壳体冷凝器换热特性试验研究

韩勇军，白　超，杨赪石，彭　博，郭兆元，路　骏，马为峰

（中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710075）

壳体冷凝器换热特性试验研究

韩勇军，白超，杨赪石，彭博，郭兆元，路骏，马为峰

（中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710075）

为深入研究闭式循环热动力系统壳体冷凝器的换热特性，对采用多组螺旋矩形通道的壳体冷凝器进行了试验研究，分析了蒸汽入口流量和温度对冷凝器换热特性的影响。试验结果表明: 多组螺旋矩形通道具有较好的强化换热效果，换热效果随着雷诺数的增加而逐步增强，冷凝器总平均换热量、热流密度及凝结水出口温度均随冷凝器入口蒸汽温度和蒸汽流量的升高而升高； 但总传热系数和蒸汽侧换热系数则随冷凝器入口蒸汽温度的升高而降低，随冷凝器入口蒸汽流量的升高而升高； 并且随着入口蒸汽流量的增加，凝结水出口温度变化并不是很大。最后在试验数据基础上，关联得出了换热准则关联式，可以作为壳体冷凝器的设计计算依据。

壳体冷凝器； 换热特性； 闭式循环热动力系统

0　引言

在闭式循环动力系统中，壳体冷凝器的作用是将做功后的乏气快速冷凝成液态为系统提供循环利用工质。汽轮机出口乏汽能否快速而高效的冷凝是系统正常运行的关键，故壳体冷凝器工作性能的好坏直接影响到闭式循环动力系统的热经济性和运行可靠性。因此，合理设计壳体冷凝器，使汽轮机乏汽高效快速凝结，对动力系统具有重要意义。有必要针对闭式循环动力系统这种特殊应用环境的壳体冷凝器开展深入的冷凝换热特性试验研究。目前，国内外学者主要针对工业用汽车、空调、制冷等行业中的冷凝器进行了大量理论和试验研究，但对闭式循环动力系统中壳体冷凝器的相关研究很少，试验研究更为鲜有。

文章以闭式循环动力系统中壳体冷凝器为对象，对其换热特性进行了试验研究，分析了蒸汽入口流量和温度对壳体冷凝器换热特性的影响。根据试验数据关联得出了换热准则关联式，可以作为壳体冷凝器的设计计算依据，并为闭式循环动力系统研制提供数据支撑和参考。

1　试验系统及方法

1.1试验装置

为模拟产品真实使用环境，冷凝器试验装置采用套管结构，外壳体与冷凝器之间为冷却水。试验装置总体结构如图1所示。

图1　试验装置总体结构示意图Fig. 1　Structure of experiment system

结合壳体冷凝器特殊的使用和运行环境，冷凝器采用内、外两层壳体的形式，内壳体外圆周布置冷却通道，外壳体为光滑圆筒形壳体。冷却通道采用多组螺旋矩形通道，每组冷却通道设计多个进口通道和1个回流通道（主要考虑乏汽在冷凝器内换热后，水蒸气凝结成液态水，体积容量减小）。由于试验条件的限制，冷却水流量无法达到真实产品使用要求，故采用缩比试验方式。

在试验设计中主要采用了几何相似、动力相似、运动相似等相似原理以保证试验模型与真实冷凝器中的流动换热现象相似。根据相似理论的几何相似要求，冷凝器试验模型的冷却通道形式、通道宽度和高度尺寸均与真实冷凝器保持一致，仅将冷凝器模型的外径和冷却通道数量缩小为真实冷凝器的一半，以适应现有试验台冷却水量供应能力。根据运动相似与动力相似要求，试验模型与真实冷凝器冷却通道内的蒸汽流速和流动雷诺数要求相似，故试验时将蒸汽流量设置为真实冷凝器蒸汽流量的一半，蒸汽温度、压力与真实冷凝器保持一致，以保证试验模型每个通道内的蒸汽流量、流速与真实冷凝器保持一致，进而保证流动雷诺数相似。

