（动力机械及工程专业论文）含湿混合气体横掠翅片管的换热研究.pdf

韭塞塞疆叁鐾殛堂焦缝窑尘塞缝鬟 中文摘要 攮要：利用冷凝网收装霆寒回收烟气余热以节约g 源程保护环境，这对予晷琵经 济是具有现实帮长远恚义静。燔气余熬罄校是一个涉及传热与传质耦合戳及褶交 静笺杂静物理过程。本文针对含漱混合气体横掠蘧片管时的对流冷凝换熟杌理进 行实验研究和理论分析，重点分析了影响冷凝换热的几个主要因素以及采用翅片 管对于换热的影响，并通过理论分析得到翅片侧壁凝结液膜厚度的分布，以期能 够对冷凝机理有更进一步的研究。 采用实验方法对翅片管外冷凝换热情援进霉亍磺究，教建原窍实验台，裂用混 合气体横攮光管抟实验来验涯实验系统瓣胃靠经。实验审利糟天然气燃烧产生静 烟气作为实验用气体，并横据实验工况采用商烟气中加入水蒸气以及空气的方法 来改变混合气体的流速以及水蒸气的质壁分数。在实验中重点考察混合气体主流 温度、管璧温、混合气体的流速以及不凝性气体的质量分数等因素对冷凝换热的 影响，菇通过实验数据分搴斥采用翅片管对整体冷凝产生的影响。 理论分据了翅片管终豹凝结换热特点，将冀分为翅片警侧壁的凝结羊鞋翅片溺 光管的凝结。营先建立数学模塑，裂孀c f d 方法计算遥片管矫先管处黻及翅片侧 壁的对流换热系数以及湓度分布。然偌分剐针对遂片侧壁和翅片光管处进行分祈。 在翅片侧壁处对现有的计算方法进行改进，考虑了凝结液之间的相互影响，得到 了翅片侧壁的凝结液膜厚度的分布；在光管处通过传热与传质的类比关系进彳亍计 算，德到漤热换热量。并且计算出在翅蔑侧壁郄光管处产生的总的凝结滚量。烬 其与实验结果楣比较，二者一致拨较好，朝霹验 委掰建立的理论模型鹣霹靠性。 遥过理论计算， ! 譬弱水蒸气的袋量分数在1 0 e , 4 - 2 7 的含湿混合气体横豫翅片管时， 对冷凝换熟起主要作用韵翅片铡壁的凝绪液膜的厚度为1 0 - s m 至1 0 - t m ，怒一个相 当薄的膜层，液相导热热阻在整个换热的过程中基本可以忽略。 关键词；混合气体；翅片；凝结换热# 波膜厚度；凝结滚量 分类号；t k l 2 4 拙夏銮疆太堂亟璧越论塞曼! 壁g ! a b s 弧c t a b s t r a c t ：n ”r e c o v e r yo fw a s t eh e a ti si m p o r t a n tf o rc o n s e r v i n gt h ee n e r g ya n d p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ae o m p l i c a t e dp h y s i c a lp r o c e s si n c l u d i n gh e a ta n dm a s s t r a n s t b ra n dp h a s ec h a n g et a k e sp l a c ei nt h ec o n d e n s a t i o nh e a te x c h a n g e rw h e nw a s t e h e a ti sr e c o v e r e df r o mw e tf l u eg a s t h em e c h a n i s mo fc o n v e c t i v ec o n d e n s a t i o nh e a t t r a n s f e rf o rm i x t u r eg a sf l o w i n go v e raf i n n e dh o r i z o n t a lt u b ei ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i sp a p e r s e v e r a lp a r a m e t e r si n f l u c t i n gt h ec o n d e n s a t i o na r e s t u d i e de s p e c i a l l y ，i n c l u d i n gt h ef i n a n da l s ot h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no ff i l mi s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sr e b u i l ta n dt h ef e a s i b i l i t yt e s to nt h en o n - f i n n e dt u b ei s p u tu p s o m ev a p o ra n da i rf l e et a k e ni n t ot h es y s t e mt oc h a n g et h ev e l o c i t yo ft h ef l o w a n dt h em a s sf r i c t i o no ft h ev a p o ri nt h ee x p e r i m e n t s t h ee f f e c t so ff l u eg a sv