（核能科学与工程专业论文）水平管外ptfe涂层滴状冷凝换热实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文在水平布置条件下，对喷涂不同厚度的p t f e 涂层的波槽管和圆 管进行了滴状冷凝实验研究；以滴膜共存的模型为依据对部分实验工况点 作了理论计算；并且从粗糙度的角度分析了冷凝表面状况对冷凝换热影响。 实验结果表明，喷涂质量良好的p t f e 涂层实验管均在表面形成良好的 滴状冷凝，在略高于大气压的条件下，2 5 9 i n 涂层的圆管管外凝结换热系 数为普通光管的6 6 0 7 9 9 倍；2 5 岫涂层的波槽管管外凝结换热系数是 普通波槽管的3 6 1 4 7 2 倍。8 岫涂层波槽管是所有换热管中换热效果最 佳的，它的总传热系数高于普通波槽管5 4 2 0 6 ，高于普通光管 3 5 1 7 5 4 。在1 0 0 小时左右的耐久性实验中，s 姗a 涂层波槽管换热能 力相当稳定。 按照滴膜共存模型，对冷凝压力为7 4 6 7 k p a ( p 2 ) ，管内冷却水流速 为1 2 9 “si 况时的2 5 岫涂层圆管和2 5 9 i n 涂层波槽管管外凝结换热系数 进行了理论计算。经过对液膜厚度的修正，计算结果与实际值的偏差均在 2 0 范围之内。 文中还对滴状冷凝的机理做了初步探讨，通过实验观察与分析，指出 租糙的冷凝壁面会使滴状冷凝换热系数降低。 关键词：波槽管，滴状冷凝，p t f e ，冷凝换热 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ee x p e d m e n t a ls t u d i e so nd r o p w i s ec o n d e n s a t i o no u t s i d et h eh o r i z o n t a l c i r c u l a r l y g r o o v et u b e sa n dc i r c u l a rt u b e sw i t hd i f f e r e n tc o a tt h i c k n e s so f p t f ee r ec a r r i e do u t b a s e do nt h em o d e lo fd r o p w i s ea n df i l mc o n d e n s a t i o n c o e x i s t i n g ，s o m ee x p e r i m e n t a ld a t aa r et h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e d b e s i d e s ，t h e e f f e c to fe o n d e n s a t i o ns u r f a c er o u g h n e s so nt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ri s a l s oa n a l y z e d i nt h ee x p e r i m e n t s 。t h ed r o p w i s ec o n d e n s a t i o na r ef o r m e dw e l lo nt h e s u r f a c eo f t h et e s tt u b e sw i t hp t f ec o a tw e l l ，a n du n d e rt h ec o n d i t i o no f v 印o r p r e s s u r eal i t t l eh i g h e rt h a na t m o s p h e r ep r e s s u r e ，t h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r c o e 塌c i e n to u t s i d et h ec i r c u l e rt u b ec o a t e dw i t h2 5 p r op t f ef i l mi s 雒6 6 0 7 9 9t i m e sa st ot h a to fs i m p l ec i r c u l a rt u b e ；t h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to u t s i d et h ec i r c u l e r l y - g r o o v et u b ec o a t e dw i t h2 5 p mp t f ef i l li s 雒3 6 1 4 7 2t i m e s 嬲t ot h a to fs i m p l ec i r c u l a r l y g r o o v et u b e t h eh e a t t r a n s f e rc a p a b i l i t yo ft h ec i r c u l a r l y g r o o v et u b ec o a t e dw i t h $ p mp 1 1 p ef i l mi s t