壳体冷凝器工作时蒸汽能量首先通过对流换热的方式传递给外壳体内表面，然后由外壳体内表面经导热传递给外壳体外表面，最终通过对流换热的方式传递给雷外海水。壳体冷凝器外部对流换热和内部导热特性可由现有理论和经验关联式较为准确的预测和计算，故本试验重点关注壳体冷凝器内部凝结换热过程。为保证与实际壳体冷凝器工作环境一致，壳体冷凝器试验装置采用套管结构，套管与壳体冷凝器之间为冷却水。壳体冷凝器的冷却采用水冷方式，在试验装置外壳体内表面设计了螺旋沟槽，使冷却水在试验装置外壳体内螺旋流动以达到更好的冷却效果。

水蒸气经壳体冷凝器蒸汽入口通道流入壳体冷凝器，在冷却通道中被壳体冷凝器外冷却水冷凝成液态水，然后由凝结水出口通道流出。

1.2测试系统

测试系统如图2所示，蒸汽发生器产生一定流量、温度和压力的过热蒸汽，进入试验装置内并与外部一定流速的冷却水进行凝结换热，高温蒸汽放出热量后凝结成水，由试验装置出口流出（如果冷凝器的换热能力不足，可能会有部分蒸汽存在）。通过分别测量冷凝器入口蒸汽、出口凝结水以及出口蒸汽的流量、温度和压力（若凝结水流量和入口蒸汽流量相同或者出口蒸汽流量为零，则表明入口蒸汽完全凝结），可以求出高温蒸汽流经冷凝器的焓降和换热热流密度； 通过测量冷凝器壳体外部冷却水的流量和温度，可以计算得到冷凝器内蒸汽凝结换热的对流换热系数。

蒸汽流量由精度等级为0.5%FS的文丘里差压式流量仪测量，蒸汽进出口温度和冷却水进出口温度由PT100温度传感器测量，测量精度为0.2%FS。蒸汽进口压力和凝结水出口压力、冷却水进出口压力由麦克压力传感器测量，测量精度等级为0.5%FS。冷却水流量和凝结水出口流量由精度等级为0.5%FS的涡轮流量计测量。测量数据由计算机数据采集控制模块进行采集，测点布置示意图如图3所示。

图2　测试系统Fig. 2　Test system

图3　试验装置测点布置示意图Fig. 3　Schematic of testing points arrangement on experiment system

试验工况如下: 蒸汽入口雷诺数Re=17 000～50 000，蒸汽在试验段进口的压力为0.2～1 MPa、温度为150～250℃、流量为50～120 g/s。

1.3数据处理方法

1.3.1热平衡及质平衡

1）热平衡

由于管路、试验装置与外界不可能完全绝热，试验过程中蒸汽经过试验系统管路和试验装置时会与外部环境交换部分热量，产生热量损失，可用相对热平衡率进行衡量。

冷水吸热量［1］

蒸汽放热量［1］

式中: hcd，in为冷凝器入口蒸汽焓值； hcd，out为冷凝器出口凝结水焓值。

相对热平衡率［2］

2）质平衡

冷凝器进出口的质量平衡关系可用相对质平衡率进行衡量。

相对质平衡率［2］

1.3.2换热系数

冷凝器外侧热流密度［3］

由于冷凝器模型的换热过程属于变温传热，故用对数平均温差［2］衡量传热温差。

对数平均温差是指换热器两端温差的对数平均值。计算公式如下

式中: Tcd，in为冷凝器蒸汽入口温度； Tcd，out为冷凝器凝结水出口温度。

冷凝器总传热系数

通过热阻的串联，可得

式中: ςo为冷却水侧换热系数； Rw为管壁导热热阻； ςcd为蒸汽侧换热系数； Ao和Ai分别为冷凝器外壳体外表面和内壳体外表面换热面积。其中，冷却水侧换热系数可表达为［3］

