（核能科学与工程专业论文）水蒸汽在竖直管内冷凝换热的实验研究.pdf

。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 摘要 本文对水蒸汽在竖直换热管内凝结换热进行了实验研究。在四个不同 管内入口蒸汽压力( 0 0 6 2 m p a 、0 1 0 3 m p a 、0 1 4 3 m p a 和0 1 9 8 m p a ) 下分别 对光管、波槽管及螺纹槽管进行了管内冷凝换热实验：用管内插双螺旋弹 簧的方法在较高蒸汽参数条件下，对管内凝结换热进行了实验探讨。 实验结果表明：在实验冷却水流量范围内，波槽管的管外换热系数h 。 及总传热系数k 在上述四个实验蒸汽压力下均不同程度的高于光管在同样 条件下所对应的换热系数；当换热管入口蒸汽压力较低( o 0 6 2 m p a ) 或接 近大气压( 0 1 0 3 m p a ) 时，波槽管和螺纹槽管的管内凝结换热系数h ；均高于 同样压力下光管的h ；。当入口蒸汽压力为0 1 0 3 m p a 时，波槽管的管内凝 结换热系数h i 较光管平均提高了1 0 3 2 ，螺纹槽管的管内凝结换热系数 h 较光管提高了1 1 4 0 。当管内蒸汽压力较高时，这两种强化管的管内 凝结换热系数均低于光管，在实验冷却水流量变化范围内，当入口蒸汽压 力为0 1 4 3 m p a 时，螺纹槽管的h 是光管的8 3 9 0 ；当入口蒸汽压力为 0 1 9 8 m p a 时，波槽管的h 是光管的8 1 8 4 。 对加装双螺旋弹簧插入物的竖直换热管内冷凝实验的结果表明：当入 口蒸汽压力为0 1 4 3 m p a 时，在实验冷却水流量变化范围内，采用双螺旋弹 簧插入物的光管较普通光管的管内凝结换热系数h ；提高了约1 5 2 5 ，而 总压降约为光管的8 1 倍。 针对余热排出系统中蒸汽入口处换热管外壁面局部温度过高而引起的 结盐问题，本文提出了一种在换热管蒸汽入口加装套管的方法加以解决， 并通过实验对这种方法进行了验证。实验结果表明此方法有效可行。 关键词：管内凝结：强化换热；余热排出：波槽管；螺纹槽管 双螺旋弹簧：套管 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fs t e a mc o n d e n s a t i o ni n s i d eav e r t i c a l t u b ew a sc a r r i e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i si n - t u b ec o n d e n s a t i o ne x p e r i m e n t w a so p e r a t e do nf o u rd i f f e r e n tc o n d i t i o no ft h ei n l e ts t e a mp r e s s u r e ( o 0 6 2 m p a 、o 1 0 3 m p a 、o 1 4 3 m p aa n d0 1 9 8 m p a ) w i t h i nb a r et u b e 、c o r r u g a t e d t u b ea n d s p i r a lt i n t e dt u b e t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c ean e wt e c h n i q u eo f p u t t i n gah e l i xs p r i n gi n s e r ti nt u b et oe n h a n c e t h ei n - t u b es t e a mc o n d e n s a t i o n t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ss h o wt h a tw i t h i nt h er a n g eo f t e s t ，t h ec o o l i n gw a t e rc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n th o a n dt h et o t a l h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tko fc o r r u g a t e dt u b ea n ds p i r a lf l u t e dt u b ea r eb o t h h i g h e rt h a nt h a to ft h eb a r et u b eo nt h ef o u rd i f f e r e n ts t e a mp r e s s u r ec o n d i t i o n s a b o v e ；w h e ne n t r a n c e ds t e a mp r e s s u r ei s b e l o wo rc l o s e dt oa t m o s p h e r i c p r e s s u r e ，t h eu s i n go fc