e l o c i t y , f l u eg a st e m p e r a t u r e ，e n t r yt e m p e r a t t t r eo fc o o l i n gw a t e ra n dn o n - c o n d e n s a b l eg a s c o n t e n to nc o n v e c t i v ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ra l es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y 曩特e f f e c t o f f i no nc o n d e n s a t i o ni ss t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t s t h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ec o n d e n s a t i o no nt h e s i d e w a l lo ft h ef i na n do nt h et u b es u r f a c eb e t w e e nt h ef i n s am a t h e m a t i c a lm o d e l d e s c r i b i n gc o n v e c t i v e c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r i s e s t a b l i s h e d 秘砣t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nt h ef i n n e dt u b ei ss t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h es i d e w a l lo ft h e f i n t h ei n t e r a c t i o no ff i l mi sc o n s i d e r e d n 地d i s t r i b u t i o no ft 1 1 ef i l mt h i c k n e s so nt h e s i d e w a l lo ft h ef i ni so b t a i n e d n l eh e a ta n dm a s st r a n s f e ro fm i x t u r eg a si sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h eq u a l i t yo ft h ec o n d e n s a t ei sc a l c u l a t e db yu s i n gm a t l a b a n d m a t h e m a t i c a t h e o r e t i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l ei ng o 蕊a g r e e m e n t ，s ot h e m a t h e m a t i c a lm o d e li sr e a s o n a b l e t h et h i c k n e s so fl i q u i df i l mo nt h es i d e w a l lo ff i ni s b e t w e e n1 0 a n d1 0 - t mf b r1 l l em i x t u r eg a sw i t hm a s sc o n t e n ti nr a n g eo f1 0 一2 7 w h i c hi ss ot h i nt h a tt h el i q u i df i l mc o n d u c t i v eh e a tr e s i s t a n c ec a l lb ei g n o r e di nt h e w h o l eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s k e y w o r d s ：m i x t u r eg a s ：f i n ；c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r ：f i l mt h i c k n e s s ：c o n d e n s a t e c l a s s n o ：t k l 2 4 学位论文版权使用授权书 本掌位论文作者完全了解北京交道丈学有关保留、使用学使论文的规定。特 授权北柬交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用彩印、缩印或扫描等复制手段豫存、范编以供查阅和借阚。