式中: VT为冷却水的流速；νs为冷却水运动粘度系数； Prs为冷却水普朗特数；λs为冷却水导热系数。

以管壁外表面为基准的管壁导热热阻可表达为［2］

式中: λcd为冷凝器管壁导热系数； Di为冷凝器外壳体内径。

已知冷却水侧换热系数和冷凝器管壁导热热阻后，蒸汽侧换热系数可表达为

通道平均努塞尔数定义为［3-4］

式中: decd为通道水力直径； decd=4×通道流通截面积/通道湿周长； λv为流体导热系数。

2　试验结果与分析

2.1试验结果分析

按照设定工况进行试验并根据上述处理方法对试验数据进行处理，得到热平衡、质平衡参数及相关参数的变化曲线如图4～图6所示。

从曲线中可以看出，相对热平衡率在-2%～15%之间，相对质平衡率在-0.3%～3%之间，说明试验过程散热损失在合理范围内，冷凝器进出口质量基本守恒。从试验结果还可以看出，冷凝器总平均换热量、热流密度以及凝结水出口温度均随冷凝器入口蒸汽温度和蒸汽流量的升高而升高。但总传热系数和蒸汽侧换热系数随冷凝器入口蒸汽温度的升高而降低，随冷凝器入口蒸汽流量升高而升高，并且随着入口蒸汽流量的增加，凝结水出口温度变化并不是很大。主要是当入口蒸汽质量流量增加时，入口蒸汽流速也随之增加，蒸汽换热系数亦跟随增加，故在一定流量范围内虽然总体换热量增加，而冷凝器出口温度变化并不是很大。

图4　相对热平衡率与相对质平衡率Fig. 4　Relative thermal equilibrium ratio and relative mass balance ratio

图5　各相关参数随入口乏汽温度变化曲线Fig. 5　Curves of relevant parameters versus inlet temperature of steam exhaust

图6　各相关参数随入口乏汽质量流量变化曲线Fig. 6　Curves of relevant parameters versus inlet flowrate of steam exhaust

2.2换热准则关联式

根据试验数据，采用最小二乘法［5］进行多元非线性回归计算，最后得到换热准则关联式［6］

适用条件: 蒸汽入口Re=17 000～50 000，Pr= 0.956～1.05。定性尺寸为通道水力直径。

图7反映了准则关联式与换热试验数据点的接近程度，其中横坐标Nue表示试验测量努赛尔数值，纵坐标Nuc表示在相同的工况条件下准则关联式的计算值。由图7可以看出，计算值与试验实测值相对误差在-15.3%～6.3%之间，说明关联式可以很好的反映冷凝器换热特性与各参数之间的关系。

3　结束语

热特性的影响。在试验数据基础上，关联得出了换热准则关联式，可以作为壳体冷凝器的设计计算依据，并为闭式循环动力系统研制提供数据支撑和参考。

通过对采用多组螺旋矩形通道的壳体冷凝器换热特性的试验研究，得出了各参数对冷凝器换

图7　试验值Nue与关联式计算值Nuc的对比Fig. 7　Comparison between experimental Nueand calculated Nuc

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（责任编辑: 陈曦）

Experimental Investigation on Heat Transfer Characteristic of Shell Condenser

HAN Yong-jun，BAI Chao，YANG Cheng-shi，PENG Bo，GUO Zhao-yuan，LU Jun，MA Wei-feng
（The 705 Research Institute，China shipbuilding Industry Corporation，Xi▯an 710075，China）

To reveal the heat transfer characteristic in the shell condenser of a closed-loop thermal propulsion system，experimental research was conducted on a shell condenser with multi-groups helical rectangular channels. The effects of flow rate and temperature of inlet steam on the heat transfer performance of the condenser were analyzed. The results indicate that the multi-group helical rectangular channels can enhance heat transfer performance，and the heat transfer performance improves as the Reynolds number increases. In addition，the total average heat transfer amount，the heat flow density，and the outlet temperature of condensed water increase as the flow rate and temperature of the inlet steam rise. On the other hand，the total heat transfer coefficient and the steam-side heat transfer coefficient decrease as the inlet steam temperature rises，while they increase as the flow rate of inlet steam increases. However，the outlet temperature of the condensed water changes slightly when the inlet steam flow rate increases. Consequently，a criterion formula of heat transfer is derived based on the experimental data to provide a basis for the design of shell condensers.

shell condenser； heat transfer characteristic； closed-loop thermal propulsion system

TJ630.32

A

1673-1948（2015）05-0348-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.006

2015-07-08；

2015-08-22.

国家自然科学基金资助项目（61403306）； 中国博士后科学基金资助项目（2014M552503）.

韩勇军（1986-），男，在读博士，工程师，主要研究方向为鱼雷热动力技术.