o r r u g a t e dt u b ea n ds p i r a lt i n t e dt u b ec a ne n h a n c et h e c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t w h e ne n t r a n c e ds t e a mp r e s s u r ei s o 1 0 3 m p a ，t h ec o r r u g a t e dt u b e sc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f l c i e mh i n c r e a s eo f1 0 3 2 c o m p a r e d 晰t l lt h a to fb a r et u b e ；t h es p i r a lt i n t e dt u b e s c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n th ：i n c r e a s eo f11 4 0 c o m p a r e d w i 恤t h a to fb a r et u b e ；o nt h ec o n d i t i o no fh i g hs t e a mp r e s s u r e 。t h e s et w o e n h a n c e dt u b e s c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t h - i s l o w e rt h a nt h a to f b a r et u b e ，i nt h er a n g eo fc o o l i n gw a t e rf l o w ，w h e nt h ee n h a n c e ds t e a m p r e s s u r ei so 1 4 3 m p a ，t h eh ，o fs p i r a lt i n t e dt u b ei sa b o u t8 3 9 0 o ft h e b a r et u b e s h j ；w h e nt h ee n t r a n c e ds t e a mp r e s s u r ei s0 1 9 8 m p at h ec o r r u g a t e d t u b e s 啊i sa b o u t8 1 8 4 o f t h eb a r et u b e s 啊 t h er e s u l to ft h eh e l i xs p r i n gi n s e r t se n h a n c ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ns h o w s ：w h e nt h ee n t r a n c e d s t e a mp r e s s u r ei s 0 14 3 m p a , t h eh ，o ft u b ew i t h i nt h eh e l i xs p r i n gi n s e r ti sa b o u t15 2 5 h i g h e rt h a nt h a to f b a r et u b e ，b u tt h et o t a lp r e s s u r ed r o pi sa b o u t8 1t i m e so f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h eb a r et u b e i nt h er e s i d u a lh e a tr e m o v a ls y s t e m ，t h e r ei sap r o b l e mt h a tt h e t e m p e r a t u r eo ft h eh e a tt r a n s f e rt u b e s s u r f a c ei s t o oh i g ht ob e g e tas a l t a c c u m u l a t i n gp h e n o m e n o no nt h et u b e s s u r f a c e t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，a n e wt e c h n i q u eo fi n t r o d u c i n gat u b ei n s e r ti s b r o t l g h t f o r w a r di nt h i s d i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：i n t u b ec o n d e n s a t i o n ；e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r ；r e s i d u a lh e a t r e m o v e ；c o r r u g a t e dt u b e ；s p i r a lt i m e dt u b e ；h e l i xs p r i n gi n s e r t ；b u s h i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：躺嗣 日 期2 叼年f 月p 日 哈尔滨下程大学硕十学佛论文 第1 章绪论 1 1 概述 冷凝器作为蒸汽动力装置以及核动力装置中不可缺少的重要设备，其 传热性能的优劣对整个装置的安全可靠运行有着重要的影响。