h eb e s ta m o n ga l lt h eo t h e rt u b e s i t st o t a lh e a tt r a n s f e rt o e f f i c i e n ti s 5 4 2 0 6 h i g h e r t h a nt h a to f s i m p l ec i r c u l a r l y - g r o o v e t u b e ，a n d 3 5 1 - 7 5 4 h i 曲e rt h a nt h a t o fs i m p l ec i r c u l a rt u b e m o r e o v e r , t h eh e a t t r a n s f e rc a p a b i l i t yo ft h ec i r c u l a r l y - g r o o v et u b ec o a t e dw i t h8 p mp t f ef i l m k e e ps t a b i l i t yd u r i n gt h e10 0h o u r se n d u r a b l ee x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h em o d e lo fd r o p w i s ea n df i l mc o n d e n s a t i o nc o e x i s t i n g ，t 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 衔c i e n to u t s i d et h ec i r c u l a r l yt u b ec o a t e dw i t h 2 5 p r op t f ef i l ma n dt h ec i r c u l a r l y - g r o o v et u b ec o a t e d 谢t l l2 5 p mp t f ef i l m a r ec a l c u l a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no f p 2c o n d e n s a t i o np r e s s u r e ( 7 4 6 7k p a ) a n d 1 2 9 m sc o o l i n gw a t e rr a t ei n s i d et h et u b e t h r o u g ht h ec o r r e l a t i o no fl i q u i d f i l mi sm o d i f i e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee r r o rb e t w e e nc a l c u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t a ld a t ai sn o m o r et h a n2 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 b e s i d e s ，t h em e c h a n i s m o f d r o p w i s ec o n d e n s a t i o ni ss l i g h t l yd i s c u s s e d i t i sf o u n dt h a tt h e r o u g h n e s s o fc o n d e n s a t i o ns u r f a c ew o u l dc a u s et h e e n n d e n s a f i o nh e a tl a m a s f o rc o e 伍c i e n td e c r e a s e d k e y w o r d s ：c i r c u l a r l y - g r o o v et u b e ；d r o p w i s ec o n d e n s a t i o n ；p t f e ： c o n d e n s a t i o nh e a tt m n s f e r 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) ：捌垒氛 日期：妒砗，月占日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 背景与意义 第1 章绪论 各类船舶在我国辽阔的蓝色水域上航行、巡弋和作业，不仅是我国船 舶工业、经济实力和科技能力的展现，也是我国经济安全和国防安全的重 要保证。作为船用蒸汽动力循环和船用核动力循环中重要的传热部件一冷 凝器，它的可靠高效运行是船舶动力装置安全稳定运行的重要保证。对于 船舶核动力装置用冷凝器来说，由于舱室内部空间有限，为操作、维修方 便起见，使得对设备小型化和高效传热性能要求较高。通常冷凝器的凝结 负荷、汽轮机的排汽压力及入口水温等设计条件是给定的，所以提高传热 系数，降低传热热阻成为实现冷凝设备小型化的主要途径。