水平螺旋扁管内载气汽油蒸气的凝结换热

侯银燕，李 维

（南京工业大学城市建设与安全工程学院，江苏 南京 210009）

研究开发

水平螺旋扁管内载气汽油蒸气的凝结换热

侯银燕，李 维

（南京工业大学城市建设与安全工程学院，江苏 南京 210009）

采用实验的方法，研究了空气质量含量在2%～13%范围内，汽油蒸气在水平螺旋扁管内的凝结换热，并与同样条件下水平光管内的凝结换热进行了对比分析。实验结果表明，随着不凝气体质量含量的增加，螺旋扁管内的凝结换热减弱，在相同条件下，螺旋扁管的平均换热系数高于光管。同时，提出了水平螺旋扁管内凝结换热的实验关联式。

螺旋扁管；汽油；凝结换热系数

光管管束的管壳式换热器是目前在石油化工行业普遍使用的换热器类型，如凝结器、再沸器、蒸发器、加热器以及分馏装置等均采用这种换热器形式，且在整个石油化工行业的设备投资中占有很大的投资比例。因此，如何设计制造出高效、节能且节省材料、减少占地面积的换热器，一直是换热器行业的努力方向。流体在弯曲或扭曲的流道中会产生与主流方向垂直的二次流动，能够有效地增强层流状态下的换热[1]。Lu等[2－5]提出了开发螺旋扁管换热器的构想，并对其传热和阻力性能进行了研究。

螺旋扁管是利用模压机具将圆管压扁，然后扭曲而形成的一种强化换热管型，管子的截面为椭圆形，其管内流道因管子的扭曲而呈螺旋状。在制造过程中，可根据需要生产出不同压扁度和不同螺距的管型，但为了使换热器管子与管板的连接加工方便，椭圆管的两端仍保持为圆形。在压力降几乎相等的情况下，螺旋扁管换热器较常规换热器的总传热系数高40%[1]。顾红芳等[6－7]研究了含不凝气体时煤油在水平光管内和水平螺旋扁管管束外的冷凝，对于水平螺旋扁管管内的冷凝特性至今很少有人研究。因此，本文作者以气态汽油和空气混合气体为介质，对螺旋扁管在一定范围的不凝气体含量下做凝结特性的研究。

1 实验系统

实验系统如图1所示。液油从油箱8经油泵抽出，经缓冲罐6后，进入预热器5预热，油接近饱和状态后，经带冷却盘管的油气分离器4分离，此时在冷却盘管中用冷却水进行冷却，是为了防止少量的油已经液化，液态油进入油气混合器3，空气通过空气压缩机1经储气罐2进入油气混合器3，混合后的油气混合物进入沸腾实验段9壳侧受热沸腾，沸腾后流出的油气混合物进入油气分离器10，未汽化的油进入冷却器16充分冷却后通过玻璃转子流量计返回油箱8。汽化的油蒸气和空气进入油蒸气分气器11，一路经过控制阀门旁通进入预热器5中冷凝放热，再经过冷却器13充分冷却后，进入油气分离器14，液态油经玻璃转子流量计返回油箱8，空气及极少的油蒸气经分离器15，空气经阻火器排入大气，油蒸气经冷却进入油箱8；另一路经过控制阀门进入凝结实验段12管内冷却凝结，由凝结实验段12管内流出的油气混合物进入油气分离器17，凝结的油进入冷却器20充分冷却，经玻璃转子流量计返回油箱8；未凝结的油蒸气和空气进入冷却器18充分冷却，进入油气分离器19，液态油经玻璃转子流量计返回油箱8，空气及极少的的油蒸气进入分离器15，空气经阻火器排入大气，油蒸气被冷却进入油箱8。冷却水系统中，冷却水由水箱7进入凝结实验段，进行换热；回水排出室外。