作为冷凝器 的关键部件之一，冷凝换热管的强化换热成为冷凝器小型化及提高冷凝器 换热效率的关键问题之一。 近年来国内外对于各种强化换热管( 简称强化管) 做了大量的研究、 开发工作。其中研究比较成熟的有螺旋( 纹) 槽管、横纹管及波槽管等。 根据调研资料表明，这几种强化管在管外冷凝的情况下，可以得到比较理 想的强化换热效果“7 ；但是，尚未见有这几种管型在管内冷凝方面的研 究报道。实际上，在许多工程及化工领域中，换热器所采用的凝结方式为 管内冷凝，如滑油加热器、空冷式冷凝器、余热排出换热器、空调及制冷 等。因此找到一种适合管内凝结的强化管或强化方式对于提高此种冷凝器 的换热效率是很有意义的。 与管外冷凝不同，在管内冷凝的过程中，蒸汽和凝液的流动受到流道 尺寸的限制，蒸汽在管内凝结的过程相对复杂，一般出现的都是膜状凝结 而很难实现滴状凝结“1 。 影响管内蒸汽及凝液流动的因素主要有三个：即重力的影响，汽液界 面剪切力的影响，冷凝液表面张力的影响。换热管在水平布置和竖直布置 两种情况下，这三个因素对于蒸汽凝结的影响也各不相同。 当冷凝换热管水平布置时，管内蒸汽和冷凝液的两相流动的流型大致 可以被划分为重力控制和剪切力一表面力控制两类，分别以分层流和环状流 为代表。在重力作用下，冷凝液聚集在换热管的底部，从而引发了汽液两 相的分层流动，蒸汽在换热管上部凝结，凝液在换热管底层形成了明渠型 流动；而剪切力和表面张力则促使凝结液在管壁圆周方向上的均匀分布， 也就是促进了流型向环状流动发展。由此可以看出，对于管径比较大的换 热管，重力对于凝结换热的促进作用是十分明显的。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 与换热管在水平布置的情况不同，当蒸汽在竖直布置的换热管内自上 而下流动时，蒸汽与凝结液在管道中的两相流动基本为环状流动而不存在 分层流的现象。这是因为重力的方向是沿换热管轴向的，与凝结液的流动 方向一致。所以重力对于冷凝的作用只限于加速凝结液的流动，减薄凝液 液膜厚度，从而对增强凝结换热起到促进作用。 由此可见，在冷凝器中换热管的布置方式会直接影响到蒸汽在管内的 凝结换热情况。 1 2 管内凝结换热的研究进展 根据查阅资料的情况来看，管外凝结换热的文献资料很多，有关管内 凝结换热的相对较少，而且管内凝结的研究主要侧重于水平管内凝结。从 研究所用的工质来看，目前对于水蒸汽工质在管内凝结换热的研究相对较 少；大多数的研究主要集中于r 2 2 、r 1 1 3 等在空调、制冷领域应用较广的 有机物工质，其文献资料较多，研究较充分。这些有机物工质管内凝结的 研究成果和研究方法可以对水蒸汽工质在管内凝结换热的研究起到一定的 指导、借鉴作用。 ， 1 2 1 国外对于管内冷凝的研究 在受迫对流的水平管内冷凝系统中，蒸汽的流速对于换热效率的影响 比较明显，而蒸汽的流速又受到换热管内壁凝结下来的凝液的凝结速率的 影响。在低凝结率下或在短管内，由于蒸汽流速较低，凝液处于分层流动。 c h a t 0 对这个问题进行了一系列的研列”，对r 一1 1 3 的流动过程和传热过程 进行了实验研究，在蒸汽r e 数比较低( r e 3 5 0 0 0 ) 的情况下，得到了以下 公式： 5 5 5 陋丝：丝纠“( i - i )。 l i l a t d j i 式中：曩一管内凝结换热系数，w ( m 2 k ) ； g 一重力加速度，m s 2 ； y 一汽化潜热，j k g ； 九一液体导热系数，w ( m k ) ； 见一液体密度，k g m 3 ； 风一汽体密度，k g m 3 ： 豇，一液体动力粘度，p a s ； d ；一换热管内径，i l l ； 口一蒸汽与壁面间的传热温差，k 。 c h a t o 也研究了换热管在与水平方向成一定倾斜角时所产生的影响， 发现在管子与水平方向上的倾斜角度为1 0 。到2 0 。的情况下，凝结换热系 数最多能增加1 0 到2 0 ，他所提出的分析结果与实验数据符合得很好。 当凝结量较大或者换热管比较长时，流动工况变为带有蒸汽核心的环状流， 在更高的蒸汽流速下，蒸汽核心还包含有小液滴所形成的雾。 a l t m a n 、s t a n b 和n o r r i s 提出了计算高蒸汽流速区冷凝换热系数的分 析方法“1 ，导出了一组隐函数方程，这个方程组在每一种情况下都要联立 求解。他们采用r - 2 2 作为工质对这种分析方法进行了实验验证，实验数据 与分析结果的相对偏差在1 0 到2 0 之间。 a k c r s 、r o s s o n 研究了同样流动状态下的冷凝”1 ，把在比较宽的范围内 的实验数据综合为下式： 丢= 0 0 2 6 p r l ”* 小皖 o 。 m z ， 上式偏差为5 0 。 