含高分压不凝性气体的蒸汽在倾斜管内的凝结换热

    引 言

    在很多化学和核工业以及制冷领域普遍存在着管内含不凝性气体的蒸汽受迫对流凝结现象,而不凝气体的存在对整个换热的影响非常大。自从Nusselt〔1〕建立了膜状凝结理论之后,不少学者都致力于这方面的研究。Minkowyez和Spar-row〔2, 3〕主要研究了平板和水平管外无限空间中的凝结现象; Wang和Tu〔4〕等人建立了含不凝气体的蒸汽在竖直平板上的层流膜状凝结理论,并得出在低压和低雷诺数下,不凝气体对传热系数的影响更大; Borishansky〔5〕等人分别对管内含不凝性气体以及不含不凝性气体的情况进行了实验研究,并获得了很多可靠的实验数据;而Kre-iden〔6〕等人测量了管内蒸汽凝结时的压力降; De-hbi〔7〕对自然对流下的含不凝气体的蒸汽凝结进行了实验研究,得出了平均换热系数;郭烈锦〔8〕等人利用线性和非线性两种方法对圆管内气液两相流动的界面不稳定性进行了分析研究;Hee. Cheon No〔9〕等人建立了非迭代的凝结模型,对竖直管内含不凝气体的蒸汽凝结进行了研究; Hasanein〔10〕等人对水平管内含不凝气体的蒸汽受迫对流做了实验和理论研究,得出了一系列相关的实验数据。

    管内含不凝气体对系统的传热影响很大。朱玉琴等人〔11〕通过实验发现当管内不凝气体含量在2.5%时,其凝结换热系数降低22%左右。在工业实际过程中,一般采用排除管内不凝气体来提高热管的换热效率。而这种方法对大系统而言,会增加设备的投资成本、同时也给设备的维修带来了很大的困难。所以研究在不排管内不凝气体的条件下提高设备换热效率具有非常重要的理论和实际意义,但不排管内不凝气体涉及到许多亟待解决的问题,如冷凝换热的机理和效果、各种参数对换热的影响程度等,本文正是以此为出发点进行相关研究工作。

    1 实验装置

    本文设计了一回路式热管,蒸发段为不锈钢管内置于蓄热体中,蓄热体采用电加热的方式。冷凝段是一外管径19×1.5,内管径12×1,管长为1m的U形套管换热器,与水平方向成12°角倾斜放置(图1)。

    利用热电偶12控制蓄热体的加热温度。启动冷却循环装置,以防止套管换热器瞬间过热。液体水存储在储液罐15中,适当开启循环工质控制阀门13,水依靠重力沿铜管进入蓄热体。由于蓄热体处于高温状态,水急速汽化并达到过热状态,压力迅速升高,蒸汽由于冷凝所形成的压力差沿蓄热体内的钢管向前流出,同时将原先系统内的大部分空气挤压到冷凝端—套管换热器5内。套管冷凝器结构如图2所示。过热的蒸汽不断被冷却凝结成液态水,放出显热和潜热,凝结后的水顺管路流回到储液罐中,完成一个循环周期。由于容器15下端的水封作用,系统中的空气不循环,蒸汽和空气通过流动和扩散达到一定的稳态分布。