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 僳密的学位论文在解密螽逶用本授权说嘲) 学使论文佟者签名： 春孰 i 签字露赣：如弯冬，蜀，7 习 导筛签名； 签字目期：钞叼年浮弼f 7 西 j e 立銮道盔堂亟堂焦盈塞独创丝虚嘎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳 觐签字日期：加7年，月，7 日 致谢 薅年半的时闻转瞬即逝，磅究生的学习除段帮将终袁。僵是这嚣年半麴学习 和生活将会是我一生美好的回忆。本论文的正作烂在我的导师贾力教授的悉心指 导下完成的，导师不知疲倦的工作热情、严谨的治学态度和科学的工作方法给了 我极大的帮助鞠影确。哥筛煎荡的散入原翔为我傲出了榜样，侵我终身受益。在 此衷心感谢愚爆对我静关心帮指导。 感谢杨立薪老师在论文工作以及生活中给予的指导和帮助，杨老师乐观魄生 活态度以及积极向上的人生观给了我很大启发。在此表示深深的谢意! 感谢刘建华老师在实验工作上给予韵无私的指导! 感瀣实验赛杨繇、张嚣茜两位老拜在生活上绘予静帮勃l 感潦实验室的张田圈、张涛、巴黎明、掇力、李壁、殷龙、李燕、召塔、锷 海婷等同学在课题工作中给予的帮助，在此袭示诚挚的感谢! 感谢杨雁梅同学在理论计算中给予的帮助，非常感谢。 感谢稠友们在我身遍簌熟施陪同、粪诚豹帮助，使我在紧张的学习之佘，能 够嚣心移恢乐，谢谢馁稍l 还要感谢我伟大的父母以及我亲爱的弟弟，延是出于有他们无私的奉献、多 年对我一随支持和数励，才能使我顺利的走到今天。此恩此情，我终生不崽! 感谢各位评阅老师和专家在百忙之巾评阅我的论文! j 迦对，在论文静将藏稿之舔，淘掰有帮驹过我的老簿、嚣学和捌友稻致敬祭 离的谢意l 堑塞褒逢鑫璧爨生堂霪逾 塞 绻途 1 绪论 1 1 研究背繁 1 1 1 烟气余热回收的价值 能源怒国民经济的基础，是综合国力的有机组成部分，也是经济社会全面、 协调、可持续发展的一个重要的制约因素。一般说来，一个国家的国民生产总值 和它的能源消费量大致是成正院的。在现代化生产中，能源是主要的动力来源， 一些发达醋家之所以禽够在短短几千年的时间摄实现现代化，其中一个重要原因， 就是德们都致力予大规模魂开发和合理和阁能源。 丰会韵进步、科技的笈展黻及入生活永平的不断提离，城市居畿对生活条 释和生活环境豹要求也目蘸提离，节熊与环保的意识深入入心。迄今改交能源结 构、改善大气矮量的溺蘧醴雩| 起串国政府和社会各界韵广泛关注。“能源经济与计 划”就是要轿究妇弼合理地弱麓能源”l 。丽经济的发展g l 起畿源供需矛愆磊益突出， 燃料价格不断上涨，节约能源与寻找掰静萄替代能源成为一个遣在藩稳的闯题。 辩往j 0 京将要韬开2 0 0 8 年类运会，为了实现“绿色奥运”，在节能与环保方面雯要 期大力度。“j 京帝环境儇护工佟情况”新闻发布会土键到“造成j 京大气污染兹 一个蛩豢重要瓣污染源裁是煤耀型污染，在控糊赣l 烟燮污染方褥，我 j 采敬静措 旌是积极改善麓源结梅，降羝煤炭熬鸯接消耗，发展溥洁能源，铡螽镁焉天然气、 滚纯气、蠢漕逐鸯一些其它的掰型能源。金枣天然气静镬蠲量在9 8 年鹩露候全年 是3 亿立方米，2 0 0 7 年是4 7 亿立方米，增长了l o 嫠| 2 盂上”。除了瘸能习镁方瑟熬阔 题，出予人 f 】黠自然资源懿恶意野握，导致环境不叛瑟化，环境缣护豹标准越来 越离。因此不健要求咚低接教浓度，还震要减少燔气懿总懿接敖量1 2 j 。霪要改善能 源结构，使用潺法能源。 天然气作为一釉瀵洁黢源，燃烧蓐毂主要产楔是水和二氧化碳，空气矮量霹 以 ：暴到明曼改罄。但是由予其摊熠湿度铰燕，个别超过3 0 0 。c ，以低位发热焦计算 的热效率很少蠢明显越过9 0 的，其与裹低位发热瞧襁差的汽化潜热裁被宠全浪 费，排烟损失可能达n 1 0 - 2 0 。由予天然气的皇要成分是甲烷，燃烧会产生大 量的水蒸气( 占烟气容积的1 5 左右) 。燃烧产生的烟气中的承蒸气被冷凝下来， 同时释放出汽化潜热。回收这部分热量，可以有效提高热能的铡用率；凝结波还 能吸收烟气中的部分酸性氧化物和其它污染物，起到了保护环境的作用i j j 。 业塞黛遂叁堂亟轰堂建浚塞缝迨 利用冷凝回收装置来孵收混会气体孛农蒸气鳃汽化潜热 冀繁终戆源秘保护黟 境，对于豳民经济是具有现实和长远意义的。本课题针对禽湿混合气体( 水蒸气 质嫩分数必1 0 - 2 7 ) 横拣翅片綮时的慰滤冷凝捩热规理遴毒亍实验硬究秘理论分 析，重点分析影响冷凝换热的几个主要因豢以及采用翅片管对于换热的增强程度， 通过理论分析得到对于冷凝换热影瞬很大的翅片管侧壁的凝结液袋的厚度，以期 能够对冷凝换热机理有进步的研究。 1 1 2 凝结的概念 凝结怒蒸汽转变为液态的过程，凝结时放出热爨汽化潜热是可以幂日用的 能爨。凝结设备是最常用的一类传热设备冷凝嚣和换热器【4 l 。当蒸汽与低子该 蒸汽压力下饱和滠度的壁褥接融时，不管蒸汽是饱和的或是过热的，都会发生蒸 汽的凝结过程。如果凝结液体能润滠壁面，则它将在壁面上形成一层连续的液膜， 这样的凝结过程称为簇狡凝结，魏时蒸汽镌显热耩汽纯潜热通过气液分界面经液 膜传给冷却壁面。如果液体不能润湿壁面，将发生珠状凝结过程，即冷凝液以珠 莰经下降落，在降落过程巾带走一蓬小液滴，液滴将逐渐增大僵并不形成连续鹊 液膜。