三分螺旋折流板的疏液结构对立式冷凝器性能的影响

周家豪 吴嘉峰 陈亚平

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)

三分螺旋折流板的疏液结构对立式冷凝器性能的影响

周家豪 吴嘉峰 陈亚平

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)

为了改进立式冷凝器的性能,对强化凝结传热性能的三分螺旋折流板疏液结构形式进行了试验研究．试验立式冷凝器采用公用壳体可置换芯体结构,比较分析了6件三分螺旋折流板芯体和1件弓形折流板芯体的壳侧凝结换热性能．结果表明：三分螺旋折流板立式冷凝器的壳侧换热系数是弓形折流板方案壳侧换热系数的1.48～2.65倍,其中最佳的双头变角度带挡液堰方案的壳侧换热系数比弓形折流板壳侧换热系数平均提高了144.4%；单头变角度方案壳侧换热系数比单头定角度方案壳侧换热系数平均提高25.47%;双头变角度方案壳侧换热系数比单头变角度方案壳侧换热系数平均提高15.74%;带挡液堰方案壳侧换热系数比不带挡液堰方案壳侧换热系数平均提高6.37%．

立式冷凝器;三分螺旋折流板;换热系数;变角度折流板;挡液堰

冷凝器是换热器的重要类型之一,广泛应用于发电、化工、炼油、食品和制药等行业．立式冷凝器比卧式冷凝器占地面积小、结构简单、维修方便、成本低．立式冷凝器蒸发过程是通过管内的降膜式或强制循环加热式蒸发来实现,加热蒸汽在其壳侧凝结放热．这种管内蒸发管外冷凝的立式换热器可以应用于浓缩、海水淡化等重要流程．然而由于传统弓形折流板结构的立式冷凝器的管外凝结液在重力作用下沿壁面聚集,管束表面的凝结传热热阻沿程增大很快等原因,导致立式冷凝器壳侧凝结换热系数明显低于卧式冷凝器,限制了其应用．所以寻找一种提高立式冷凝器换热系数的方法,对于推广立式冷凝器的应用是一个极大的突破．

Nusselt[1]在1916年提出的竖壁层流凝结经典分析方法一直是液膜凝结换热的理论基础．针对具体的凝结换热条件,许多学者[2-4]先后对Nusselt理论解进行了修正和完善,并发展了一些数值模拟的方法．

对于工业过程中占主导地位的膜状凝结来说,减薄液膜是强化凝结传热的关键．彭晓峰等[5]提出了利用凝结初始段液膜较薄、换热系数较高的原理,构造短管分段凝结中间排液的思路,并根据该原理设计了一种板翅式冷凝器．Zhong等[6]对管翅式换热器的弯头处采用类似的中间疏液方法进行了强化凝结传热研究．对于应用领域更为广泛的管壳式换热器,Chen等[7-10]在三分螺旋折流板换热器基础上,提出了三分螺旋折流板立式冷凝器方案．针对管壳式换热器的壳侧凝结过程,布置变倾斜角度的周向重叠三分螺旋折流板,将管束分隔成流通截面积分段缩小的短管段,不断将管束上的冷凝液刮下并穿过疏液缺口沿壳体内壁流至换热器的底部,从而减薄换热管表面的液膜厚度,增强凝结换热．林丽等[11-12]对三分螺旋折流板立式冷凝器进行了凝结性能和流场的数值模拟研究．Wu等[13]对4种螺旋折流板立式冷凝器进行了性能试验研究,但由于试验方案没有包括定角度的方案,故未能对螺旋折流板立式冷凝器强化凝结传热作用进行结构因素的分析．

本文着重对三分螺旋折流板立式冷凝器强化疏液的几种折流板结构方案进行深入的试验研究,并通过综合比较单头、双头,定角度、变角度,带挡液堰、不带挡液堰等不同结构的传热效果,进一步揭示了螺旋折流板结构强化凝结传热的机理．

1 试验系统

本文采用试验方法研究了6种不同结构的三分螺旋折流板立式冷凝器(DVBH, DVH, SVBH, SVH, SBH35°, SH35°)的换热性能，并与弓形折流板方案(SEG)进行对比．螺旋折流板方案命名规则如下:首字母D或S分别表示双头和单头螺旋;V表示变角度,由35°,25,15°三段不同倾斜角的通道串联组成;B表示有挡液堰;H表示螺旋折流板;35°表示定角度螺旋折流板的倾斜角．

本文所研究的系统以水蒸气和水为换热工质,冷凝器管内流冷却水,壳侧流水蒸气．试验装置由电加热蒸发器和立式冷凝器组成的热虹吸式自然循环工质回路、冷却水循环回路和数据采集系统组成,具体试验流程如图1所示．