在换热管几何 尺寸及材质确定的条件下，减小热阻可以从两方面来进行，在管内侧设法 减薄层流底层厚度或者增加对主流的扰动；在管外侧可以减薄凝液液膜的 厚度或者采用滴状冷凝的方式。目前较成功的强化换热管均采用双侧强化， 如螺纹槽管及横纹槽管等。 波槽管是哈尔滨工程大学近期开发的一种新型双侧强化换热管，通 过实验得知其总传热系数在略高于大气压下较光管增加了2 7 “”1 ， 管内换热系数大约提高了2 倍，而管外凝结换热系数增加较少。鉴于此， 本文采用在波槽管管外敷设p t f e 涂层的方法来获得滴状冷凝以进一步提 高管外换热系数。 在冷凝传热过程中，实现滴状冷凝被认为是目前最有效的凝结换热方 式，其凝结换热系数较膜状凝结大几倍至几十倍。对冷凝器而言，要使管 外形成滴状冷凝，一般可以采用表面敷设低表面能的涂层和表面改性处理 等措施。表面改性一般是指在换热管外壁电镀金、银等贵重金属来降低表 面能以形成滴状冷凝，由于这些电镀材料易与管材结合，故这类材料引起 很多研究者的兴趣。但是贵重金属的昂贵价格限制了此方法的工业化应用， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同时电镀层也有剥落问题。本文采用的是另一种方法，即在换热管外壁喷 涂低表面能的有机高分子聚合物聚四氟乙烯( p t f e ) 。由于p t f e 价格 低廉，喷涂工艺简单，因而倍受传热界学者的重视。 本文在前人研究工作的基础上，对p t f e 滴状冷凝的传热性能、传热 机理和耐久性实验等方面进行研究与分析，以谋求获得对其工业化应用有 价值的成果。 1 2 滴状冷凝传热研究历史及现状 当蒸汽与低于蒸汽压力对应的饱和温度的固体表面接触时，就会在固 体表面上凝结成液体。如果固体表面是可润湿的，那么凝液在固体表面会 铺展成膜，未凝结的蒸汽与液膜接触后继续凝结，这种凝结形态称为膜状 凝结；如果固体表面是不润湿的，那么凝液在固体表面上不能铺展，而是 形成许多分布散乱、大小不一的液滴，未凝结的蒸汽一部分与液滴之间的 冷凝表面( 包括液滴脱落后原液滴处的冷凝表面) 直接接触凝结成液滴， 另一部分与小液滴表面接触而凝结，这种凝结形态称为滴状冷凝。 自从上世纪3 0 年代s c h m i d te ta l 。1 发现滴状冷凝以来，其良好的传热 性能受到了广大研究人员的重视，诸多研究人员对此进行了大量的实验研 究和理论分析，但是到目前为止还没有获得比较理想的工业化应用和比较 完善的传热理论体系。由于影响滴状冷凝的因素较多且滴状冷凝实验的复 现性较差，使得滴状冷凝的研究颇为困难。目前有关滴状冷凝的实验研究 主要关注点在于：寻找能够形成良好滴状冷凝的低热阻的廉价材料和制各 能够长期获得滴状冷凝的冷凝表面；理论研究主要集中在滴状冷凝形成的 微观机制与传热理论模型的建立；除此之外由于计算传热学和计算机技术 的发展目前还兴起了滴状冷凝传热的计算机仿真。 1 2 1 获得滴状冷凝的材质 目前冷凝器中的传热管都是金属材料，金属表面一般均可以被水润湿。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所以要想让水蒸汽在金属壁面获得滴状冷凝，必须对金属表面进行特殊化 处理以降低表面能，目前能实现滴状冷凝的表面材料大致有以下三类。 1 含憎水基的有机促进剂 这类物质主要有油酸、硬脂酸、硫醇、褐煤蜡等。这类物质都具有不 对称的分子结构，当分子附着在金属壁面时，分子中的极性部分与金属结 合，非极性部分朝向气相。这类物质可以直接涂覆于金属壁面，也可以连 续注入蒸汽当中。这类物质在金属壁面覆盖一个单分子层即可促进滴状冷 凝，所以在蒸汽中少量加入即可改善传热状况。f i n n i c u m “在有油酸作促 进剂的情况下在电镀铬表面形成了滴状冷凝并维持了3 0 0 0 h 。夏吉良、辛 明道“1 将油酸用于两相闭式虹吸管内，实现了良好的滴状冷凝。 如果在冷凝器中采用连续注入促进剂的方法来获得滴状冷凝以强化传 热的话，有机介质会沉积在汽轮机叶片及蒸汽发生器的汽水分离器的分离 元件上，这必将影响汽轮机及汽水分离器的工作性能。所以在冷凝器中使 用这种方法获得滴状冷凝是不可取的。 2 金属及其化合物 这类物质主要有金银铂等贵金属、铬、金属硫化物等。这类物质易与 金属结合，不存在连续注入的问题，且化学性能稳定，故引起了很多研究 者的兴趣。 w o o d r u 盯”和g a r ya o n e i l l ”1 分别在镀金和镀银表面获得了滴状冷 凝，并且指出了金银镀层必须具备一定的厚度才可以维持长时间的滴状冷 凝。但是w i l k i n s ”1 用纯金管进行水蒸汽冷凝实验时，发现水在清洁的金表 面形成膜状凝结。刘军彦“也曾经在表面镀银的铜镍合金管表面进行冷凝 实验，并未获得滴状冷凝。w o o d r u f ! f 与j w w e s t w a t e r “”对不同镀金表面 进行实验，发现在不同的电镀槽内获得的镀金表面出现了不同的冷凝形态。 他们通过对表面成分分析表明，表面金含量和碳含量对促进滴状冷凝有直 接影响。这也说明在镀金表面获得滴状冷凝的原因是金在环境中吸附了有 机物，这些有机物促进了滴状冷凝的形成。 实验发现金属铬也能促进滴状冷凝。f i n n i c u m “3 通过实验得知，在粉 末冶金制造的纯铬表面上总是呈现膜状凝结，而在真空状态下浸渍油酸后 可以呈现滴状冷凝。