珠状凝结时只有部分冷却表面被液滴覆盖，蒸汽与壤面直接接触，因此换 熬系数显著高予羧状凝结。珠获凝结在缀大程度上依赖予蹩面表瑟条件，两且是 一个十分不稳定的状态。襁工业设备很难蜜现珠状凝结，因此几乎所有的凝结设 备均接簇获凝结瑾论设计翻。 由于膜状凝结应用的普遍性，研究者针对膜状凝结从窳验和理论上展开了大 鳖妁磅究，主要楚镑对影孵貘获凝结鹃主要因素邋毒亍了分析磺究，锈如：不凝毪 气体、蒸汽流速、过热蒸汽、液膜过冷度、表面状况、以及凝结表面的几何形状 等。 凝结基本过程由三个相互独立帛接的予过程构成，形成三个相恩串联的热阻。 营毙，逶避滚动( 瓣滚输送) 秘分子运动( 扩散输送) 蒸汽到达稳：器瑟，克驻气 相热阻；其次，界面处蒸汽凝结，克服界面热阻；最后，凝结热缀液体传导和对 溅输送给冷壁瑟，宠鼹液攘热疆。慧熬毽为蒸汽鞠热毽、器蟊熬辍帮滚稳热蓬之 和，其相对权重随蜜际过稷而异1 4 】。 纯蒸汽熬凝结换热，一般箕抉燕系数帮豢毫。毽是奁缀多篱戮下蒸汽孛会浸 入不凝性气体。如果蒸汽中含有不凝性气体，蒸汽必须克服不凝性气体混合物膜 层产生鳇传质毽力麓能够到达冷凝褒瑟，该鹱质缀力健蒸汽不凝缝气髂戆撬 合气体的温度朝冷凝表面的方向不断降低删。因此，与纯蒸汽凝结换热相比，含有 不凝性气体戆蒸汽是冷凝捩热兹圭簧热疆，歪是气膜热隰镬凝缝换熬系数鞠显酶 2 e鏖褒堡叁翌 亟妻堂焦途 塞 襞盈 低。 含有不凝性气体的蒸汽冷凝，鼹涉及到蒸汽、冷凝液和不凝性气体之问质量、 动爨、能量交换以及相变的复杂过程。两冀，系统愿力、蒸汽过热度、蒸汽流速 和不凝性气体种类殿含量等是影响蒸汽冷凝的重要因素，遮使得蒸汽冷凝换热现 象大大复杂化。 l 。1 。3 强化传热技术 为了在用能设备体积不增加的情况下能够更擞离效合瑷的利用能源，强化传 热技术现在应用得比较广泛。 强化传热技术怒指能照著改善传热性能的节能溯技术，其主要是采用强化传 热元件，改进换热设备的结构，提离传熟效率，莰稀使设备投资和运行费用最低， 以达到生产的最优化。 根掘传热的基本公式q = 嵇t 甜可知，传热量q 的增鸯玎可以通过提高传熟系数 以扩展传热面积只加大传热温差船的途径来实现门。 i ) 舻震传熬面积芦 扩展传热面积以增加传热，不是通过单一地扩大体积泉增加传热面积或增加 设备台数泉增翻传热量，褥应是合淫篼提离萃位体积兹转热瑟积，叛达翻傻换热 设备高效紧凑的耳的。 ( 2 ) 翔大傣热潺差& 改变热流体或冷流体温度就能改变传热温差出，另一方面，改变换热流体之 翔静流动方式，它镌戆传燕溢差遣簸不蘑。 但是增加传热濑差应考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。传热温箍的增 大将壤整个熬力系绫鹁不霹逆毪增麓，降骶了蒸力系统数餐嗣能。 ( 3 ) 提高传热系数 增强馋热夔积掇獾麓憝设法爨褒蒋熬系数。实验证鹄捷对流羧熬系数，j 、豹郡 一项增大，才能更有效地增加传热系数。 垂手侵嗣方溪，秘裕鬣廉曼效莱蠡爵，翅冀终必一罄强纯转热麓方式现在被 广泛的使用，而翅片管能加强传热的原因就是在予在对流换热系数小的- - t l l i n 翅 劈，逶过戳薄翅片瓣方式卷壤鸯羹传热嚣，跌瑟提裹绫走管袭瑟积兔基准黪传煞系 数。 1 2 管外凝结换热的研究现状 戴塞塞烫塞燮亟堂壁缝塞缝途 舀内外对予零课题弱研究，皇要采翅嚣秘方式：理论分板帮实验秘究。理谂 分析一般就是对发生的热力学现象进行分析，针对具体的问题采取一些合理的假 设靼筠他提到物嫂模型，然后根据具体阏题的边爨条 牛囊接求鳞诗算，域卷是瓣 动量能量、传热传质等方程进行适当简化，以便于求解分析。而实验的方法就是 邋过不弼的实验手段褥到所需要的实验数据，针对不同的实验现象进行分辑，褥 别经验或半经验关系式。 国内外针对冷凝换热的研究起于对纯蒸汽在光管管夕 及管内的分橱，然后慰 不凝性气体存在时的冷凝换燕进行研究，针对管的布置方向、位簧以及篱排外的 凝结换热进行了分柝，德到了各种因素对于换热的影响。随着研究的不断深入以 及实际工程的需要，并且由于强化传热技术的广泛应用，开始对不凝性气体存在 时的混合气体在翅片管外隼管内的冷凝进行研究。 1 2 1 光管管外的凝结换热研究 由于珠状凝结是不稳定的，所以工业上的凝结过程都做为膜状凝结处理。膜 狡凝结发生时，慧的换熬燕阻宙蒸汽和液体交赛面上的热阻、凝结液膜煞阻、鳖 面热阻和冷却介质热阻构成i 刀。 凝结理论静磺究始予n u s s e l t | 8 l 对纯蒸汽斡朕状凝结豹研究，缝最先对冷凝液 沿竖平鹫层流时的凝结过程做了理论解析解。在稳态情况下，如果沿高度为l 的 疑直平登上静冷凝液傈耨为屠瀛，麸边弊层镢分方程组霹戳求解出整个骚直平壁 的平均冷凝换热系数，即n u s s e l t 的解为： 脚1 f 莉p ：23 j 1 ( 1 - 1 ) 式中：争重秀黼速度，m s - 2 ； ，汽化潜热，j k 9 1 ； 磊滚髂热导率，w ，m - 1 k 4 ； 所一液体密度，k g r n - 3 ； 韪一滚俸懿褒，m 2 s - ； 五一高度，m ； 一邃纛滠度，k ； 瓦一冷却壁面温度，k 。 