(yàn)測的管外對流換熱方程式為： (2)在汽水換熱器中，管內(nèi)為汽液兩相流，彈性管束的振動是管外水流和管內(nèi)兩相流共同誘導(dǎo)產(chǎn)生的，在管內(nèi)蒸汽壓力為0.2MPa時，實(shí)驗(yàn)測的管外對流換熱準(zhǔn)則方程式為： (3)上述公式使用于Re的范圍為501000，誤差為±8%。43 管內(nèi)凝結(jié)放熱系數(shù)管內(nèi)的蒸汽凝結(jié)放熱系數(shù)一般在1250014500W/(m2·K)范圍內(nèi)。關(guān)于表面振動對蒸汽凝結(jié)換熱的影響，文獻(xiàn)等做過研究，結(jié)論為表面振動對凝結(jié)換熱有一定影響，但較小，一般凝結(jié)換熱系數(shù)變化在15%以內(nèi)。為了便于比較，在相同的流動狀況下，本文采用文獻(xiàn)推薦的計(jì)算水平

11、管管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)的公式對固定光管管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面振動條件下管內(nèi)蒸汽凝結(jié)換熱系數(shù)的提高幅度在20%以內(nèi)。這說明彈性管束振動強(qiáng)化傳熱對管外對流換熱影響較大，而對管內(nèi)換熱影響較小。44 強(qiáng)化對流換熱機(jī)理分析在管內(nèi)外流體共同誘導(dǎo)下彈性管束的振動為三維振動，既有管束面內(nèi)振動，又有管束面外振動，管束上各點(diǎn)的振動強(qiáng)度也不相同，因此彈性管束的振動特性非常復(fù)雜。彈性管束在自身振動的同時，還要接受換熱器來流的橫向沖刷，另外換熱器內(nèi)管子與相鄰管子相互影響，由于振動的復(fù)雜性和不確定性以及殼體內(nèi)流場的復(fù)雜性，要從理論上確定彈性管束管外近壁區(qū)實(shí)際流場結(jié)構(gòu)是異常困難的。利用邊界層理論定性分析，彈

12、性管束強(qiáng)化管外對流換熱的主要原因?yàn)椋禾岣呓诿娴牧黧w速度，使附面層厚度減?。惶岣吡烁矫鎸訁^(qū)域的湍流度；改變了繞流圓管的流場結(jié)構(gòu)。5 汽水換熱器傳熱溫差計(jì)算討論對于本文研究的管束內(nèi)的蒸汽凝結(jié)放熱問題，由于沿管子長度方向壓力不斷降低，蒸汽的飽和溫度也相應(yīng)下降。而幾乎所有的參考書中蒸汽凝結(jié)放熱介質(zhì)溫度的變化都描述為圖6A曲線所示。而實(shí)際的濕度分布近似為曲線B所示。該曲線左側(cè)為蒸汽凝結(jié)放熱，右側(cè)為凝結(jié)水過冷。因此，實(shí)際計(jì)算時，可采用圖6中曲線C近似計(jì)算。該曲線與單相介質(zhì)的放熱規(guī)律相似。圖6 管內(nèi)蒸汽凝結(jié)放熱溫度分布原理圖由于彈性管束換熱器內(nèi)冷、熱介質(zhì)的流動不是平等流，而是為錯流，其中熱介質(zhì)不混合，冷介

13、質(zhì)混合。因此其傳熱平均溫差不能采用順流或逆流的對數(shù)平均溫差進(jìn)行計(jì)算。蒸汽凝結(jié)放熱的溫度變化規(guī)律可參照單相介質(zhì)的放熱規(guī)律，采用積分法來得到彈性管束汽水換熱器平均傳熱溫差的計(jì)算公式如式（4）所示，經(jīng)驗(yàn)證，利用該公式計(jì)算誤差小于5%。 （4）6 彈性管束污垢特性彈性管束在振動條件下，污垢的形成及發(fā)展與固定管束的情況有所不同。為此作者對某用于加熱生活熱水的汽水換熱器進(jìn)行跟蹤測試。污垢熱阻隨運(yùn)行時間的增加而增加，當(dāng)達(dá)到一定時間時，其污垢熱阻的數(shù)值基本穩(wěn)定在0.5×1040.57×104m2·K/W左右。這一數(shù)值與文獻(xiàn)相比較，污垢熱阻只有普通光管的1/3左右。在換熱器運(yùn)行2年后，打開殼體發(fā)現(xiàn)在主要傳熱面彈性管束的表面上，垢層很薄并呈斑禿狀。在換熱器的底部有較多脫落的片狀污垢聚積，這證明彈性管束確定具有自動除垢功能。彈性管束能夠減少污垢的原因可以從以下幾方面說明：彈性管束為全圓弧結(jié)構(gòu)，并且是在水平面內(nèi)可自由伸縮的彈性系統(tǒng)，面內(nèi)振動是彈性管束能夠自動除垢重要原因；在換熱器運(yùn)行過程中參數(shù)變動以及啟停過程中，傳熱壁面溫度變化會產(chǎn)生熱應(yīng)力，彈性管束的熱應(yīng)力對自動除垢也起重要促進(jìn)作用；另外彈性管束表面振動，使得管表