由于铬具有优良的防腐性能，刘锋“”曾经在镀铬的铜 哈尔滨工程大学硕士学位论文 镍合金管表面进行实验，在低热流密度的条件下能够获得良好的滴状冷凝； 当热流密度增大时逐渐变为膜状凝结，当热流密度变小后仍然能够获得滴 状冷凝。目前铬表面形成滴状冷凝的机制还不十分清楚。 金属硫化物在水中的溶解度很低，因此可以用来实现水蒸汽的滴状冷 凝。e r b “2 1 等发现在涂覆硫化银的低碳钢表面维持水蒸汽的滴状冷凝近 1 0 0 0 0 h 。 王乃华“”等利用高温钎焊的方法，将镍、铬等元素渗入碳钢表面，然 后迅速冷却，在碳钢表面形成渗层。实验表明在渗层管表面也可以形成良 好的滴状冷凝。由于钎焊过程中，焊材润湿母材，可以将渗层看作是金属 固溶体。同时迅速冷却时，金属表面形成非晶态合金，表面能降低。 黄正余“”曾在铜镍合金管表面镀氮化钛以获得滴状冷凝，在实验初期 形成滴状冷凝，但是两分钟后开始出现膜斑，之后膜斑逐渐扩大，约半小 时后形成膜状凝结。 3 有机高分子聚合物 有机高分子聚合物表面一般不被水润湿，具有很低的表面能。表1 1 示出了一些有机物基团的临界表面张力值。水在2 0 时的表面张力值为 7 2 8 1 0 3 n ，m 。 表1 1低能表面的临界表面张力值1 0 。n m ，2 0 ( 2 氟碳化合物表面碳氢化合物或碳氯化合物表面 成分 表面张力成分表面张力 f ，6 c h 3 ( 晶态) 2 2 c f ，h1 5 h 3 ( 单分子态) 2 4 c f 3 和一c f 2 一 1 7 c h ，一 3 1 f ，一1 8c h 2 一和h =3 3 c h 2 一c f 3 2 0 - c h = ( 苯环边缘)3 5 c f 2 一c f h 一 2 2一c c l h c h 2 3 9 f 2 一c f 2 2 5 c c l 2 c h 2 4 0 1 c f h c h 2 2 8 = c c l 2 4 3 由表1 1 可以知道，在能够形成高聚物的基团中，一c f 厂基团具有最 哈尔滨工程大学硕士学位论文 低的表面张力值，所以很多的氟碳化合物具有相当低的表面能，其中聚四 氟乙烯是诸多研究人员关注的焦点。因为它具有极低的表面能，不仅能实 现水的滴状冷凝，也能实现表面张力较小的有机工质( 如乙二醇) 的滴状 冷凝。 e d w a r d 和d o o l i t t l e “”早在上世纪6 0 年代开始对聚四氟乙烯表面进行 滴状冷凝的研究。m a r t o “”等也对有机物促进滴状冷凝进行了研究，并且在 聚四氟乙烯表面维持滴状冷凝1 2 0 0 0 h 左右。杜长海“7 和马学虎“”等也 对聚四氟乙烯和聚六氟丙烯表面滴状冷凝进行了研究。 由于高分子聚合物材料价格便宜，滴状冷凝效果持久，所以是目前最 有可能走向工程应用的一种方法。但是高聚物也有它的缺点，工程应用需 要解决两个问题，第一是导热系数低，如聚四氟乙烯的导热系数仅为 o 2 3 w ( m k ) ；再者是基体与高聚物覆盖层的结合要好要有足够的机械 强度。 1 2 2 形成滴状冷凝的表面处理技术 在滴状冷凝诞生的七十多年来，研究者通过多种方法对冷凝表面进行 处理来获得滴状冷凝，几乎所有的努力都集中在降低冷凝表面的表面能。 1 机械抛光 叶粮、辛明道2 “曾对高光洁度表面上滴状冷凝进行了实验研究与机 理分析，他们认为金属表面光洁，表面不平整度小，液膜增厚到临界膜分 裂厚度时，膜破裂收缩成液滴。黄正余“”曾在抛光的铜镍合金管表面获得 短暂的滴状冷凝。抛光过程是金属表面与高速转动的抛光轮相接触的过程， 在高速的机械摩擦中，机械能转化为热能，加热与冷却以非常快的速度进 行，该层中存在压应力，因而具有较低的表面能2 。 2 电镀 电镀是将直流电通入具有一定组成的电解质溶液中，在电极与溶液之 间的界面上发生化学反应，进而在金属或非金属制品表面上形成符合要求、 致密均匀的金属层的过程，这是将金属覆盖于基材的一种简单有效的方法。 电镀金、银等贵重金属得到滴状冷凝的原因目前认为是由于电镀过程中 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在电镀槽中受到了污染，混进了某些氧化物或有机物。 3 热喷涂 热喷涂技术是利用热源将喷涂材料融化或软化，借助热源本身或外加 的压缩空气流，将喷涂材料雾化为快速运动的微粒流，然后喷射到基体表 面，涂料在基体上迅速固化后获得表面涂层。这是将有机高聚合物涂覆于 基材的一种简单可行的方法，图1 1 为热喷涂过程示意图。 ( d 兰 c + o + o c h c _ ” 喷涂粒子束 基 体 图1 1 热喷涂过程示意图 在喷涂过程中，喷涂材料粒子在碰撞基体表面或撞击已经形成的涂层 的瞬间，把动能转化为热能后传给基体，同时粒子在凹凸不平的表面发生 变形，形成扁平状粒子，并且迅速凝固成涂层。喷涂的粒子不断飞向基体 表面产生碰撞一变形一冷凝的过程，变形粒子与基体之间以及粒子与粒子 之间相互交叠在一起，形成涂层，形成过程如图1 2 所示。 爹缪，乏 a 可i ? 乃。 澎孑 一 ， 6 0 ，入口段效应可以忽 略，所以实验所获得的数据具有较高的实用价值。 3 辅助冷凝器 在本实验当中，不同的工况下冷凝负荷不同，为了满足所有工况下的 冷凝负荷，蒸发器产生的蒸汽量一般大于实验管的冷凝能力。