嚣n u s s e l t 缮弱其凝续换热系数戆使麓条锌饕鬻苛粼，嚣魏詹入锌霹n u s s e k 皴 蹦的假设做了很多修正，取得了很大的进展，也因此凝结换热的研究才能够继续 翔藏发袋。 毒 b巫楚适鑫黧亟圭堂焦谂塞缝途 蒸汽滚速对凝结换熬过程影响较丈。当蒸汽秘滚膜霹方囱滤动时，巍于蒸汽 凝结时转移到液相而产生的动量转移和由于蒸汽分子的黏性摩擦作用会引起凝结 渡膜的减簿。蒸汽流速越离，液膜厚度越薄，瑟照是液骥中出现局部紊流流动， 这些都有利于增强凝结换热系数 7 1 。p k s a r r n a 等聊研究了纯蒸汽以很高的流速流 避水平管时的问题，采用c o l b u r n 类比的方法来处理冷凝膜层款剪切力，续果与瑷 有实验结采吻合较好。 在实际的换热设备中，蒸汽中不可避免的出现不凝性气体，国内外学者展歼 了对不凝住气体存在时韵凝结换热的研究。当蒸汽中含有不凝性气体时就形成了 混合气体，混合气体的总压力等予蒸汽分压力和不凝性气体分压力之和，当含存 不凝性气体的蒸汽同低予其露点溢度的冷却壁面接触时，紧靠壁黼的蒸汽分子开 始凝结，形成一层凝结液膜。由予蒸汽凝结使壁灏附近的蒸汽分压力降低，而不 凝往气体的分压力刚增大。不凝住气体逐渐积聚在液膜外面，形成一层不凝性气 膜，蒸汽分子必须靠扩散穿过这层气膜才能达到液膜表面进行凝结i7 1 。可见，不凝 稳气幸搴对予凝结豹影响缀大，甚至可能会使凝结枫理都发生交亿，所瑷墩弓| 众多 学者对其进行研究。 谣安交通大学的学者8 0 i 珏】针对承平强管矫膜状凝结羧热进行了大量豹实验和 数值研究，通过赏验和理论考虑了不凝性气体含爨对于凝结换热系数的影响，证 鞠了气骥滠度蘧不凝往气棒含量瀚增热蕊降低，箨显实验逐考惑了壁面建冷度的 影响，但是无论实验还是理论都只是针对含少量不凝性气体的分析，只是对于不 凝缝气体存在嚣壹对冷凝按热兹影响拜始了探索。 t i e j u nw u ，k a r e nv i e r o w | 1 2 】针对蒸汽和不凝性气体的混合气体在水平管外的 凝结进行了实验磷究窥数毽分辑，在实验审混合气薅在管癌流动，逶过管舞静冷 却水进行冷却。数值计算利用了c f d 软件f l u e n t 进行计算。通过实验与理论 辩魄得到不凝往气钵煞存在降低7 黄蒸速率，著藏在其实验条 率下管顼耧的貘热 系数比底部大。 s ，k s o n ，s u n t a n ，c h a k r a b o r t y e b l 分攒了在澄鬟力方尚土，熬率半径举瑟缮翔 的水平管外的不凝性气体对凝结换热的影响，经过计算发现很小麓的不凝性气体 霹以明显戆降低换熬系数。 n u s s e l t 在得出凝结换热系数时还假设了换热蹙面是等温的，而这种等温壁面 豹条嵇实豁上是缀难实瑗瓣。w c w a n g 等l | 4 l 嗣震疆论襄实验稳终会熬方法对裴共 沸的二元混合物猩水平管外的自然对流冷凝换热进行研究。其中混合物是静止的， 势显浍滚动方寅黪壁嚣滠菠是不楣等戆，其中实验窝其撬惑熬理论峻舍较好。逸 就为以后的研究撮出了一个新的切入点。 嚣一魑学蠹逐琴l l 弱热力学戆一些方法躐是在蒸汽流动方囱上遴嚣了实验窝遴 s 垦 基塞适鑫堂亟土堂建逾塞缝途 论款碍究，褥到了壤实可售豹数据，为以爱麴磅究拜踺了毅的道路。 蔡伟华等l l5 j 应用热力举第一、第二定律，采用对流体濑度进行加权平均的方 法，对选定参数的横掠单圆管的流动与换热进行了热力学优化分掇。褥到了管爽、 管外的温度分布图和系统的熵产率分布图。 大连理王大学的刘晓华等16 】f 1 7 1 针对水平管终纯蒸汽沿辘趣滚动时凝结伎热进 行联论和实验研究。根据水平管外蒸汽轴向流动速度随轴向距离的增加而逐渐减 小的流动特性，建立了边界层夕卜蒸汽轴向流动速度方程，通过对数学模型的数值 求觞，得到了无量缁液膜厚度和换热系数的数值解。 吴冬梅【1 8 l 针对混合气体横掠光锗时的凝结换热进行了实验和理论的分砉睡，分 析影响换热的几个燕要的因素，并飘得到了管外液膜厚度的分锫，对凝结换热的 研究做出了定贡献。 从国内外的学者的研究阿戳看出，从n u s s e l t 开始，许多学者对凝结抉热开展 了较深入的研究。无论是实验还是理论，对于光管管外和管内的凝结换热已经进 行了大量静研究，恚要是静对流褡豹流动速度和方向、不凝牲气俸豹含量、是否 湍流、是否等温壁俩等因素对于凝结换热的影响，可以说对于光管管外及篱内的 凝结换燕已经取褥了缀大秘迸震。 1 2 。2 翅待管管外的凝结换热綦开究 磺究各耱传熬避程髂鬣纯蔹零，不仅怒现霞置簸发疑串必须解决麓谍趣，嗣 时也是开发利用新能源和开展研究正作的紧迫任务。因此研究和开发强化传热技 本瓣予发震露民经济鲶意义是分蓬要的。霹戳爱各耱表褥楚理方法穗不瓣静表 面几何形状束增加袭面凝结侧的有效传热系数。而本课题主要是针对翅片这种强 纯镄熬熬方式遂嚣麟究。 山东建筑工程学院崔永章1 1 9 1 针对雷诺数在1 0 0 ，3 0 0 之间的单排翅片换热器中 天然气燃浇产生熬潮气豹冷凝换熬遴行了实验彝瑾论爵究。实验求滋了传熬因子、 传质因子与雷诺数之问的函数关系，实验结果表明实验工况下烟气冷凝传热与传 震誉严掊遴锤裁易簸关系。这羲霹我弱戳菇魏磅突凌塞了一令耨豹诱入熹。嚣采 种芳【2o 】在分析翅片妓表冷器在湿工况下的传热传质过程中得到了类似的结论。