弹性管束换热器强化传热试验研究

1 引言
　　
　　流体诱导振动是换热设备中普遍存在的一种现象。已经提出的流体诱导振动机理主要有：旋涡脱落、紊流颤振、流体弹性激振、声激振、两相流静压脉动等。很多研究者围绕这些机理作了大量研究工作，提出了许多新的理论模型与判别式^[1]，这些研究在指导换热器设计方面起到了积极作用。但这些研究几乎都致力于流体诱导振动的防止，而对其强化传热的影响很少讨论过。
　　本文提出了利用流体诱导振动实现强化传热的新方法。设计了一种新的传热元件--弹性管束。该传热元件不同传统的设计模式，让传热元件从众多的约束中解脱出来，在管内外流体诱导下自由振动，依靠元件本身的振动特性使振幅通过系统阻尼得到有效控制，元件长期运行不致损坏，同时依靠振动大幅度地强化传热。该强化传热方式不需要消耗外部能源，属于无源强化。振动在强化管外对流换热同时减小污垢热阻，从而实现复合强化传热。本文对弹性管束汽水换热器的复合强化传热特性进行探讨。
　　
2 弹性管束的结构及振动特性
　　
　　弹性管束的结构如图1所示，它由四根圆管组成，C，D是固定端，A，B是自由端，A，B端具有附加质量。通过调整弹性管束的曲率半径R，管径d壁厚δ以及A，B端的附加质量，可以改变其固有频率和固有振型。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1　弹性管束结构及壁温测点分布
　　
　　弹性管束具有独特的固有振型，其中二个频率的振型结构^[2]如图2所示。弹性管束的振动有发下特点：在不同的固有频率下，弹性管束的固有振型也完全不同；弹性管束的振动既有面外振动，又有面内振动；弹性管束的各管的振动特征不同，1#管较长，刚度较其他管子低，其振动强度高于其他各管，并且振动出现较高阶的弯曲振动。2#和3#管长度和约束条件基本相同，这二管的振动特征基本相同。在固定端C、D处几乎没有振动发生，而在自由端A、B处振幅相对较大。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　弹性管束的固有振型结构
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）13.5Hz；（b）48.3Hz
　　
　　试验证实^[2]，管内和管外流体诱导振动的机理和管束的振动特性是不同的。图3为管外水流诱导弹性管束振动的功率谱均为离散谱，由此可见管外水流诱导弹性管束振动为周期性振动，振动为几阶低频振动的谐振。在汽-水换热条件下，加热介质蒸汽在管内不断凝结，最终变为凝结水。汽液两相流是管内流动最基本的特征。由于汽液两相流的不稳定，可引起管内静压的脉动现象。另外汽液两相流在自由端不断的转向流动，加剧了汽液两相不稳定性。管内汽液两相流诱导弹性管束的振动功率谱密度变为连续谱，管束的振动响应不再局限于几阶频率，而是分布在一个较宽的频带上，高频振动明显增加，振动为随机振动（如图4所示）。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　管外水流诱导弹性管束振动的功率谱
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　汽-水换热条件下管外振动的功率谱
　　
3 传热试验装置
　　
　　本试验装置如图5所示，主要由试验段、水系统、蒸汽系统和数据采集和处理系统组成。蒸汽从分汽缸经调节阀、温度和压力测量装置进入弹性管束汽-水换热器的管束内。在管内凝结放热后变为凝结水，由凝结水管排出。蒸汽的流量通过测量凝结水的流量而得到。被加热水经水泵、调节阀、涡轮流量计进入换热器的壳程，在换热器内被加热后，由出水管导入冷却塔，降温后再返回水箱。弹性管束在换热器中水平放置。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 试验装置系统图
　　
　　换热器的进出口水温和凝结水温度由铜-康铜热电偶和标准水银玻璃温度计进行测量并加以比较。蒸汽入口温度以及换热器内弹性管束管内和管外介质的温度以及管壁的温度均由铜-康铜热电偶测量，热电偶的测量信号全部送入美国Fluke Net-DAQ2640A型数据采集系统进行记录和处理。
　　

4 汽-水换热器传热试验结果及分析
　　
　　4．1 传热系数
　　表1为不同蒸汽压力和不同的水流量下部分试验结果。总的看来，蒸汽压力在0.2～0.4MPa，壳体水流Re数在100～700范围内，弹性管束换热器的平均传热系数在4000～5100（W/m²·K）之间。弹性管束换热器与其他类型换热器的传热系数相比在低流动Re数下强化传热效果明显。
　　影响弹性管束传热系数的主要因素为蒸汽的进口压力、水流的Re数及弹性管束的结构。这主要是因为弹性管束换热器是依靠管束的振动强化传热，上述参数对管束的振动强度起重要作用。从表1中可以看到，蒸汽的进口压力对传热系数影响较大。而水流量对传热系数的影响相对较小，这与传统换热设备有很大的不同。要得到传热系数随其他参数变化的关系式，这项工作尚需努力。
　　
　　4．2 管外对流换热系数
　　表1列出了部分工况下，管外对流换热系数的数值。在试验参数范围内，汽-水换热条件下弹性管束管外平均对流换热系数一般在5500～8000（W/m²·K）左右。与管内恒热流电加热条件下的管外对流换热系数相比提高了一倍左右^[2]。这说明管内汽水两相流动对弹性管束的振动影响很大，在管内、管外流动介质共同作用下，液体诱导振动强化传热的效果更加明显。若与同Reynolds数下横向冲刷固定管束的对流换热系数相比，管外平均对流换热系数提高了4～5倍以上。其中横掠固定管束管外平均对流换热系数采用Zukausas给出的公式^[3]。弹性管束外对流换热系数与管内外介质和流动条件均有较大的关系，这点与传统换热设备有很大不同。这是因为弹性管束依靠流体诱导振动来强化传热，管内外介质和流动条件变化，液体诱导振动强度会发生相应变化。
　　
　　 　　　　　　　　　　同试验工况下部分试验结果　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表1