图1 凝结实验系统

实验段采用水平套管式换热器，外管为φ45 mm×3.5 mm 的碳钢光管，内管分别为φ25 mm×2.5mm 的碳钢光管与导程为200 mm的螺旋扁管，有效换热长度为1.8 m。螺旋扁管水平套管式换热器的结构示意图如图2所示。管程为载气汽油蒸气，壳程为冷却水。

实验时，气态汽油和空气的混合物质量流量为8～41 kg/h，空气的质量分数为2%～13%。在凝结实验段前安装了涡街流量计来测量油气混合物的流量，通过玻璃转子流量计测量冷却水的流量。油气混合物的进出口温度和冷却水的进出口温度由铂电阻（PT100）测得。本实验进口为饱和汽油蒸气，出口为饱和液态汽油。

为了保证实验数据的准确性和可靠性，实验中所用的测量仪器均经过了标定，并进行了热平衡实验，实验吸热测定量和放热量热平衡在±5%范围内。

2 实验结果及分析

2.1 换热系数与不凝气体含量的关系

图2 螺旋扁管断面结构示意图

图3 水平光管内与螺旋扁管管内的凝结换热系数与空气质量含量关系的对比

图3示出了混合物质量流量在8～41 kg/h变化时水平光管内与螺旋扁管内凝结换热系数与空气质量含量的关系。由图3可以看出，在空气质量含量小于4%时，水平光管内的凝结换热系数的下降辐度显著，空气质量分数由2%升高到4%时，其凝结换热系数下降约46%。这主要是由于随着汽油蒸气的冷凝，空气会积聚在凝结液膜的界面附近，使气液界面处的不凝气体分压强高于离壁面较远的分压强，从而增加了汽油蒸气分子向液膜表面扩散的阻力。同时，相应地降低了有效的冷凝温度差，使凝结换热壁表面传热系数和换热量降低。在相同的质量流量下，空气含量的增加极大降低了换热能力。当空气质量含量进一步增加时，凝结换热系数呈单调下降趋势，但下降的程度有所趋缓。

由图3还可以看出，较之与光管，空气质量含量同样存在着减弱螺旋扁管管内凝结换热效果的现象，在空气质量含量小时，它对两相凝结换热效果影响依旧很大，由空气质量含量2%升高到4%时凝结换热系数下降约36%。混合物质量流量在相同范围内，空气质量含量相同时，螺旋扁管的换热系数与光管的换热系数相比，平均高出28%。这是由于螺旋扁管换热器的管内管外均为弯曲的螺旋流道，流体在其间运动时，受到离心力的作用而周期性地改变流动速度和方向，从而增强了流体的径向混合，破坏了换热边界层，强化了换热。

2.2 换热系数与质量流量的关系

图4示出了在2%～13%的空气质量含量范围内，混合物在光管与螺旋扁管管内凝结换热系数随质量流量变化的关系。由图4可以看出，在空气质量含量范围相同的条件下，凝结换热系数均随混合物的质量流量的增加而增大，同样表现出在混合物质量流量相同的情况下，螺旋扁管的换热系数高于光管，其平均换热系数增加28%。这是由于螺旋扁管换热器的管内管外均为弯曲的螺旋流道，增强了流体的径向混合，破坏了换热边界层，强化了换热。

图4 水平光管内与螺旋扁管内换热系数对比

2.3 管内凝结换热准则方程

按照文献[8]中关于液膜Reynolds数和凝结准则Co代表的物理意义，液膜Reynolds数可以表示如式（1）、式（2）。

在实际应用中，可以根据进、出口条件很方便地求得热负荷q =QA ，因此，液膜雷诺数可表示成如式（3）形式[9]。

空气作为不凝气体，其放热量见式（4）。

凝结的汽油放热量由潜热和显热组成，其放热量见式（5）。

未凝结汽油的放热量见式（6）。

则凝结热量见式（7）。

采用式（1）和式（2）的准则数对实验结果进行拟合，拟合后得到的准则方程为表1所示。

图5示出了水平光管管内与螺旋扁管管内凝结准则Co与液膜Re的关系对比。由图5可以看出，螺旋扁管管内的凝结准则Co较光管管内的平均高14%，说明螺旋扁管的凝结换热效果强于光管。这是因为一方面螺旋槽的脊背部分可起肋片的作用，更重要的是凝结液将由于表面张力的作用被拉回到沟槽内，顺槽排泄，而槽的脊背上只有极薄的液膜，使热阻大为降低。