过量的蒸汽 则由辅冷凝器冷凝，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。号辅 助冷凝器内装有1 4 根有效换热长度为5 5 0 m m 的中1 9 黄铜管，其换热面积 为0 4 6 m 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，并 穿过蒸汽管道进入可视化单管冷凝实验体，从而进行冷凝换热，剩余的蒸 汽则进入i 号辅助冷凝器和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。为了减少蒸汽在管路内行进过 程的散热，进入实验体前的蒸汽管路外侧均用绝热材料进行包覆。 2 1 2 冷却水系统 实验管内冷却水为自来水，自来水经涡轮流量计( l w i o 或l w l 5 ) 后通过阀门控制，进入可视化单管冷凝实验体的实验管内，最后排入循环 水池。辅冷凝器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，保证水箱有恒定水 位。辅冷泵由水箱抽水为i 号辅助冷凝器和号辅助冷凝器提供冷却水， 经辅助冷凝器流出的冷却水流入循环水池，如此循环构成辅冷却水回路。 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 m 3 h ，扬程为5 0 m 水柱。 哈尔滨工程大学硕+ 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， 实验管冷却水进出口温度及流量。 1 流量测量 实验管内冷却水的水流量由涡轮流量计测定，二次仪表用x s j 3 9 1 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 l 0 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：o 6 4 m 3 1 1 ) 。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l m 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。 表2 i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 lt = 2 4 9 5 3 u 一2 4 8 5 5 实验体蒸汽温度 2 仁2 4 8 1 l - u 一2 4 5 7 3 实验体冷却水入口温度 3t = 2 4 8 9 2 u - 2 4 8 5 9 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 ) 3 压力测量 由于蒸汽管路存在流动阻力和阀门节流，所以需要测量实验体内蒸汽 入口压力。压力测量采用u 型管水银压差计，测压点位于均汽环板之上的 环形蒸汽通道处。 整个实验过程的工况调节是通过对蒸汽流量或冷却水流量的调节来保 证实验点处于稳定状态。可以进行调节的阀门有4 群、5 撑、硎、7 拌、8 群、鲥、 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 # 和1 3 拌，在实验过程中将辅、5 群和1 4 # 设置为全开状态，目的是为了使 实验体有足够的蒸汽。7 # 与1 3 # 设定为一个特定位置一般不再改变，实验 过程当中，主要调节6 样与1 2 # ，硎为粗调，1 2 # 为微调。如果蒸汽温度及冷 却水出口温度示值稳定，则认为该工况点己处于稳定。 2 2 实验准备及操作步骤 2 2 1 实验准备 1 冷凝实验管的表面处理 为保证凝结实验的顺利完成，安装前必须认真清洗实验管。首先将管 子表面用清水冲洗，再用丙酮溶液进行表面擦拭，然后再用酒精清洗干净， 保证管子的内外侧都没有杂质。 2 安装 将表面处理过的冷凝实验管安装在冷凝实验体中，安装过程中要小心 操作，防止实验管表面被划伤。 3 仪表检查 。 打开实验体冷却水阀门，注意各管路接头、阀门及实验体端部密封处 ( 冷却水回路) 是否有漏泄现象，同时检查万用表、涡轮流量计和二次仪 表的数值显示是否正常。检查电加热控制柜、配电系统及测量系统是否有 短路、断路等情况。 完成上述检查后，实验装置即处于正常状态，可以进行实验。 2 2 2 操作步骤 在进行实验操作时，为了保证实验的安全顺利进行，必须先开冷却水 系统，后开加热系统为原则。