非共沸混合物冷凝器的传热强化

`   

    1 前言

    在石油化工、化工、动力和制冷部门中常会遇到混合物冷凝的问题。由于非共沸混合物在蒸发或冷凝过程中所具有的温度滑动特性有助于制冷循环按劳仑兹循环工作[1],因此对非共沸混合工质冷凝传热的研究,对提高蒸气压缩热泵和制冷循环系统的热力学性能、减少传热过程不可逆损失及作为CFCS的替代工质等方面均有很重要的意义。但传热学的研究表明,非共沸混合工质的冷凝传热性能通常比对应的单组分工质低。为此,不少研究者针对此情况对其冷凝机理进行了研究,力图开发提高其传热效能的技术。Tana-sawa曾指出[2]:对非共沸混合工质冷凝传热的研究,尤以采用强化手段来减小冷凝传热系数的下降并开发出高效能冷凝器最为紧迫。

    2 螺旋隔板花瓣管冷凝器的冷凝传热强化分析

    冷凝器的传热特性很大程度上取决于换热器几何结构所允许的流动条件。在壳管式冷凝器中,各种各样的折流挡板用于壳程以支承管束。普通的弓形折流挡板冷凝器因蒸汽在壳程作/Z0字形流动,使得壳程压力损失大,存在流动死区,泄漏流和旁路流的影响又进一步降低了冷凝器的传热性能,流速过高则又引起管束的振动而破坏冷凝器。折流杆冷凝器因蒸汽在壳程呈纵向流动,所以壳程压降低,能抑制管束的振动,但由于蒸汽在壳程的单程流动,蒸汽流速不能达到很高,也降低冷凝器的传热性能。螺旋隔板冷凝器(图1)提供了一种理想的壳程挡板结构型式[3]。它能在返混量几乎为零的情况下,保持均匀的流动。蒸汽的螺旋流动使得换热系数在允许压降范围内得到很大的提高,并且增加了抗蒸汽诱导管束振动的能力,保持了冷凝器抗振的可靠性。美国ABB公司把螺旋隔板换热器用于水蒸气的冷凝[4],结果发现,采用螺旋隔板以后,在相同实验条件和同等传热量下,螺旋隔板低肋管冷凝器比传统的弓形隔板光滑管冷凝器节约面积30%,螺旋隔板低肋管冷凝器比弓形隔板低肋管冷凝器节约的冷凝面积也超过了10%。同时,螺旋隔板低肋管冷凝器比形隔板低肋管冷凝器压降降低了50%左右。

    采用高效能的强化传热管也是提高冷凝传热的有效途径之一,花瓣管(图2)由于其独特的三维翅片结构既可增大传热面积[5],又能充分发挥冷凝液表面张力的作用,减小液膜热阻,因而强化冷凝传热效果很好。大量的实验研究表明[6~9],花瓣管具有很好的强化冷凝传热性能,尤其是强化非共沸混合工质的冷凝,强化效能明显高于二维翅片结构的低肋管[10]。

    非共沸混合物蒸汽在冷凝传热过程中,由于混合物蒸气组分在沸点上存在差别,高沸点组分蒸汽先冷凝,低沸点组分后冷凝,从而在管子周围形成了低沸点组分的气相传质扩散层。因此,非共沸混合蒸汽的冷凝热阻既包括冷凝液膜热阻,又包括气膜热阻。