在管内恒热流电加热条件下，弹性管束的振动只有管外水流诱导引起，其管外对流换热准则施工为：
　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)
　　在水水换热器中，管内为高温水，弹性管束的振动是管外和管内水流共同诱导产生的，在管内流速1.5m/s时，实验测的管外对流换热方程式为：
　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)
　　在汽水换热器中，管内为汽液两相流，弹性管束的振动是管外水流和管内两相流共同诱导产生的，在管内蒸汽压力为0.2MPa时，实验测的管外对流换热准则方程式为：
　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)
　　上述公式使用于Re的范围为50～1000，误差为±8%。
　　
　　4．3 管内凝结放热系数
　　管内的蒸汽凝结放热系数一般在12500～14500W/(m²·K)范围内。关于表面振动对蒸汽凝结换热的影响，[4]等做过研究，结论为表面振动对凝结换热有一定影响，但较小，一般凝结换热系数变化在15%以内。为了便于比较，在相同的流动状况下，本文采用文献[5]推荐的计算水平管管内凝结换热系数的公式对固定光管管内凝结换热系数进行了计算。结果发现，表面振动条件下管内蒸汽凝结换热系数的提高幅度在20%以内。这说明弹性管束振动强化传热对管外对流换热影响较大，而对管内换热影响较小。
　　
　　4．4 强化对流换热机理分析
　　在管内外流体共同诱导下弹性管束的振动为三维振动，既有管束面内振动，又有管束面外振动，管束上各点的振动强度也不相同，因此弹性管束的振动特性非常复杂。弹性管束在自身振动的同时，还要接受换热器来流的横向冲刷，另外换热器内管子与相邻管子相互影响，由于振动的复杂性和不确定性以及壳体内流场的复杂性，要从理论上确定弹性管束管外近壁区实际流场结构是异常困难的。利用边界层理论定性分析，弹性管束强化管外对流换热的主要原因为：提高近壁面的流体速度，使附面层厚度减小；提高了附面层区域的湍流度；改变了绕流圆管的流场结构。
　　
5 汽水换热器传热温差计算讨论
　　
　　对于本文研究的管束内的蒸汽凝结放热问题，由于沿管子长度方向压力不断降低，蒸汽的饱和温度也相应下降。而几乎所有的书中蒸汽凝结放热介质温度的变化都描述为图6A曲线所示^[4]。而实际的湿度分布近似为曲线B所示。该曲线左侧为蒸汽凝结放热，右侧为凝结水过冷。因此，实际计算时，可采用图6中曲线C近似计算。该曲线与单相介质的放热相似。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 管内蒸汽凝结放热温度分布原理图
　　
　　由于弹性管束换热器内冷、热介质的流动不是平等流，而是为错流，其中热介质不混合，冷介质混合。因此其传热平均温差不能采用顺流或逆流的对数平均温差进行计算。蒸汽凝结放热的温度变化规律可参照单相介质的放热规律，采用积分法来得到弹性管束汽水换热器平均传热温差的计算公式如式（4）所示，经验证，利用该公式计算误差小于5%。
　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4）
　　
6 弹性管束污垢特性
　　
　　弹性管束在振动条件下，污垢的形成及与固定管束的情况有所不同。为此作者对某用于加热生活热水的汽水换热器进行跟踪测试。污垢热阻随运行时间的增加而增加，当达到一定时间时，其污垢热阻的数值基本稳定在0.5×10⁴～0.57×10⁴m²·K/W左右。这一数值与文献[5]相比较，污垢热阻只有普通光管的1/3左右。在换热器运行2年后，打开壳体发现在主要传热面弹性管束的表面上，垢层很薄并呈斑秃状。在换热器的底部有较多脱落的片状污垢聚积，这证明弹性管束确定具有自动除垢功能。
　　弹性管束能够减少污垢的原因可以从以下几方面说明：弹性管束为全圆弧结构，并且是在水平面内可自由伸缩的弹性系统，面内振动是弹性管束能够自动除垢重要原因；在换热器运行过程中参数变动以及启停过程中，传热壁面温度变化会产生热应力，弹性管束的热应力对自动除垢也起重要促进作用；另外弹性管束表面振动，使得管表面附近流体流速增加，湍流度增大，使污垢的生成速度变缓。
　　
　　
参考文献
　　
　　1 Paidoussis M.P. A Review of Flow-Induced Vibrations in Reactors and Reactor Components. Nuclear Engineering and Design, 1982, 74:31～60
　　2 田茂诚，弹性管束换热器的振动强化传热及动态特性研究：[博士学位]，南京：东南大学，1998，12
　　3 A.A.茹卡乌斯卡斯，换热器内对流换热，北京：出版社，1986。
　　4 Saha S., Tomarov G.V. and Povarov O. A. Experimental Investigation into the Flow of Liquid Film under Saturated Steam Condition on a Vibrating Surface. Int. J Heat Mass Transfer, 1995, 38 (4): 593～597
　　5 Hewit G. F. Hemisphere handbook of Heat Exchanger Design. New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1990.