图1 试验系统流程示意图

电加热蒸发器壳体内布置6根U形电加热管,额定功率24 kW,采用电脑程序设置占空比,通过固态继电器调节功率．电加热蒸发器采用螺旋折流板引导汽流,电加热管上部的功率密度小于下部,用于产生微过热蒸汽,以弥补连接管的散热,蒸汽通过连接管道进入立式冷凝器内凝结．凝结液由冷凝器下部接口排入凝结液储罐中,在重力作用下又流入电加热蒸发器的壳体内，循环使用．设置凝结液储罐中的液位,防止电加热表面被烧干．冷凝器的循环冷却水由储水箱提供,并可通过泵、阀门调节排水和补水的比例来控制冷却水进口温度和流量．

冷凝器管程和壳程均按照单程逆流布置．冷凝器壳体公用,内径为φ81 mm,试验件芯体折流板外径为φ80 mm．各方案试验件芯体的换热管数目均为16根,换热管尺寸为φ8 mm×1 mm×832 mm,并且布置3根拉杆,拉杆外设有φ8 mm的套管．本文所测试比较的方案分别是:双头变角度带挡液堰的DVBH方案和不带挡液堰的DVH方案;单头变角度带挡液堰的SVBH方案和不带挡液堰的SVH方案;单头35°定角度带挡液堰的SBH35°方案和不带挡液堰的SH35°方案,以及弓形折流板冷凝器SEG方案,见图2和表1．

(a) 立式冷凝器

(b) DVBH

(c) DVH

(d) SVBH

(e) SVH

(f) SBH35°

(g) SH35°

(h) SEG

参数变角度双头变角度单头35°25°15°35°23°15°SBH35°SEG螺旋节距/mm7550．360150100．56015064折流板数量11181069101612

螺旋折流板在立式冷凝器中除起到支撑管束的作用外,还有强化凝结液排泄的效果．螺旋折流板分为带与不带挡液堰2种,挡液堰设置在出口边,在椭圆弧2端设置疏液缺口．螺旋折流板的强化传热机理主要体现在管束上的液膜遇到倾斜折流板后不断排走,因而在折流板下方的管束表面将以相对干燥的表面凝结蒸汽;蒸汽由上而下螺旋运动时受到的离心力也会使得凝结液流动方向指向外围,将汽流中的液滴甩向四周;扇形折流板出口边由中心指向外围向下倾斜的结构更容易引导凝结液朝外围壳体内壁流动,设置挡液堰和疏液缺口可有效实现将管束上凝结液经壳体内壁排向底部,避免折流板上的液体再次进入蒸汽流演化为复杂两相流．

试验中直接采集管程冷却水流量、冷却水进出口温度、壳侧压力、壳程蒸汽/凝结水进出口温度和压差等参数．实验装置的数据采集系统包括:Agilent34970A数据采集仪、Omega-FTB603B型流量计(精度1%)、上海自动化仪表三厂Pt100A级铂电阻(误差为±0.15K)、Omega-PX409-030AI真空压力计(精度0.08%)和Rosemount-3051差压变送器(精度0.1%).数据采集程序采用LabView操作软件编制,可分别对温度、压力、压差和流量进行实时数据监控．

2 数据处理

以流体的平均温度作为定性温度,可以确定流体的密度、运动黏度、导热系数和比热等物性参数[14]．由于蒸汽凝结的工质侧释放汽化潜热,且其流量未知,因此传热量Q可从冷却水侧参数获得，即

Q=Gicp(Ti,out-Ti,in)

(1)

式中,Gi=Viρ为冷却水流体的质量流量,其中,Vi为冷却水体积流量,ρ为冷却水密度;Ti,in,Ti,out分别为管程冷却水进、出口温度．Vi的值由流量计直接测得,密度ρ和比热cp均通过温度确定．

将换热管外的表面积作为计算传热系数的换热面积．总传热系数K可以通过下式计算得到:

(2)

式中,A=nπdol为换热面积,其不确定度为±1.41%,n为换热管数目,do为换热管外径,l为换热管长度;对数平均温差ΔTm由下式求出:

(3)

式中,ΔTmax=To,in-Ti,in,ΔTmin=To,in-Ti,out,To,in为蒸汽进口温度，且认为等于凝结温度Ts．

立式冷凝器的总传热系数K可由式(2)计算得到,壳侧的蒸汽凝结换热系数反映了立式冷凝器的凝结换热性能．通过凝结传热系数的具体值可了解试件的凝结换热性能．对于管壳式立式冷凝器,总热阻为各部分热阻之和．试验中管内流体已经达到了过渡区和湍流区状态,管内对流换热系数hi采用Gnielinski公式[15]求得,即

(4)