在检查好实验系统后，实验可以遵照以下操 作步骤进行： ( 1 ) 闭合实验室电源总开关； 哈尔溟工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 查看锅炉给水箱水位，若给水箱水位偏低，则应该向给水箱补水， 打开离子交换床入口自来水阀( 1 7 # 阀) 和给水箱补水阀( 1 8 # 阀) 后，给 水箱开始补水，当锅炉给水箱快满水时关闭给水箱补水阀( 1 8 # 阀) 和离子 交换器入口自来水阀( 1 7 群阀) ； ( 3 ) 查看锅炉水位，若锅炉水位偏低，则应该向锅炉补水，先打开锅 炉给水泵注水阀( 1 4 # 阀) ，启动锅炉给水泵，启泵后开启锅炉给水入口阀 ( 1 5 # 阀) ，此时锅炉水位开始上升，水位上升至液位计上限时关闭锅炉给 水入口阀( 1 5 # 阀) ，然后停闭锅炉给水泵，关闭锅炉给水泵注水阀( 1 4 样 阀) ： ( 4 ) 打开冷却水泵注水阀( 1 稃阀) 和真空泵注水阀( 3 # 阀) ，辅冷泵 注水阀( 2 群阀) 常开，启动冷却水泵，再启动辅冷泵、真空泵； ( 5 ) 打开自来水调节阀( 1 9 # 阀或者2 0 # 阀) ，并且打开流量数字积 算仪，检查仪表常数，调节冷却水流量为第一个工况点要求值，打开万用 表，测试键为蒸汽温度； ( 6 ) 打开实验体蒸汽入口阀( 1 0 # 阀) ，打开锅炉蒸汽出口阀( 4 8 阀) ， 依照实验工况调节i 号辅冷泵真空抽吸阀( 9 群阀) 开度至一合适位置； ( 7 ) 闭合电加热控制柜电路总开关，按下启动按钮，投入电加热元件 加热蒸发器内的软化水，为了使锅炉尽快产生所需温度的蒸汽，一般开始 投入两组9 x 8 k w 加热组件； ( 8 ) 观察万用表测试的蒸汽温度值，当稍微超过所需温度值时，关闭 一组9 x 8 k w 加热组件，调节实验体旁路蒸汽入口阀( 6 群阀) ，使实验体入 口蒸汽温度指示值在3 分钟内保持基本不变； ( 9 ) 等实验体入口蒸汽温度稳定在规定示值o 0 0 2 v 范围内，且2 3 分钟内基本保持不变后，测出实验管冷却水的进、出口温度，蒸汽温度 以及冷却水流量并作记录； ( 1 0 ) 在测量完一组数据之后，增大实验管内的冷却水流量，重复步 骤6 和步骤7 进行下一组数据的测量，直至实验范围内的点测量完毕； ( 1 1 ) 实验完成后，首先关闭锅炉蒸汽出口阀、实验体蒸汽入口阀、 旁通阀，再切断电加热控制柜上所有电加热元件的控制开关，断开总开关； ( 1 2 ) 最后停闭真空泵，再停闭辅冷泵、冷却水泵，关闭冷却水泵注 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r | 昌i i i i i i i i _ i | i i 置| i i i i i i 暑i i i i i ；j i i i i ；i ；i j i ；j 昌宣i i i i i i i 皇i i i i 暑i i i | 水阀和真空泵注水阀； ( 1 3 ) 切断实验室电源总开关。 2 3 本章小结 本章主要介绍了冷凝换热实验装置流程图，并对冷凝换热实验装置中 的蒸汽系统、冷却水系统、以及测量系统的构成和调节方式做了详细的说 明。最后详细阐述了实验准备的各个过程以及实验过程中的操作步骤和总 的原则。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章p t f e 涂层管实验数据处理 本实验主要测量的是冷却水的进出口水温、饱和蒸汽的温度和冷却水 流量。由这几个参数可以计算出换热时的平均对数温差，从而可以直接求 出总传热系数，但是在进行结果分析与比较时，我们需要管内对流换热系 数和管外凝结换热系数，因此需要对这两项进行分离。 3 1 概述 总传热系数是衡量换热器换热能力的重要参数，但是总传热系数与换 热管内外侧换热系数及管壁间的导热热阻等有关，所以在对换热器进行优 化的时候要将各个换热系数分离出来分别加以分析。对表面冷却式冷凝器 而言，要想将管外冷凝换热系数分离出来，有测壁温法、简易威尔逊图解 法、修正的威尔逊图解法及外推法。 测壁温法是指在换热管外表面不同位置敷设热电偶来测量壁面温度， 计算出壁面的平均温度，在管外饱和蒸汽温度已知的条件下，然后根据牛 顿冷却定律来计算管外换热系数。本实验中普通光管和普通波槽管可以采 用此方法，但是对于涂层管，热电偶不能在涂层表面敷设，故不能采用此 法。 威尔逊图解法“”是一种无需测量壁温而从总传熟系数中分离换热系 数的有效方法。但是使用此方法必须满足两个条件： ( 1 ) 必须保持有一侧的换热情况基本不变； ( 2 ) 变动侧的对流换熟系数的主要实验变量的方次关系必须己知。 本实验中在涂层管表面形成滴状冷凝，很难满足第一个条件，所以在 分离换热系数时不使用此法。 修正的威尔逊图解法在威尔逊图解法的基础上减轻或舍弃了上述两个 条件。当污垢热阻可以忽略时，实验时可以使影响两侧换热系数的两个主 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要变量同时在相当大的范围内变化，测定一组可靠的数据即可对换热系数 进行分离。 在实验过程中，涂层管管外均形成滴状冷凝。在第一章的介绍中知道， 几乎所有的研究者都认为滴状冷凝的液滴脱离直径对换热系数有重要影 响。但是在实验过程中精确确定液滴的脱离直径非常困难。通过对换热管 局部拍照可以粗略地得到液滴的脱落直径，但是对于滴状冷凝换热系数的 计算目前还没有公认的关联准则式，这使得在应用修正的威尔逊图解法分 离换热系数时无从下手。如果这时我们仍然运用修正的w i l s o n 图解法计算 的话，管外凝结换热系数使用膜状凝结换热的关联式，这个时候分离出来 的管外凝结换热系数将偏小“”。 外推法是将总传热系数和管内换热系数计算出来，然后根据传热方程 向管外推算冷凝换热系数的一种方法。本方法简便易行，非常适合本实验 管外换热系数的分离。 