式中：肌一液体普朗特数； 乱一液体导热系数，w ( m k ) ； 见一液体密度，k g m 3 ： 岛一汽体密度，k g m 3 ； a ，一液体动力粘度，p a s ； d 一换热管内径，m ； q 一液体流速，k g ( m 2 s ) 。 q 一汽体流速，k g ( m 2 s ) 。 r y o t a x ol z u m i 、t s u n ei s h i m a r u 和w a r a r u a o y a g i 等人研究在不同热负 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 荷及冷冻剂质量流率条件下，r 一1 2 的传热和压降情况”1 ，发现传热的热阻 取决于水平管内的表面凝液层的厚度，而且主要受冷冻剂流量和流型的影 响。当流型为层流时，总传热系数随冷凝温度和管径的改变而改变，得到 的关联式可以估算出压降，误差在1 5 之内。 l m z y a i n am o l o z h e n 、i ns o s k o v a 和v bm i t e n k o v 等人对压力为5 0 2 0 0 k p a 、蒸汽流速为l o 1 5 0 m s 范围内的水平管内蒸汽冷凝进行了实验研 究，得出了相应的关系式和图表。1 。 b e l lj 、t a b o r e kj 和f e n o g l i of 等参照在水平管内冷凝现象的汽液流动 情况，构造了b e l l 流型图以评价那些可用的关系式“，借以描述以恒定 质量流量进行冷凝或蒸发过程中的流型变化趋势。 vb k h a b e n s k i y 、vs g r a n o v s k i y 和p ja m o r o z o v 对水平或倾斜放置 的管内分层两相流的冷凝现象进行了分析1 ，表明了求解的方法及初始条 件的选择受操作条件的控制，指出早先的有关文献报道适用范围有限或有 不同程度的误差。 a k i r am u r a t a 、e i j ih i h a r a 和t a k a m o t os a i t o 对水平通道内汽液界面上 的传热进行了实验研究“，结果表明界面上的波纹的存在强化了换热，因 为流道内凝结液的剧烈湍动使界面处涡流黏度受到影响，所以数值分析的 结果要比实验结果稍低。 k e n i c h ih a s h i z u m e 、h a s h i z u m e 、n o r i m i t s ua b e 和t o s h i a k io z e k i 对水 平管内冷凝时接近流道出口段的凝液过冷现象及换热性能低下的现象进行 了研究“”，提出了相应的数学模型，发现实验数据与模型吻合得很好。 a j r a b a s 和p g m i n a r d 发现在水平管内完全冷凝的流体流动呈现两种 不稳定性“”。一种是凝液呈环状流时发生的流动不稳定，热电偶示值表明 离开换热管道的冷凝液的最高温度始终没有达到其饱和温度；还有一种流 动不稳定情况发生在凝液流型突变或呈塞状流时，热电偶示值表明分层进 入管道的蒸汽在管道的末端完全冷凝并以液柱的形式排出。 s c h l a g e r 等人用r 2 2 做了光管( 外径9 5 2 m ) 和相同外径螺纹管的压降 比较实验“，结果发现在质量流速为2 0 0 k g ( m 2 s ) 4 0 0 k g ( m 2 s ) 的范围 内，螺纹管的冷凝压降比光管增加了5 0 8 0 。 k t o r i k o s h i 等人对r 1 3 4 a ，r 2 2 及r 3 2 r 1 3 4 a 的混合物在水平管内的传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 热和压降特性进行了研究“”，并就r 1 3 4 a 、r 3 2 管内压降与r 2 2 进行比较， 发现由于r 1 3 4 a 的汽体密度较小，它的压降比r 2 2 大4 0 ：r 3 2 汽体密度较 大，它的压降比r 2 2 小约2 0 。 d o e r r 对r 2 2 ( 1 0 ) 和r 1 2 5 ( 4 0 ) r 3 2 ( 5 0 ) 质量比混合物在内径 9 5 2 m m 光管内的冷凝压降进行了比较实验“”，发现在饱和温度为3 0 ( 2 ， 质量流速为1 2 5 k ( m 2 s ) 时，混合物冷凝压降与r 2 2 相当，而在更高质量 流速时，混合物的压降比r 2 2 低2 0 到3 0 。 1 9 9 4 年，e b i s u 和t o n k o s h i 第一次提供了r 4 0 7 c 管内冷凝对流换热系 数的值“”，他们的实验数据表明，r 4 0 7 c 在水平管内凝结换热系数比r 2 2 大约低4 5 。u c h i d a 啪1 和w a n g o ”的结果也得到了类似的结论。 1 9 9 5 年，e b i s u 和t o n k o s h i 发表了研究空气冷却式冷凝器中r 4 0 7 c 的 传热过程的结果。”，他们发现，对于叉一逆流式空冷换热器，r 4 0 7 c 的传 热系数与r 2 2 差不多；然而，对于叉一顺流式换热器，r 4 0 7 c 就比r 2 2 的 换热差很多。 