凝结条件下垂直螺纹钢管强化传热的试验研究

    为提高冷凝器的传热性能,在氟里昂制冷装置中,高效传热管得到广泛应用,研究与开发也日趋成熟。[1,2]但由于氨制冷装置中氨工质的有毒性和氨压缩机难以小型化等原因,国内外对氨冷凝器中传热管的强化传热研究的极少[3],目前已滞后于工程实际的需要。为此,本文对氨在垂直螺纹钢管外表面的凝结换热进行了试验研究,并获得了预期的效果。

    1　试验装置和测量

　　试验是在内径为203 mm,高为4 000 mm的无缝钢管制成的试验段内进行的,试验段外表面上包有保温层,试验用饱和氨蒸气和冷却水均直接引自天津红旗冷库中的大型制冷系统。试验用的四种螺纹钢管均由538×3 mm无缝钢管经机械拉压热加工而成,其几何参数如表1所示;比较用的光滑钢管直接选用538×3 mm的无缝钢管,它们的有效长度均为4 000 mm。管子安装前的内外表面均经过除锈处理。详细的试验段结构、试验装置原理图和试验过程见文献[4]。试验中冷却水流量、凝结氨液流量的测量分别由各自的计量槽进行。在螺纹钢管外表面和光滑钢管外表面上,各焊有4对直径为0.2 mm的铜-康铜热电偶(均匀分布);其他各测点的温度也均使用这种热电偶测量,最后由美国OHUFLUKE公司生产的2190A型数字式多点巡回温度检测仪自动显示,并打印出结果。试验段内氨蒸气的压力由0.4级精密压力表测量,试验时的表压力基本稳定在1.2 MPa左右。经热平衡试验,在不同的热负荷下,相对误差在±5 %以内。

    2　试验结果与讨论

　　根据热平衡,冷却水的吸热量即为氨蒸气的凝结放热量,通过试验所测参数,由牛顿冷却公式可计算出管外表面氨蒸气的平均表面传热系数h。图1为螺纹钢管管外侧平均表面传热系数h随冷却水质量流率G变化的关系。图2为其凝结准则数Co与氨液膜层雷诺数Rel之间的关系。

　　根据图2曲线,用多元线性回归法拟合得到垂直螺纹钢管外表面上凝结换热的准则方程式为:

    式中:Co—凝结准则数;Rel—氨液膜层雷诺数;S—螺纹节距,mm;w—螺纹深度,mm;d—螺纹钢管的当量外径,mm。该式的适用范围:Rel=200～3 000,1.229≤s/d≤2.080,0.015 8≤w/d≤0.089 7,误差在±20 %以内。

　　从试验结果可以看出,在冷却水的质量流率G=40～3 000 kg/(m2·s)的范围内,氨蒸气在螺纹钢管外表面上凝结换热比光管有明显的提高。在层流阶段,随着G的增加,管外凝结液膜的增厚,螺纹钢管和光滑钢管的值都有不同程度的下降;当液膜的流动达到湍流时,h值则随G的增加而增大;h值的变化趋势与杜克(Dukler)曲线十分吻合。但在G>3 000 kg/(m2·s)以后,水在重力作用下流动加快,在管内停留时间缩短,冷却水进、出口温差明显减小,造成h值的增长相当缓慢。试验也表明,当螺纹深度一定、螺纹节距越小时,或者螺纹节距一定、螺纹深度越深时,液膜层流转变成湍流的临界雷诺数都越小;凝结液膜在表面张力的作用下,很快被拉拽回螺纹沟槽中,使凸表面的凝结液膜厚度变薄,液膜热阻变小;而后,在离心力和凝液重力作用下,聚集在螺纹沟槽中的凝液沿螺纹沟槽快速向下流动,离垂直螺纹钢管顶端的距离越大,凝结液受离心力和重力影响越大,则流动的越快,因而强化了换热。