他 认为表冷器慰空气遴霞冷帮减湿过程孛苓遽循刘易颧关系。诗算表弱，当怒冀表 面出现凝结时会增加表冷器的冷却能力并影响翅片效率。 幸等多学誊对蘧冀避行磺突主要楚铮对翅片运鼹、蘧冀裹度以及鑫耱形考爰的翅 片袭面对凝结换热的影响。如r a v ik u m a r 等1 2 i 】通过实验研究了r 一1 3 4 在水平翅片 管终冷凝的壤嚣，鬟点分援遽冀毫度对手冷凝换热翡影豌。实验孛选题五搬厚度 6 韭壅鹜蕉 太 堂亟 童堂毽途 塞缝迨 提糊、毫发不同的翅片管，经过实验褥到凌五报管巾高度羧小懿管对滚换热系数 增强的最多，并且翅片效率隧翅片离度的增加而降低。从缀济性考虑，不盘张用 袁翅片的冷凝管。s a t e s h n a m a s i v a y a m 与a d r i a nb r i g g s l 2 2 1 进行了耨盼实验来研究遂 片间距对于强迫对流冷凝抉热的影响。实验选用五根间距从0 2 r n m 刘2 m m 递增的 翅片管。实验中蒸汽流速从2 3 m - 到l o 2n l s - 1 ，鸯很大范豳的热流密度。实验证 明蒸汽流速对翅片管换热系数的增强程度比对普通的管弱。j t m q i d o n g 等涕】针对 1 6 根条状翅片和平投换热器的传热性能和联降特性避行了研究。实验发现传热系 数和压降都随着翅片间距、翘片高度和翅片长度的增加而降低。实验中霆p 的范围 是5 0 0 7 5 0 0 ，工质为空气。但是文中只是考虑了单棚的对流换热，没有涉及相变、 质鬣传递对于传热的影响。 一些学赣开始的研究也是基于对纯蒸汽在翅片上的凝结的研究。左建国等1 2 4 l 大连理工大学的一爨学者对永乎管外酌强化凝结传热视理遂行了分橱，幂j 瓣三维 坐标建立了翅片侧谢的冷凝传热模趔。利用这种方法对水平环翅片单管表颥传热 系数进行了计算，遮对于掇高冷凝换燕的计算精度有着重簧的理论价值和实际应 用意义。但是其计算时认为蒸汽是静止的，且为纯蒸汽，所以有一定的局限性。 s a r m a 等2 5 # 赫1 解决了蒸汽在变换厚度酌翅片上静冷凝，或者是在多孔豹金满翅片 上的冷凝状况。但怒他们的研究主鬻是局限在纯蒸汽上。 s k ，s i n g h 等粒7 1 屣开了对蒸汽嚣力和冷帮承流速对蒸汽在承平遂片管箨凝结静 影响，实验分别针对单管和管排进行了分析，实验数据采用修正的威尔逊方法进 雩亍鲶瑾。实验褥羁辩予实验条 孛下( 蒸汽嚣力在1 0 0 k p a - 2 0 0 k p a 、冷帮求船为 1 2 0 0 0 2 4 0 0 0 ) ，蒸汽压力对于换热系数的影响更大。而对于竖直管排来说，第n 鬏繁与第一壤警换燕系数翁关系为；篮：村堋( 1 - 2 ) h o l 但是该实验没肖考虑不凝性气体对于实验结果的影响，所以结果可能具有一 定弱攘差。 不凝性气体作为对凝结换热影响很大的一个因素引起更多学者的爨视。 m b e l g h a z i 等l 堋嚣婕了黠翅篾警接的探索磺究。铮对纯蒸汽( h f c1 3 4 a ) 以及二 元混合物( h f c2 3 h f c1 3 4 a ) 在水平梯形管排外的冷凝进行分析，主要是得到每 一接敕局部换热系数。实骏申确定了蒸汽的避日澄度，通避改变农滤速度避霉实 验。其实验结果与纯流体襁翅片管柬外冷凝的换热系数的预测模型是相违背的， 丽二元混合气体的冷凝计算基于曲线冷凝模型。 e k s a r m a 等1 2 9 j 入利用传热和传质类比的方法研究了在不凝傲气体存在时竖 直翅片的凝结闯题。并且针对几种特殊情掇等滠的翅片表蘧、不存在不凝性 ， i e 塞 震 堡鑫 堂亟忐堂建逾塞缝途 气体等各秘情况进褥了分辑，还发现了慰母缀薄的翅片来滋，在不等漫懿条终下 翅片上气液界面的滠度随翅片长度的变化而变化。 从上述研究现、拨可知，随着强化传热搜术的兴越，能够菇效利髑毙源豹翅片管 开始被关淀。而对于翅片黪外的凝结换热的研究主耍集中寻找最健的翅片结构， 即对于翅片形状、翅片高度及间距等几何参数的研究。 1 3 本论文主要工作和研究思路 随着强化传热技术的广泛应用，光管镑外的凝结已经不能满足生产生活的嚣 要。结合本课题的研究背祭，本文针对永蒸气质量分数在1 0 2 7 的范围内韵混 合气体横撩翅片管时的凝结换热机邂进行实验研究和理论分析。 翅片管外的对流凝结换热是一个相当复杂的闯题，难点主要体现在：第一， 由予是水蒸气及不凝性气体的混含，这就涉及到传热与传质的祸含问题；第二， 混合气体中的永蒸气在l o 2 7 ，这是含有串等数量不凝健气体的混合气体的冷 凝，其在此范围之内的冷凝机理还没有形成成熟的理论，其液膜的形成以及各个 影蛹因素时凝结换热酌作搦主次稻比于纯蒸汽或怒含有少麓不凝饿气体的混合气 体可能会发生变化；第三，翅片管侧壁的凝结液膜的分稚还不清楚，而凝结液膜 的簿度对予换熬系数影响缀大；蘩圆，簸实验角璇考虑，采用翅片管螽，对于翅 片管侧壁的温度测最也是一个难点。而相比光管来说，采用翅片餐对整体的冷凝 产生豹效莱还需要迸一步鹣研究。 本文主要针对水蒸气质量分数在1 0 - 2 7 范围内的含湿混合气体横掠翅片单 警辩静瑟流冷凝抉热进行磷究。分为实验耢究和毽论分拆辑部分静工作。 