1 9 9 5 年，s h a o 和g r a r r y d 对于r 4 0 7 c 与r 2 2 冷凝换热情况进行了比较 。“，冷凝实验管为内径6 m m ，外径8 m m 的铜光管，入口微过热，出口微过冷， 并用s o l i m a nf r o u d e 数( s o l i m a n1 9 8 2 ) 对流型转换区进行了区分。实验结 果看出，随着质量流速的增加，r 4 0 7 c 的凝结换热系数一直增加，而r 2 2 在质量流速小于2 7 0 k ( m 2 s ) 时，换热系数基本不随质量流速变化，质量 流速大于3 0 0 k 趴m 2 s ) 时，r 4 0 7 c 的换热系数比r 2 2 高。 t n t a n d o n 等人对于r 1 2 和r 2 2 水平管内的凝结换热进行了进一步定 量研究。“，并对实验现象作出了解释。认为其它条件相同，高质量流速下 凝结换热系数大，这是由于高质量流速下对流强烈的原因：高含气率下， 换热系数大是由于大含气率下凝结液膜比较薄，随着凝结过程的进行，液 膜逐渐加厚，凝结换热系数也就逐渐减小在早期文献中推荐的换热系数 半经验关系式a k e r s - r o s s o n 关系式在环状流及半环状流区与实验数据符 合的很好，而且此关系式不仅限于这些流型区。 w i j y a 和s p a t z 对r 2 2 和r 4 1 0 a 在外径为9 5 2 m m ，长3 6 6 m 光管内的 凝结换热及压降特性进行了实验研究汹1 ，比较实验结果后看出：在质量流 速为1 6 0 k ( m 2 s ) 4 1 4 k g ( m 2 s ) 范围内，r 4 1 0 a 比r 2 2 冷凝压降低2 5 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 4 5 。 。h a l i mw i j a y a 和m a r kw s p a r t z 对于r 2 2 和r 3 2 r 1 2 5 管内冷凝压降进 行了实验研究1 。冷凝实验管内径为7 7 5 咖，外径为9 5 3 m m ，长3 0 5 m ， 冷凝温度分别为4 6 1 和5 1 7 ，冷凝入口平均干度为0 8 7 ，出口的干 度为0 2 5 ，质量流速范围为1 6 0 k g m 2 s 5 6 1 k g m 2 s ：实验结果显示， 随着干度和质量流速的增加，两种制冷剂的压降均增加；随着冷凝温度的 升高，压降降低；相同质量流速下，r 3 2 r 1 2 5 的压降比r 2 2 低2 5 4 5 ， 分析原因是r 3 2 r 1 2 5 混合物的汽体密度远大于r 2 2 ，而汽体密度越大则压 降越小。 s a m u e lm s a m i 和b e r t r a n dp o i r i e r 对制冷新工质r 4 1 0 a 、r 4 1 0 b 、r 5 0 7 及r 3 2 r 1 2 5 r 1 4 3 a r 1 3 4 a 的混合物的传热性能及流阻特性进行了实验研 究，结果发现r 5 0 7 比其他制冷剂的换热系数都低，而且其压降也最大。 1 9 9 8 年g u r s a r a n d m a t h e r 对于r 2 9 0 管内凝结换热系数进行计算，并 和r 1 2 、r 1 3 4 a 管内凝结换热系数做了比较旧1 其所用的计算关系式是以 往文献中所推荐的标准关系式，这些关系式和纯r 1 2 ，r 1 3 4 a 冷凝换热的实 验结果吻合较好。计算时所取的冷凝温度为3 7 8 和4 8 9 c ，管子外径为 9 5 3 m m ，壁厚为0 6 4 m m ，质量流速范围为5 0 8 0 0 k g m 2 s ，计算结果发 现碳氢化合物的凝结换热系数比r 1 2 ，r 1 3 4 a 高的多，平均冷凝换热系数比 r 1 2 高2 0 0 至1 j2 3 3 ，比r 1 3 4 a 高1 7 7 至1 j1 8 7 。 1 2 2 国内对于管内冷凝的研究 清华大学的谢旭斌、王维成和王栋以i - i f c l 3 4 a 和h c f c 2 2 为工质对光 管及两种不同槽型的强化传热管( d a e 一2 管与d a e c 管) 的水平管内凝结换 热进行了对比实验研究啪1 。研究发现，d a e 一2 管平均换热系数比光管提高 了1 4 0 1 7 0 ，而单位长度阻力损失增加了5 0 1 0 0 ，d a e c 管平均 换热系数比光管提高了1 6 0 2 0 0 ，同时单位长度阻力损失增加了7 0 1 3 0 。给出了d a e 一2 管和d a e c 管平均换热系数及阻力损失的计算关 联式，可用于冷凝器设计。 大连理工大学的尹铭、陈嘉宾和马学虎对水平管内低压水蒸汽冷凝现 象进行了实验研究m 1 。考察了冷却水流量、温度恒定条件下热流密度、蒸 哈尔滨工程大学硕士学位论文 汽压力、蒸汽流速对冷凝换热系数及总传热系数的影响关系，同时考察了 总传热温差、蒸汽进出口温差及压降随热流密度变化的关系。他们得到的 结论主要有： ( 1 ) 水平管内低压蒸汽冷凝过程与常压条件下蒸汽冷凝过程相同，管内 冷凝换热系数、总传热系数随热流密度、蒸汽压力的增大而增大，但热流 密度、蒸汽压力对低压蒸汽冷凝有着更为显著的影响，冷却水流量对其影 响并不明显。