式中,f为与冷却水雷诺数有关的阻力系数;ct为与冷却水及普朗特数Pr有关的修正系数;λ为冷却水的导热系数;λw为管壁的导热系数;di为换热管内径．进而可由下式求得壳侧换热系数ho:

(5)

管子外壁面的平均温度Two可由下式得出:

(6)

式中,ΔTs-wo为凝结温度与外壁面温度之差．

冷却水质量流量Gi的不确定度为±1.02%;取试验值最小温差,可得传热量Q的不确定度为±4.77%;对数平均温差的不确定度为±2.79%;传热系数K的不确定度为±5.51%;壳侧换热系数ho的不确定度为±19.8%．

3 试验数据分析

对7种立式冷凝器方案进行了不同条件下的冷凝性能试验．图3给出了在凝结压力为70 kPa(对应饱和温度为90 ℃)、冷却水进口温度为(79±1)℃、冷却水流量变化时,各方案冷凝器的传热量、总传热系数、管内换热系数、壳侧换热系数、凝结温度与管子外壁面温度之差和外壁面平均温度变化曲线．图3(a)和(b)分别显示了各方案的传热量和总传热系数随管内冷却水流量变化的曲线．所有方案的性能指标均随管内冷却水流量的增加而增大;6种螺旋折流板方案的性能均远高于弓形折流板方案,且在螺旋折流板方案中,DVBH方案最佳,SH35°方案较差．图3(c)和(d)分别显示了各方案由式(4)计算的管内和壳侧换热系数随管内冷却水流量变化的曲线．7种方案的管内换热系数均随管内冷却水流量的增加而增大．管内换热系数重合在一起是因为管内换热系数是根据管内流量式(4)确定的计算值．7种方案的壳侧换热系数除了流量较小的一个点数值稍高外,其他点几乎不随管内冷却水流量的变化而变化,且各方案壳侧换热系数的区分度比较明显．图3(e)和(f)为各螺旋折流板方案的总传热系数K与弓形折流板总传热系数KSEG之比、螺旋折流报方案壳侧换热系数ho与弓形折流板壳侧换热系数hoSEG之比随管内冷却水流量的变化曲线．由图可见,K/KSEG大约在1.15～1.37范围而变化,其平均值为1.267;而ho/hoSEG则在1.48～2.65范围而变化,其平均值为2.032．6种螺旋折流板(DVBH,DVH,SVBH,SVH,SBH35°和SH35°)方案的总传热系数、壳侧换热系数与弓形折流板(SEG)方案总传热系数、壳侧换热系数比值的平均值分别为1.330,1.315,1.289,1.271,1.213,1.183和2.444,2.330,2.124,1.999,1.715,1.581，其中DVBH的总传热系数和壳侧换热系数分别比SEG方案提高33.0%和144.4%．图3(g)和(h)分别为各螺旋折流板方案的凝结温度Ts与管子外壁面温度之差ΔTs-wo和外壁面平均温度Two的变化曲线．可见ΔTs-wo随管内流量增加而增大,且壳侧换热系数越低,温度差越大;外壁面平均温度则随管内流量增加而降低,且壳侧换热系数越低，平均温度越小．

(a) 传热量

(b) 总传热系数

(c) 管侧换热系数

(d) 壳侧换热系数

(e) 总传热系数比值

(f) 壳侧换热系数比值

(g) 凝结温度与外壁面温度之差

(h) 外壁面温度

试验数据统计表明,有挡液堰方案DVBH,SVBH,SBH35°的壳侧换热系数比无挡液堰方案DVH,SVH,SH35°的壳侧换热系数分别提高4.78%，6.63%和8.48%,3种有挡液堰方案的壳侧换热系数比3种无挡液堰方案的壳侧换热系数平均提高了6.37%．单头变角度方案SVBH和SVH的壳侧换热系数比单头定角度方案SBH35°和SH35°的壳侧换热系数分别提高23.91%和27.02%,2种单头变角度方案的壳侧换热系数比2种单头定角度方案的壳侧换热系数平均提高25.47%．双头变角度方案DVBH,DVH的壳侧换热系数比单头变角度方案SVBH,SVH的壳侧换热系数分别提高15.16%和16.32%,2种双头变角度方案的壳侧换热系数比2种单头变角度方案的壳侧换热系数平均提高15.74%．