实验方面：首先改建实验台，针对管糍温度的测量方法、冷凝液接收装置以 及保温隔离处理逡行了改遴。然瑟翻弱混会气体横稼毙管鹣实验采验证实验系统 的可靠性。实验中利用天然气燃烧产生的烟气作为实验用气体，并根据实验工况 采愿囱涵气串麓入东蒸气潋及空气静方法采改交溅合气俸豹流速戮及承蒸气懿囊 量分数。程实验中主要研究混合气体主流温度、冷却水管壁面温度、混合气体的 流速鞋及窳蒸气懿震量分数等嚣豢对冷凝换熬熬影嫡。著逶过实验分褥采臻蘧冀 管对整体冷凝产生的影响。 理论方霆：投撰翅片簿终豹凝结揍蒸特点，将其分为遂片管镧壁戆凝结襄蘧 片自j 光管的凝结。首先建立数学模烈，利用c f d 方法计算翅片管外光管处以及翅 片铡壁懿瓣滚抉熬系数瑷及渥溲分蛮。然螽分裂钤对趣片铡壁窝逮冀毙管处遂露 分析。在翅片侧壁处对现肖的计算方法进行改进，考虑了凝结液之间的相飘影响， 道避分辑诗算缛到了翅片裂壁熬凝结滚膜厚度匏分毒；套毙管魅避过黉热与传震 8 墨垦壅黧逢态堂亟童望壁途塞缝途 鲍类魄关系遴每诗算，霉剿渗热羧热量。势且铮砖避片管铡壁以及遮片瓣建警韪 的总的凝结液量进行计算，与实验情况相比较。最后研究混合气体流速、管壁温 以及混合气体主流滋度对予凝结波鬃的影响。 空 i i 基銮蠛盔堂亟翌焦鲶塞塞鏊丕筮丝簇錾鬟艟堡 2 实验系统以及数撂处瑾 为了黪够对含瀑混合气髂援掠逶片管辩懿冷凝稳凝遂嚣鼹察薹； 宪，零颦主要 针对此进行了两个阶段的实验光管管外的冷凝实验以及翅片管管外的冷凝实 验。通过建光管管终的冷凝实验砖熬令实验装置秽实验数援瓣测试帮分橱遴学7 可行性论证。然后在已证明为可靠的实验系统上进行翅片管管外的冷凝实验。 通过_ i 行实验褥烈确爽霹信敬实验数撼，鞋蠖对会瀑淫金气髂横撩翅片警时 的冷凝情况进行观察，并对几个主隳影响因素进行分析。 2 1 实验系统 照币霹裹 1 、锅炉2 、耀气势擗役3 、旋满燕象4 、浮予滚擎诤 5 、蒸汽发生器6 、水箱7 ，数据采集系统8 、冷凝液接收装置 卜测温点 嫠2 - 1 实验系统固 f i g 2 一ls c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a ls y s t e m 2 1 1 管路部分 如图2 - 1 所示，实验系统由烟气发生系统( 锅炉) 、烟气加湿系统、冷却水系 绕、实验段、冷凝滚收集以及湿度测量系绞等缝裁。实验簇瘸豹燃气为天然气， 采阁体积约o 2 岔、压力约为1 9 m p a 的储气罐，通过两级减压到约为2 0 0 0 p a ，以 满怒实验中赝属天然气锅炉豹震要。 实验中，利用天然气锅炉燃烧产生的烟气做实验用气体。如图2 1 ，燃烧产生 的烟气在管道中流动，零鞋嬲设置烟气分橱仪以观测燃烧的壤况并虽分摄烟气成分。 塞蛮媲盘璧亟堂焦浚塞塞坠嚣筮墼瑟熬攥丝龚 在实验时，暹过调节过量空气系数，戳使烟气分辑仪溅褥的煺气中c o 会量在 5 0 p p m 以下，因此近似认为天然气在锅炉中完全燃烧。符合实验鬻求的烟气在经 过一个9 0 。c 的拐弯之后进入实验段。两谯进入实骏段之裁烟气震器滚过一段很长 的管道，以便烟气中各种成分能够充分混合。根攒不同的实验工况，在烟气进入 实验段之魏，对其进行加湿以及加冷空气的处理。通过旋转风泵弓l 入冷空气，冷 空气迸入管道之前需要通过转子流量计，以便测赞加入的空气量。利用蒸汽发生 器产生的蒸汽根据实验工况来调节烟气中水蒸气的质量分数。 整个实验系统管道外部包裹1 5 m m 者棉材料，以减小向环境的热损失，并且 能够保证烟气中的水蒸气猩进入实验段之前没有发生冷凝，保证实验的准确性。 幽2 - 2 实验系缆实物幽 f i g 2 - 2p h y s i c a lo f e x p e r i m e n t a ls y s t e m 混合气体进入实验段，烟气横掠翅片管时，农管外被管内的冷却水冷却，其 中部分水蒸气在诧发生冷凝，释放出热量。实验中所用的冷却水需要计量流量， 冷却水通过调节阀门后进入冷却水箱，从水箱上脊管道与翅片管相连，并且管道 豹中心位鬣与翅片管的中心位置农同一水平位置上，以保证冷却水平稳的流入翅 片管内。烟气中的水蒸气程管外冷凝，在安验段底扳下郝通过冷凝液接收装置进 行收集。 冷凝液接收装鼍如图2 3 所豕，为了保证实验的准确性，设计了冷凝液的接收 装嚣。通j 蕊在底板正对实验管豹部分开通菱形凹耩，凹槽是由铣床铣出，深度逐 渐加深，璧很微小的阶梯状，而且凹槽的宽度比管径宽，这样冷凝形成的冷凝液 裁滴落在鞠稽内，缀顺畅豹沿酚梯狡的蹬横向中心聚集，沿中心开孔处流下来， 在下部利用烧杯接收进行称量。 韭瑟窑臻走堂殛圭燮焦逾塞塞墅丕簸丝爨錾攮墼堡 2 1 。2 实验段结构尺寸 实验段即冷凝换热发生的部位，是整个实验系统的重装的组成部分。炭验段 烟气通道结构尺寸如图2 3 所示。蜜验段为宽1 4 3 m m 、高8 0 r a m 、长4 0 0 m m 的矩 形通道。其中，侧爨采用8 m m 、底都采用1 2 m m 钢板焊接而成，为了便于观察翅 片管矫壁赘冷凝情况，顶部采用有机玻璃袄率于科。如图2 3 所示，实验段所布置的 两根翅片管的中心位置相距1 2 0 m m ，并且在同一水甲位置上。 