实验范围内汽液界面热阻不可忽略，且其对冷凝换热过程的 影响随蒸汽压力的增大而减弱。 ( 2 ) 水平管内低压蒸汽冷凝的管内冷凝换热系数大于n u s s e l t 理论计 算值。表明蒸汽动能和凝液重力势能相对大小的参数玎对其有显著影响。 吴晓敏、王晓亮和王维城为研究微肋管结构尺寸及工况等对水平布置 换热管管内流动冷凝性能的影响，采用r 2 2 为工质对4 种结构的微肋管和 1 根中9 5 2 哪壁厚0 2 6 衄的光管进行了实验“”。根据实验结果分析了质 量流速、微肋结构尺寸和管径等对冷凝换热性能的影响。实验结果表明， 两根0 9 5 2 m m 微肋管的换热系数分别比光管提高了9 0 和1 2 0 乡6 ，而其 内表面积只比光管增加了4 0 和7 0 。 重庆大学陈清华、崔文智和辛明道等人为了得到不同流型下的换热性 能，以r 1 3 4 a 为工质对两种不同微肋几何结构的三维水平内微肋管进行了 实验研究。“”1 ，通过可视化措施对流型及其转换进行了观测。结果表明：在 s o l i m a n 流型图上，三维内微肋管环状流的分界线较之于光管向左平移了 一段距离，即环状流与波状流的转换判据由付鲁德数等于7 减小到付鲁德 数等于2 。在较低的蒸汽流速和较低的干度下，三维内微肋管仍能维持环状 流的状态。环状流区的实验数据回归的换热关联式与实验值的最大偏差在 2 5 以内。同时，他们通过改进加工方法后开发出了一种新型水平三维内 微肋管。并采用该管型以r 1 3 4 a 为工质进行了管内凝结传热实验。将实验 得到的局部换热系数与相同工况下s h a h 的水平光滑管内凝结换热关系式 的预测值进行了比较，结果在该实验质量流速范围内，该三维内微肋管的局 部凝结换热系数( x = o 6 时) 是光管的1 7 3 倍，平均强化比为2 2 。 西安建筑科技大学的南晓红、郭亚军和刘咸定用实验与关联式理论计 算对比的方法，研究了丙烷r 2 9 0 在外径为9 5 2 m m 的水平铜光管、内螺纹管 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 及内交叉肋管内的冷凝换热特性“。从实验结果得出结论：在质量流速高 的范围内，内交叉肋管的冷凝换热系数有较大的提高，其换热系数高于同 外径的实验内螺纹管，因此有其较好的冷凝应用的前景。 与水平管内凝结的研究相比，竖直换热管内凝结的研究目前相对还比 较少。 王建国、马学虎和陈嘉宾通过不互溶物系蒸汽在竖直管内降膜冷凝的 实验研究测得了蒸汽的上升极限汽速。”。建立了不互溶物系蒸汽冷凝上升 极限汽速的数学模型。并且又通过实验，研究了管端斜口对竖直管内不互 溶蒸汽冷凝液泛气速的影响，并给出了经验关系式啪1 他们通过实验发现 垂直管管端斜角可以提高液泛气速，7 5 。斜角将液泛气速平均提高了5 7 ；6 8 。斜角将液泛气速平均提高了3 9 ；斜角较大的情况下允许的液泛 气速较大。管端斜口对竖直管内不互溶蒸汽冷凝液泛气速的影响程度可用 下式进行计算。 一 ，= c o s 。o 似，_ ，( 卜3 ) 式中：口一管端斜角角度； ，一管端斜角为口时的液泛气速，m s ； ，一管端无斜角时的液泛气速，m s 。 陈海燕、陈玉宙和张忠岳在汽液两相分离流动模型的基础上，建立了 垂直管内蒸汽冷凝回流阻液分析模型o ”。并用该模型对单根u 型管管内蒸 汽冷凝回流实验参数下的阻液起始点进行计算，计算结果与实验结果符合 较好。分析模型还与现有分析模型和经验关系式进行了比较，结果表明， 本模型与d u l d e r s m i t h 关系式符合较好。而与k u t a t e l a d e z 关系式和其它 分析模型的偏差相对较大。 清华大学的王补宣，杜小泽对于蒸汽在细圆管内的凝结换热特性做了 比较系统的一系列研究。主要包括：蒸汽在变壁温竖直细圆管内的流动凝 结换热特性。”，细圆管内流动凝结换热的流型研究。”，细竖管内流动凝结 液膜的稳定性分析“”，水平和竖直细圆管内流动凝结换热特性的对比研究 。他们得出的主要结论有：( 1 ) 在重力、表面张力与粘滞力共同作用下， 水平细圆管内流动凝结的两相流型界于水平分层流和环状流之间；随干度 x 的降低和管径d 的减小，重力的作用受到削弱，而表面力和剪切力的作 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用得到加强，界面的弯曲变得明显，逐步接近环状流动：( 2 ) 对于流动凝结， 细圆管由竖直改为水平放置时，管内换热得到强化；( 3 ) 水平放置时，细圆 管内的流动凝结换热随管径的减小而得到强化，但强化的程度比之竖直条 件下削弱。 从调研情况来看，目前对于换热管在竖直布置条件下水蒸汽管内冷凝 的研究还比较少。而在许多工程应用中，如滑油加热、余热排出及化工领 域等，都应用到了立式管内凝结换热器，所以，对于水蒸汽竖直管内冷凝 的研究很有必要。 1 3 管内冷凝在非能动余热排出换热器中的应用 随着近些年科技的进步和工业水平的发展，提高冷凝效率和冷凝设备 小型化的问题日益受到关注。特别是在船舶核动力装置方面的应用。由于 核动力装置安全的需要，使得对核动力装置中设备可靠性的要求越来越高。 近几年在第三代、第四代反应堆的开发设计中提出了一个非能动的概念， 即不依赖外界能源而完全依靠装置中工质的密度差和重位差而实现工质的 循环以确保和装置的安全性。