在相同条件下,三分螺旋折流板冷凝器方案的凝结换热性能都明显高于弓形折流板方案．这是因为蒸汽在弓形折流板通道中呈蛇形流动,折流板与壳体壁面存在蒸汽流动死区,水平弓形折流板上积聚的凝结液易被裹夹到蒸汽流中,在管子外表面形成较厚的液膜,增大冷凝热阻,阻碍蒸汽的凝结．而在三分螺旋折流板凝结方案中,蒸汽在螺旋折流板的引导下,形成无流动死区的螺旋流有利于汽液分离;倾斜的折流板具有排液盘的功能,不断将管束上的冷凝液刮干,凝结液在挡液堰和疏液缺口排至换热器底部,使蒸汽在折流板下方管束重新以干表面冷凝,因而可提高凝结换热系数．

凝结压力P也是影响凝结换热的主要因素之一．凝结压力越低则真空度越高,不凝性气体对传热的负面影响就越大．图4给出了在冷却水流量为0.175 kg/s条件下,各方案总传热系数、壳侧换热系数的试验数据随蒸汽凝结压力的变化关系．图4(a)显示,7种方案的总传热系数均随压力增大而近似呈线性增大,螺旋折流板方案比弓形折流板方案的总传热系数提高了10%～35%,平均提高24.3%．图4(b)显示7种方案的壳侧换热系数均随压力增大而缓慢增大,螺旋折流板方案比弓形折流板方案的壳侧换热系数提高35%～136%,平均提高83.6%．图4表明7种方案的总传热系数和壳侧换热系数均随压力降低或真空度增大而有所降低．

图3和图4都显示6种螺旋折流板方案的凝结换热性能均比弓形折流板方案有大幅提高;三分螺旋折流板立式冷凝器方案中双头、变角度和/或带挡液堰方案的性能均明显优于对应的单头、定角度和/或不带挡液堰方案,其中变角度效果最明显,双头其次,挡液堰的提升效果较小．说明变角度螺旋折流板方案通过截面逐渐变小而补偿水蒸气因凝结而减小的体积流量,使其流动速度可以维持较高的数值,增强了换热性能;双螺旋通道的较小螺距使短管效应增加;而挡液堰可防止在折流板上表面的液体被蒸汽再卷吸回蒸汽主流中．从挡液堰对于螺距较大的单头定角度35°方案的提升效果最好可知,挡液堰在传热管上相邻折流板间距和折流板尺寸较大的三分螺旋折流板立式冷凝器中的作用更大．

(a) 总传热系数

(b) 壳侧换热系数

4 结论

1) 6种三分螺旋折流板方案的总传热系数和壳侧换热系数均显著优于弓形折流板方案,其中性能最优的双头变角度带挡液堰三分螺旋折流板方案(DVBH)的总传热系数和壳侧换热系数分别比弓形折流板方案(SEG)提高33.0%和144.4%．

2) 2种单头变角度方案的壳侧换热系数比2种单头定角度方案的壳侧换热系数平均提高25.47%;2种双头变角度方案的壳侧换热系数比2种单头变角度方案的壳侧换热系数平均提高15.74%;3种有挡液堰方案的壳侧换热系数比3种无挡液堰方案的壳侧换热系数平均提高了6.37%．

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Influences on performances of vertical condensers with different liquid draining structures of trisection helical baffles

Zhou Jiahao Wu Jiafeng Chen Yaping

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China) (Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To improve the condensation heat transfer performance of vertical condensers, the experiment about condensation heat transfer performance of the shell side was conducted on the enhancement features of trisection helical baffles with different liquid draining structures. The studied vertical condenser used a common shell with replaceable cores, and the testing cores included six trisection helical baffle tube bundles and a segment one. The experimental results show that the shell side condensation heat transfer coefficient of the vertical trisection helical baffle condensers is 1.48 to 2.65 times than that of the segment one, in which the shell side heat transfer coefficient in the best scheme adopting dual-thread and variable angled baffles with liquid dam increases 144.4% than that of the segment one. The shell side heat transfer coefficients in single thread variable angle schemes are, on average, 25.47% higher than the corresponding single thread single angle ones; the shell side heat transfer coefficient in the dual-thread variable angle helical baffle schemes is,on average, 15.74% higher than the corresponding single-thread variable angle ones; and the shell side heat transfer coefficients in the helical baffle schemes with liquid dam are, on average, 6.37% higher than the corresponding ones without liquid dam.

vertical condensers; trisection helical baffle; heat transfer coefficient; variable angle baffles; liquid dam

第47卷第1期2017年1月 东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol．47No．1Jan．2017DOI：10．3969/j．issn．1001-0505．2017．01．012

2016-07-23. 作者简介: 周家豪(1992—),男,硕士生;陈亚平(联系人),男,博士,教授,博士生导师,ypgchen@sina.com.

国家自然科学基金资助项目(51276035, 51206022).

周家豪,吴嘉峰,陈亚平.三分螺旋折流板的疏液结构对立式冷凝器性能的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(1):61-66.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.01.012.

TK172

A

1001-0505(2017)01-0061-06