为了防止烟气漉露，程插入蘧琦管后释在管两德通道掰处塞堵保温毒手科，以 保证没有烟气泄露，并阻隔冷却水在进入实验段之前已经被加热，保证实黢的准 确穗。 一岛f 一厂 _ 4 4 ，r t t l ! 一 一 c l r b 鹫2 - 3 实验羧图( 隧) f i g ，2 - 3s e h e n n a t i eo f t e s ts e c t i o n ( m m ) 实验中掰蘑遂簧管蕊绪擒足寸魏表2 1 掰示。 实验主蒙研究单根翅片管外冷凝换热的规律，而实验段处布置两根翅片管是 因为翅气经过一稷篱螽戆漾降太参，两纹嚣溅褥费误差会缀大。为了保 蒌窑验系 统的准确性，在实验段处布置两根管。其中，进行数据处理时，烟气侧总的放热 量等于耀气经_ 蓬两壤警簧敷塞熬曼熬量，翔主簌秀壤管楚冷凝聚释放熬潜燕董， 这部分潜热通过对接收的冷凝液进行称量计算得到。水侧总的吸热量等于流经两 摄管懿冷擦窳瑟带走夔热鬃。对予零实验哭嚣要磷究第一鬏管瓣羧煞褒律，强班 在逃行热平衡计算时，在热平衡式两边分别减去另外一根管的换热量即可。已知 当流传渡经警泰露，无论慧叉接还楚蹶撂，箕第一攘管子敷挟燕获嚣与攮稼孳警 相j 琏邯j ，因此并排布置两根水管对研究第一根管的对流冷凝规律的影响很小，可 以忽略。 韭夏窑塑鑫堂亟堂焦论塞塞墅丕统丝拯錾握处理 2 1 3 测试系统 表2 - 1 翅片管结构尺寸( m m ) t a b l e2 - 1c o n f i g u r a t i o no f t h ef i n n e dt u b e ( r a m ) 测试技术直接影响实验数据的真实性，关系到得出的结论是否可信。尤其是 本实验中，温度的测量至关重要。因此，测试系统是整个实验系统中至关重要的 一部分。实验需要测量参数：烟气进出口温度、冷却水进出口温度、管壁温度、 环境温度、加入冷空气量、冷凝液量、冷却水流量、天然气流量、实验工况运行 时间等。 ( 一) 、测点的布置 根据实验的需要，如图2 1 所示，实验测点布置为： ( 1 ) 燃气管道通过二级减压后设置压力测点和天然气流量测点，用u 形管检测燃 气进入锅炉l j i 的压力； ( 2 ) 烟气刚从锅炉出来的位置设置一个测点，测定烟气的过量空气系数以及c o 含量； ( 3 ) 需要加入冷空气时，在冷空气加入实验段之前先要设置一个测点，测量加入 的空气量； ( 4 ) 在实验所处环境中设置一温度测点，测量环境温度： ( 5 ) 在烟气进入实验段前和实验段出口的位置设置温度测点； ( 6 ) 在冷却水管的进出口位置设置温度测点； ( 7 ) 在翅片管的顶部和底部分别设置9 个温度测点； ( 8 ) 在冷却水管出口位置设置测量测量冷却水流量。 实验设备如表2 2 所示。 ( 二) 、参数测量 实验中需要测量的参数很多，其中可以直接测量出来的已经在实验系统中设 置了测点，而有些参数不能通过仪表测得，也就是间接测量量。如：混合气体流 量、水蒸气的质量分数、实验工况运行时间和觑等。 1 、天然气流量的测量 在燃气管道出口处设置的测点处利用秒表计时测量一定时间之内天然气的流 量。因为此时测量的是实际温度与压力下的流量，需要在计算时利用测得的环境 温度换算成标准状态下的天然气流量。 缝塞窑蜓厶燮亟鐾壁捻塞燕墅瑟筮丛厘錾攒丝理 表2 - 2 实骏设备表 t a b l e2 - 2e x p e r i m e a t a la p p a r a t u st a b l e 缮号 窟验设备 数量 仪器型号器注 1 锅炉1o l b l o o g d 2 膜式燃气裘 lg 霹 溅天然气淡鬃 3 磅称 1 测冷却水流截 4 东镶瀑褒谤s 赣度0 。1 5铜，康铜热电偶 1 8 精度0 5 6数据采集系统lh 玛4 9 7 0 a 7 熬汽发生器 ld z f 3 改变水蒸汽含艇 8 烟气分析仪 le 2 0 0 0 测烟气成分及过量空气系数 9 烧杯 2 接收冷凝液 l o 计算机 lt o p c 5 8 6 l l 瞧瀑农涤 lw e 国9 1 0 5椽定溢度谤与熬电偶及改变冷郏表遴弱温度 1 2 天平 l 用于测量冷凝液质鼙精度0 5 9 1 3 u 型营援力圣 l 潮鏊燃气嚣力 1 4 旋涡风泵 2x f b 1 1 5 浮子流鼙计 ll z b 4 0 2 、过量空气系数瓣测量 在烟气的出口位置设露的测点处利用烟气分析仪测量过量空气系数以及烟气 豹成分。烟气分撵纹如图2 4 爨添。在安验孛在每令王援下都要保涯c o 含量程 5 0 p p r n 以下，此时可以近似认为天然气究全燃烧。测量此时的过量空气系数用来 谤算烟气豹滚量。 3 、烟气流量的确定 善惫采用色落分摄戆方法溅褥实验题用懿天然气成分，如表2 ，3 。 表2 - 3 天然气的色谱分析 t a b l e2 - 3c h r o m a t o g r a p t t i ca n a l y s i sf o rn a t u r a lg a s c h 4 c 2 h 6c 4 h si c 4 1 - 1 1 0n c 小1 0n 2c o ：v k oh l n m 3 k j n m 9 2 0 1 62 0 1 9 5o 6 1 0 20 0 7 4 1 50 0 7 7 61 7 0