按照这种概念所设计的核动力装置，可以比 以往的装置更加安全、可靠性更高。 目前国内外设计反应堆余热排出系统，强调的就是反应堆的安全。反 应堆在停堆后一段相当长的时间内，由于剩余裂变和裂变碎片的衰变而产 生余热。这种剩余发热量还相当可观，通常停堆后采用能动系统，即强迫 循环排出余热，这种排出余热的方式需要消耗泵耗功率。在全船断电或全 厂停电的情况下，这种余热排出系统将无法正常工作。因此，非能动余热 排出系统的设计越来越受到关注，国内在这方面己作了不少努力，并开发 设计了几种带有非能动设计概念的余热排出系统。 清华大学5 m w 核供热站的余热排出系统是由3 个自然循环构成的非能 动式余热排出系统“”。在该系统中，第一个循环为主换热器与蒸发器二次 侧的自然循环；第二个是蒸发器二次侧与空冷器间的蒸发一冷凝循环，这个 循环是蒸发器二次侧产生的蒸汽在空冷器中冷凝成饱和水的过程；第三个 循环是空气与空冷器间的自然循环。在余热排出过程当中，蒸发器二次侧 产生的蒸汽在空冷器的换热管内放出热量凝结成饱和水，并在空冷器中形 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成低压区使蒸汽沿管内流动建立循环。 我国自行开发的6 0 0 m w 级改进型压水堆a c 6 0 0 的二次侧非能动应急堆 芯余热排出系统“”也采用了与清华大学核供热站余热排出系统类似的3 循 环的设计。并且，在蒸发器二次侧与空冷器间的循环回路中加入了应急给 水箱。其流程如图i 1 所示。 1 蒸汽发生器；2 安全阀；3 手动截止阀；4 气动阀；5 热补偿； 6 空气冷却器；7 风机；8 小流量文丘利管；9 v w 5 气动阀； 1 0 v w 6 气动阀；1 1 应急给水箱；1 2 大流量文丘利管；1 3 v w 7 调节阀 图i 1 c 6 0 0 二次侧非能动应急堆芯余热捧出系统流程图 在以上两种余热排出系统的设计中，反应堆余热导出的最终热阱均为 大气，最终热量是由空冷器排出。但空冷器在工作时，需要有风机将大量 的空气吹向冷凝管束中。这样也就消耗了大量的风机功率，并且在突然断 电的情况下空冷器将无法正常工作。 为了确保反应堆在断电情况下系统的安全，防止堆芯烧毁，文献 4 4 ， 4 5 提出了类似三回路自然循环的船用反应堆非能动余热排出系统，其最终 热阱为天然海水。该余热排出系统的特点之一是在第二个循环回路中设置 一台余热排出换热器，采用竖直管壳式结构，海水在壳侧流动，而来自蒸 发器的蒸汽在余热排出换热器管内冷凝，凝水通过蒸汽发生器的排污口流 回蒸汽发生器，构成自然循环回路。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 在目前的研究中发现，由于换热管外的冷却水流速比较低，当来自主 蒸汽管道内的蒸汽参数比较高时，在换热管的蒸汽入口处由于换热负荷过 大就会出现管外冷却水在该处的换热管外壁出现过冷沸腾现象。这种现象 的出现，容易造成换热管上部外侧出现结盐现象，从而影响到换热器的换 热效率及系统的正常运行。 1 4 本论文的主要工作 针对上述这种非能动佘热排出换热器的工作特点，本文试图通过水蒸 汽在竖直布置的光管及几种常用强化换热管内冷凝换热的实验，对余热排 出换热器中换热管的管内冷凝换热强化方式进行研究。另外，通过蒸汽入 口加装套管的方法对换热管外壁面温度特性进行探讨。 本论文的主要工作包括以下几点： 1 水蒸汽在竖直光管管内冷凝换热及压降实验研究； 2 水蒸汽在竖直螺纹槽管管内冷凝换热及压降实验研究； 3 水蒸汽在竖直波槽管管内冷凝换热及压降实验研究； 4 水蒸汽在竖直布置的装有双螺旋弹簧插入物的光管内冷凝换热及压 降实验研究； 5 水蒸汽在加装套管后的竖直管内冷凝换热实验研究，并将其结果与 未加装套管时的结果作比较。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章管内冷凝实验装置及实验方法 2 1 管内冷凝换热实验装置 根据课题研究的需要，作者设计并完善了管内冷凝换热实验装置。该 实验装置主要由蒸汽系统、冷却水系统、测量系统等组成。实验装置流程 图及实验体结构如图2 1 及图2 2 所示。 一冷却水系统蒸汽系统 一一一一辅助冷却水系统 图2 1管内冷凝换热实验装置流程图 2 1 1 蒸汽系统 蒸汽系统主要由蒸发器( 锅炉) 、冷凝实验体、辅助冷凝器( 辅冷器) 、 真空泵、连接管道及阀门等部件组成。它是本实验的主要系统，保证饱和 蒸汽的产生和实验需要以及将剩余蒸汽冷凝排出。现将各部件介绍如下： 一1 蒸发器 蒸发器是由3 0 根功率为8 k w 的u 形不锈钢电加热元件组成，总加热功 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 率为2 4 0 k w ，分别为两组9 x8 k w 加热组件，一组6 8 k w 加热组件，1 组 3 8 k w 加热组件，1 组3 根调压组件。调压组件连线为2 2 0 v 交流电，故此 组组件总功率为8 k w 这样实际最大总加热功率为2 2 4 k w 。实验过程中，初 始加热阶段，一般用两组9 8 k w 加热组件加热，当蒸发器出口蒸汽达到 所需温度后改为一组9 x8 k w 加热组件加热，然后通过调节系统调节到所 需的平衡状态。