3 2 数据处理模型 在传热实验中，只要测得了水蒸汽的温度和压力、实验管冷却水进出 口温度及流量，便可计算出传热量以及平均传热温差，知道了换热面积后， 就可按下式求得总传热系数： b 最a ( 3 ，) 。血， 、 式中：k 一总传热系数，w ( m 2 k 1 ； q 传热量，w ； a 。一一管外侧换热面积，m 2 ： a t 一一对数传热温差，。 根据传热过程中的热阻表达式，传热系数k 可按下式计算： i 1 一_ 瓦1 帆+ 量+ 矗 ( 3 - 2 ) 式中：h 。一管外换热系数，w ( m 2 k ) ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r 。管壁导热面积热阻，( m 2 ，k ) ，w ； 凡污垢面积热阻，( m 2 k ) w ： 彳，管外侧换热面积，m 2 ； h 一管内换热系数，w i c m 2 k ) 。 对于新涂层管来说，污垢热阻为零，但是涂层也有部分的导热热阻，这样， 传热系数k 可按下式计算： i i = 瓦i + 哪去半 ( 3 s ) 式中：r 。一涂层导热面积热阻，( m 2 k ) r w ； 磊一未覆盖涂层前的管外径，m ； 西一管内径，m ； 6 一涂层厚度，m 。 式( 3 3 ) 中r 。为涂层导热面积热阻，r 。为管壁导热面积热阻，它们 均认为是不均匀的径向导热，它们可表示为： 耻筹h 半 c s q 凡5 麦h 亳 ( 3 - 5 ) 式中：丸一一涂层导热系数，w ( m k ) ； 九一管壁导热系数，w ( m k ) 。 光管和涂层圆管管内对流换热系数采用下式h 8 1 计算： ：o 0 2 3 r 影。8 晰“( 翌) ”- 掣( 3 - 6 ) 町-口。 在式( 3 3 ) 中，k 可由式( 3 - 1 ) 计算得出，r 。和r 。可由式( 3 - 4 ) 与式( 3 - 5 ) 计算得出，h ，可由式( 3 6 ) 计算得出，则管外换热系数可 由下式计算得出： 2 夏i 1 浮 p 7 ) 对于波槽管和涂层波槽管，管内对流换热时的n u 数采用下式”1 进行计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算： n u = o 2 0 3 0 r e o t s 2 3 p f i 3 e ( p 吐) 叫” ( 3 8 ) 式中：e 一波槽管槽深，m ； p 一一波槽管节距，m 。 那么，管内对流换热系数可以用下式表示： h , = 0 2 0 3 0 r e “? m p r e ( p z ) r ”鲁 ( 3 - 9 ) 管外换热系数可以按照式( 3 7 ) 进行计算。 这样，通过热阻分析，从总热阻中扣除涂层导热热阻、壁面导热热阻 与管内对流换热热阻而分离出管外换热系数的方法即为外推法。 实验处理程序就是应用外推法而进行设计的，由于计算管内对流换热 系数的时候涉及一部分热物性参数( 如壁面温度) ，因此计算时采用迭代法 逼近。 3 3 本章小结 本章主要介绍了几种管外换热系数的分离方法，重点分析了对于带有 涂层的实验管分离管外换热系数的外推法，并在此基础上编制了实验数据 处理程序。 哈尔滨丁= 程大学硕士学位论文 第4 章水平管外p t f e 涂层上的滴状冷凝换热 实验研究 4 1 实验管结构尺寸及涂层厚度 4 1 1 实验管材及表面 实验管的基材为b 3 0 ，它是铜镍合金，含铜约7 0 ，含镍约为3 0 ， 是用海水作冷却介质的舰船用冷凝器的传统材质。实验管在b 3 0 基材上喷 涂了8 p m 、1 6 9 m 和2 5 p m 的聚四氟乙烯有机材料，以获得稳定的滴状冷凝。 材质的基本参数见表4 1 。 # ， 表4 1实验管材质的物理性能、力学性能及耐腐蚀性能 密度导热系数抗拉强度 材质耐腐蚀性 k # m 3w ( m k ) m p a _ 4 9 0 ( 半硬状态) b 3 08 9 4 03 5 0 良好 _ 3 7 3 ( 软状态) p t f e2 14 0 2 3 0 00 2 3兰2 5 5优良 4 1 2 结构尺寸 波槽管的结构如图4 1 所示，实验中所采用实验管的尺寸为： 0 1 6 x 1 0 m m 。波槽管采用光管轧制而成，外径基本保持不变。波槽管的组 合参数为i = e 2 ( e 4 ) 。本实验中所用的波槽管为同一批次加工，组合参 数接近最佳参数值，实验管的结构参数值如表4 2 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 注：d ，- 夕i - 径d 卜内径p 槽深卢一节距占涂层厚度工有效换热长度 图4 1 涂层波槽管结构筒图 表4 2实验管的结构参数( m m ) 管号材质及尺寸表面特征 组合参数西 涂层厚度6 g ob 3 0 中1 6 o 1 0光管o g l b 3 0 0 1 6 o x i 0涂层圆管0 0 0 8 g 2b 3 0 m 1 6 0 x 1 0涂层圆管0 0 1 6 g 3b 3 0 m 1 6 0 1 0。