表1 管内凝结换热准则方程

图5 水平光管管内与螺旋扁管内凝结准则Co与液膜Re的关系对比

3 结 论

（1）对于凝结换热系数随不凝气体质量含量变化的关系，螺旋扁管内凝结换热系数较之与光管同样存在减弱凝结效果的现象，空气质量含量对两相凝结换热效果的影响在含量小时依旧很大。混合物质量流量在相同范围内，空气质量含量相同时，螺旋扁管的换热系数与光管的换热系数相比，平均高出28%。

（2）将导程为200 mm的螺旋扁管内的凝结换热效果与光管内的凝结换热效果进行比较，发现在混合物质量流量相同的情况下，螺旋扁管的换热系数高于光管，其平均换热系数增加28%。

（3）得出了在2%～13%的空气质量含量范围内光管与螺旋扁管的凝结准则关联式，并且得出了螺旋扁管管内的凝结准则Co较光管管内的平均高14%，说明螺旋扁管的凝结换热效果优于光管。

符 号 说 明

A ——面积，m2

Cp——定压比热容，J·kg－1·K－1

Co——凝结准则数

h——两相换热系数，W·m－2·K－1

L，d——分别为管长度、内径，m

m——质量流量，kg·s－1

Q——换热量，W

q——热流密度（q=Q/A或热负荷），W·m－2

t——温度，℃

u——流速，m·s－1

x——空气质量含量，%

Re——Reynolds数（Re=ρud/μ）

μ——动力黏度，Pa·s

γ——汽化潜热，J·kg－1

λ——导热系数，W·m－1·K－1

ρ——密度，kg·m－3

下角标

a——空气

g——气相

i——管内壁

l——液相

n——汽油凝结

q——汽油

v——汽油蒸发

1，2——分别为入口、出口

[1] 梁龙虎. 螺旋扁管换热器的性能及工业应用研究[J]. 炼油设计，2001，31（8）：28-33.

[2] Lu Guodong，Zhou Qiangtai，Tian Maocheng，et al. Heat transfer characteristics of air cross-flow for in-line arrangement of spirally corrugated tube and smooth tube bundles[J]. Journal of Zhejiang University Science：Science in Engineerin，2005，6A（7）：670-675.

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[6] 顾红芳，陈听宽，孙丹. 煤油和空气的混合物水平管内冷凝换热[J]. 化工学报，2002，53（3）：313-316.

[7] 顾红芳，陈听宽. 含不凝气体时煤油在水平管束外的冷凝[J]. 工程热物理学报，2003，24（06）：976-979.

[8] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣. 传热学[M]. 第5版. 北京：中国建筑工业出版社，2007：189-192.

[9] 陈听宽. 两相流与传热研究[M]. 西安：西安交通大学出版社，2004：159-160.

Condensation heat transfer of gasoline-air mixtures in coil tube

HOU Yinyan，LI Wei (College of Urban Construction & Safety Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，Jiangsu，China)

Condensation heat transfer of gasoline-air mixture gas，with non-condensable gas mass quantity of 2%～13%，in horizontal inner coil tube was investigated through comparison with inner smooth tube. Results showed that the condensation heat transfer in coil tube is diminished when the content of noncondensable gas increases，and the average of condensation heat transfer in coil tube is higher than that in smooth tube. The condensation heat transfer coefficient could be predicted by Re and Co of liquid film，and a experimental correlation for condensation heat transfer coefficient in coil tube was established.

coil tube；gasoline；condensation heat transfer

TK 124

A

1000–6613（2010）05–0817–04

2009-10-15；修改稿日期：2009-10-28。

侯银燕（1985—），女，硕士研究生。E-mail houyinyan2004@163.com。