如果一组9 8 k w 加热组件不能满足加热的要求，则根据 具体的实验要求选取适当的加热模式。蒸发器是整个实验装置中饱和蒸汽 的发生源，由电加热控制柜对加热功率进行调节。 泵 图2 2竖直管内冷凝实验装置图 2 冷凝实验体 单管冷凝实验体壳体为镀锌管，其外径为3 4 m ，内径2 5 4 m m ，实验体 长1 1 5 0 m m 。实验体采用可旋转安装方式，本实验为竖直布置。实验时，蒸 汽在换热管冉自上向下流动；冷却水在换热管与壳体之间的环隙内自下向 上流动。实验管与实验体之间采用石棉绳填充外加紧固压盖密封，以保证 管外冷却水与实验管内的汽水混合物之间的密封。在实验体蒸汽进，出口 处法兰盘侧面均装有测压孔，以测量蒸汽进出口压差。实验体的蒸汽进、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出口及冷却水进、出口处均装有铂电阻温度计用以测温。 1 实验段内实验管采用0 1 6 i 的b 3 0 材料的换热管，有效换热长度为 1 0 2 5 m m 。在其有效换热长度上等距离的取5 个截面，分别在每个截面的管 外壁面上焊接2 对热电偶，一共1 0 对，用以测量换热管的外壁面温度。 3 辅助冷凝器 在本实验中，冷凝负荷随着工况点的不同而不同，这就要求蒸发器中 所产生的蒸汽量也不同。为了减少蒸发器跟踪负荷时在调节上的麻烦，一 般使蒸发器的加热功率大于实验段的最大换热功率，因此蒸发器中产生的 蒸汽量会大于实验管的冷凝能力。过量的蒸汽通过旁通进入辅冷凝器冷凝， 通过调节蒸汽系统管路上的各个阀门开度，以达到并维持所需的稳定工况。 i 号辅助冷凝器由水一水换热器改制而成。1 i 号辅助冷凝器内有1 4 根有效 换热长度为5 5 0m m 的巾1 9 黄铜管，其传热面积为0 4 6m 2 ，壳体采用的是 不锈钢。 实验过程中，蒸发器内的去离子水经电加热元件加热后，会产生一定 压力和温度的饱和蒸汽，工作蒸汽靠自身的压力克服了管道中的阻力，进 入实验体进行冷凝换热，剩余的蒸汽则进入i 号辅助冷凝器和i i 号辅助冷 凝器被冷凝成水，不凝性气体、冷凝水及部分蒸汽，由真空泵抽出排入地 沟。进入实验体前的蒸汽管路外侧均包覆绝热材料，以减少蒸汽在管路中 的散热。 2 1 2 冷却水系统 实验管外冷却水为自来水，流经涡轮流量计( l w l o 或l w l 5 ) 的自来水 通过阀门控制进入实验段。通过对实验管外壁的对流换热冷却管内蒸汽， 最后排入水池。 辅冷凝器的冷却水系统主要由水箱、水池、两台水泵、连接管道和阀 门组成。冷却水泵从水池不断抽水来补充水箱中的水，以保证水箱有恒定 水位。辅冷泵从水箱中抽水为l 号辅助冷凝器和2 号辅助冷凝器提供冷却 水，经过辅助冷凝器以后流出的冷却水流回循环水池，如此循环构成冷却 水回路。冷却水泵还为水环式真空泵提供工作用水。两台水泵均使用 i s 6 5 4 0 2 0 0 型离心清水泵，流量为2 5 皿3 h ，扬程为5 0 m 水柱。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 1 3 测量系统 根据实验研究的需要，需测量以下参数：实验管入口水蒸汽的温度， 出口凝液温度及流量，实验管外壁温度，实验管冷却水进出口温度及流量， 还有实验管内进出口压差。 1 流量测量 本实验体的冷却水流量由涡轮流量计测定，二次仪表用x s j 一3 9 i 型数 字积算仪，涡轮流量变送器型号分别为：精度等级为1 级的l w i o 型( 流量 范围：0 2 1 1 m 3 h ) 和精度等级为0 5 级的l w l 5 型( 流量范围：0 6 4 m 3 h ) 。为防止涡轮被水中杂质卡死，应在涡轮流量变送器前加装过滤器。 另外，还必须保证变送器前后有一定的稳定段，一般入口直管段的长度取 管道内径的2 0 倍以上，出口取1 0 倍以上。 2 温度测量 水蒸汽温度、冷却水进出口温度均用d b w - 2 - b 型工业用铂热电阻温度 变送器( 二线制一体化) 进行测量，铂热电阻温度变送器的热电势用精度 为0 0 5 的d t 9 3 0 f + 型数字万用表进行测量，所用2 0 v 档的分辨率为i m v 。 表2 1 铂热电阻温度计标定 温度计编号温度计回归关系式测量参数 1t = 3 7 2 u - 3 7 0 4 5实验体蒸汽侧入口温度 2t = 3 7 2 3 4 u 一3 7 2 0 1 实验体蒸汽侧出口温度 3 t = 2 4 8 11 u 一2 4 5 7 3实验体冷却水入口温度 4t = 3 7 1 4 7 u 一3 6 9 1 6 实验体冷却水出口温度 注：t 代表温度( ) ，u 代表铂电阻的电压值( v ) 。 实验前对3 根铂热电阻温度计在水浴恒温标定器中用二级标准水银温 度计进行了标定，标定结果如表2 1 所示。 换热管外壁温度通过在换热管外壁表面上焊接热电偶来测量。在换热 管的有效换热长度上按照一定的距离在换热管外壁面上分别焊接了几组镍 铬一镍硅热电偶。 对实验所用的镍铬一镍硅热电偶进行了标定，其标定的曲线如图2 3 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 所示，