涂层圆管0 0 2 5 b ob 3 0 m 1 6 o x l 0 波槽管 0 0 0 2 4 1 5 3 0o b 1b 3 0 0 1 6 0 x i 0 涂层波槽管 0 0 0 2 4 1 5 3 00 0 0 8 b 2b 3 0 m 1 6 0 x i 0 涂层波槽管 0 0 0 2 4 1 5 3 0 0 0 1 6 b 3b 3 0 西1 6 0 i 0 涂层波槽管 0 0 0 2 4 15 3 00 0 2 5 4 2 实验结果及分析 作者对各个管型分别在1 0 6 3 8 k p a ( p i ) 、7 4 6 7 k p a ( p 2 ) 、5 4 6 7 k p a ( p 3 ) 、3 2 6 8 k p a ( p 4 ) 四种压力下做了冷凝实验。 在实验结束后，对所有的实验管进行观察，发现g i 、( 3 2 和b 2 三根 涂层管表面出现不同程度的损坏，所以这三根实验管的数据可信度不高， 不参与数据比较，将在本章最后进行分析。 暗尔演工程大学硕士学位论文 所有换热管管型均为单管水平布置，且所有工况点的蒸汽流速小于 1 0 m s ，管内冷却水均为自来水。在图示当中h i 为管内对流换热系数，h 。 为管外凝结换热系数，丘为总传热系数。 4 2 一g 3 管冷凝换热实验厦分析 实验条件：实验管的壳侧饱和蒸汽压力为p 1 ，冷却水的实验参数范围 为r e = 5 1 x 1 0 3 5 + 3 9 1 0 4 。 经过对1 3 3 0 光滑管( 0 0 ) 和2 5 脚3 0 渌层圆管( g 3 ) 的换热实验数 据进行处理，所得实验结果如图4 4 图4 6 所示。 在实验过程中拍摄的挎凝实验照片如图4 2 与图4 3 所示。 图4 2g 3 管管卦滴状j 5 争凝实驻照片 圜4 , 3g 0 管管外膜状玲凝实验照片 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 4g 型管管内对流换热系数与雷诺数之间的关系图 图4 5g 型管管外凝结换热系数与雷诺数之间的关系图 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 q 曼 言 配 图4 6g 型管总传热系数与雷诺数之间的关系图 由图4 4 到图4 6 可以看出，管内对流换热系数二者基本保持一致， 数据可信度较高。由于在g 3 管管外获得了滴状冷凝，使得管外换热系数 比g o 有了显著的提高，为g o 管的6 6 0 7 9 9 倍，但是由于涂层带来较大 的热阻，使得总传热系数增幅不是太大。在较低的冷却水流速下，相差不 大，随着冷却水流速的增加，换热增强，g 3 管的总传热系数逐渐高于g o 管，在0 8 2 4 3 6 m s 水速范围内，总传热系数增大了7 4 2 3 1 。 4 2 2b 3 管与b 1 管冷凝换热实验及分析 实验条件：换热管单管水平布置，实验管的壳侧饱和蒸汽压力为p l ， 所有工况点的蒸汽流速小于1 0 m s 。管侧冷却水为自来水，冷却水的实验 参数范围为r e = 7 1 1 0 3 5 5 l x l 0 4 。 采用外推法对b 3 0 波槽管( b o ) 、2 5 p m b 3 0 涂层波槽管( b 3 ) 和8 1 t m b 3 0 涂层波槽管( b 1 ) 的换热实验数据进行处理，所得实验结果如图4 1 0 图 4 1 2 所示。 在实验过程中拍摄的冷凝实验照片如图4 7 图4 9 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 7b 3 管管外滴状冷凝实验照片图4 8b l 管管外滴状冷凝实验照片 图4 9b 0 管管外膜状冷凝实验照片 图4 1 0b 型管管内换热系数与雷诺数之间的关系图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 q j 吝 k 图4 1 1b 型管管外凝结换热系数与雷诺数之间的关系图 图4 1 2b 型管总传热系数与雷诺数之间的关系图 由图4 1 0 到图4 1 2 可以看出，三根管子的管内对流换热系数基本保 持一致，数据可信度较高。由于在b 3 管和b 1 管管外均获得了滴状冷凝， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使得b 3 管和b 1 管的管外换热性能比b 0 管有了较大的提高。b 3 管为b 0 管的3 6 1 4 7 2 倍，b 1 管为b 0 管的1 7 1 1 9 4 倍，b 1 管不及b 3 管。究 其原因，因为b 1 管管外凝液量大于b 3 管，壁面过冷度也大于b 3 管，液 滴间液膜厚度增加所致。但是由于b l 管涂层厚度低于b 3 管，故涂层热阻 低，使得b 1 管总传热系数大于b 3 管。与涂层圆管一样，由于涂层引进了 涂层热阻，虽然管外凝结换热系数大幅提高，但总传热系数仅有一定的增 幅，在较低的冷却水流速下，三者相差不大，随着冷却水流速的增加，换 热增强，在0 8 0 4 0 8 m s 水速范围内，b 3 管总传热系数高于b 0 管1 9 7 5 ，而b 1 管高于b 0 管5 4 2 0 6 。 4 2 3g o 、g 3 、b 0 、b 3 与b 1 五种管型实验结果比较与分析 将g o 、g 3 、b 0 、b 3 与b 1 共五根实验管的实验结果进行一下比较。 图4 1 3 图4 1 5 分别示出了比较结果，从图中的比较我们可以得出一些对 强化换热有益的信息。 图4 1 3 管内换热系数与雷诺数之间的关系图