螺旋扁管管外蒸汽冷凝双侧强化传热试验研究

　　1 前言

　　螺旋扁管是一种高效传热强化管,是近年来国际上最新研究成果之一^[1]。螺旋扁管由圆管制成,其横截面形状为扁圆或者椭圆形,按照一定的节距螺旋扭曲轧制而成,如图1所示。换热管两端仍然保持圆形,以便于与管板连接。螺旋扁管在壳体中依靠管体外缘螺旋线间的点接触,形成紧密的自支撑,壳程无需折流板,能很好地克服流体诱导振动,且不存在流动死区,流动阻力较小,具有很好的自清洁作用^{[2, 3]}。螺旋扁管换热器继承了传统管壳式换热器坚固耐用、安全可靠等优点,又克服了其换热能力差、易堵塞易结垢等缺点,几乎在所有规定使用管壳式换热器的化工工业系统中都可使用^[4]。

　　从20世纪80年代起,俄罗斯的一些学者就对螺旋扁管开展了系列研究,侧重于研究气体介质在螺旋扁管管束中各管相互支撑形成的通道内流动的特征、传热传质性能及流动阻力等^[5-7]。

　　近年来,国内也开始对螺旋扁管的传热性能和机理进行研究。文献^[8]-[10]试验研究了螺旋扁管管内强化传热特性,文献^[11]、[12]采用数值模拟的方法研究了各参数对螺旋扁管传热性能的影响。前人的研究工作,多为无相变工况下螺旋扁管管内对流传热特性。文献^[13]的研究结果表明,含有不凝气的煤油蒸气在螺旋扁管外的冷凝传热效果较光管的好。但针对螺旋扁管管外纯蒸气冷凝传热特性的研究却未见报道。对此,本文对螺旋椭圆扁管管外水蒸气冷凝工况下的传热特性进行研究,考察其管内与管外双侧强化传热性能,并探讨其强化机理。这对于促进螺旋扁管换热器应用于冷凝工况,以及化工过程的节能降耗均具有重要意义。

　　2 试验系统

　　试验流程如图2所示。试验采用套管换热的方式,换热管内走冷却水,管外为水蒸气冷凝。试验过程中,已进行过软化处理的冷却水由恒温水箱经水泵,通过涡轮流量计,进入试验管,与蒸汽换热后返回到冷却水箱。蒸汽发生器中产生的水蒸汽入套管式冷凝器的壳侧,在换热管外冷凝。收集冷凝液并计量其产生量,剩少量的未冷凝蒸汽排空。

　　试验前对冷凝管的表面进行认真的清洗与做钝化处理,以保证无污垢以及冷凝表面产生完好的膜状冷凝。试验装置启动后,先运行30至40分钟,确保试验流程中不凝气体的排除和测试系统的稳定。试验过程中保持管外蒸汽冷凝温度基本恒定(约100.5°C),冷却水入口温度基本恒定,系统热平衡后,采集冷却水及蒸汽的进出口温度以及流量,采集完毕,调节冷却水流速,测试另一组数据。冷却水与蒸汽温度均采用经过标定的铠装热电偶来测得。试验用光管及螺旋椭圆扁管均为紫铜管,其结构参数见表1。