含空气逸流的水平管外冷凝实验装置设计

张俊霞 陈党委 宁少帅 郭雷雷 雷 彻

(榆林学院能源工程学院)

含空气逸流的水平管外冷凝实验装置设计

张俊霞 陈党委 宁少帅 郭雷雷 雷 彻

(榆林学院能源工程学院)

设计了利用文丘里抽吸形成空气逸流来改善水平管外冷凝换热的实验装置。基于能量守恒、对数平均温差法和喷管原理，给出了合理的蒸发器、冷凝段和空气逸流装置结构。随着蒸发器加热功率的增加，蒸发器长度、蒸汽质量流量和冷凝段长度将增加；随着蒸汽压力增加，蒸发器和冷凝段长度均下降，空气逸流量将增加。在套管周向开设空气逸流口，采用空气逸流管使之与文丘里管喉段相接，利用文丘里抽吸排除冷凝空间中的空气。

冷凝实验装置 空气逸流 文丘里管

在化工换热设备中，普遍存在含不凝气体的冷凝换热现象。存在不凝气体会恶化冷凝换热，增加传递过程阻力[1]。Gross U提出通过从液膜表面疏散不凝气体的方法来抑制它对冷凝换热的不良影响[2]。目前已有较多涉及含不凝气体冷凝换热的实验研究[3～6]，这些实验测量了不凝气体对换热参数的影响规律和存在不凝气体冷凝换热关联式的发展。文献[3]给出了空气对水平管束冷凝换热的影响，文献[4]提出了蒸汽/空气在水平管上冷凝换热的实验关联式，文献[5]指出煤油蒸汽/空气在螺旋扁管束上的冷凝换热系数是正方形和三角形管束的2.0～3.4倍，文献[6]指出水平管束外冷凝空间中漏入空气大于0.60%～1.37%时，冷凝器压力和端差急剧增加，传热系数迅速下降。然而，现有实验装置未曾提供一种有效疏散不凝气体的方法。笔者采用工程热力学和传热学的知识设计了一种采用文丘里管的真空抽吸形成空气逸流，以排放冷凝空间中空气，并改善冷凝换热的实验装置。

1 水平管外含空气逸流的冷凝实验装置

图1是含空气逸流的冷凝实验装置简图，它由蒸发器、冷凝段和逸流装置构成。蒸发器内部添加水，采用电加热使水变为蒸汽，然后进入到冷凝段凝结，凝液回流到蒸发器中实现循环运行。考虑到实验条件和安全性，蒸发器最大加热功率为8kW，最高压力为0.4MPa。整个系统要求密封并加装保温棉以防止蒸汽泄漏和散热损失。在实验开始时，不对系统抽空气，在蒸汽驱动下，空气会滞留在冷凝段，通过安装在冷凝套管上的空气逸流装置引出系统。

图1 含空气逸流的冷凝实验装置简图

与文献[2～6]中的实验装置相比，笔者所用的实验装置具有以下优势：

a. 采用文丘里管的真空抽吸作用形成空气逸流。文献[3～6]中仅采用真空泵和空压机来调节冷凝空间的空气量，这些均在实验启动前完成。而笔者采用的文丘里管真空抽吸排放冷凝空间中的空气可在冷凝过程中随时进行。

b. 通过调节文丘里管结构参数调节空气逸流量。该实验装置可通过调节文丘里管的收缩比、扩散角和进出口压力差改变文丘里管喉段的真空度，以实现空气逸流量的调节。

2 实验系统设计方法

2.1 蒸发器长度

由于目前市场上出售的蒸发器多为立式，高度大于1m，不能多档调节，是常压锅炉，水位截面积小，不利于较快产生蒸汽，是整体箱式结构，不利于拆卸维修。因此，本实验装置中的蒸发器采用圆筒状卧式结构，其右侧采用椭圆封头，左侧采用法兰密封，便于拆卸维修，较大的横截面便于快速产生蒸汽，高度仅有0.6m，便于操作。令圆筒形蒸发器长度为Le，内径为Re，且Le=4Re，筒体的长度Le为：

(1)

其中，V为蒸发器容积，令蒸发器中水的体积为V/2，由于实验过程中冷凝水会回流到蒸发器内，蒸发器中水量维持1h使用。由此得到蒸发器容积为：

V=7.2W/(hfg·ρw)

(2)

其中，蒸发器加热功率为W，水的汽化潜热和密度分别为hfg和ρw。由此可以得到蒸汽质量流量Gv为：

Gv=W/hfg

(3)

2.2 冷凝管长度

图2是水平套管内蒸汽/空气冷凝换热物理模型，它由内部冷凝管和外部套管组成，内部冷凝管外径D=50mm，壁厚为δ=5mm，以便于埋入热电偶。冷凝管内冷却水入口温度Ti=293℃，质量流量Gv蒸汽/空气从套管上方流入，在冷却水对流换热下，蒸汽在冷凝管外表面冷凝，空气滞留在套管中。

图2 水平套管内蒸汽/空气冷凝换热物理模型

冷却水取自来水质量流量Gc=1kg/s，冷凝管内径为40mm，经计算冷却水雷诺数为4 500左右，冷却水流动属于管内受迫湍流流动，对流换热系数hc采用下式计算：

(4)

其中，λc、Rec和Prc分别为冷却水的导热系数、雷诺数和普朗特数。冷却水出口温度To可以用测得的冷却水进口温度Ti计算：

To=Gvhfg/Gccp+Tt

(5)

式中cp——水的定压比热容。

由此可得对数平均温差ΔTm为：

ΔTm=[(Ts-Ti)-(Ts-To)]/ln[(Ts-Ti)/(Ts-To)]

(6)

式中Ts——蒸汽的饱和温度。

根据熊孟清等的研究结果，冷凝换热系数随压力增加而增加，当Gv一定时，低压条件下所需冷凝管较长[4]。根据文献[7]，在冷凝空间压力为0.1MPa和空气含量为41%时，含空气冷凝换热系数下降为纯蒸汽冷凝换热系数的1/3。由于笔者所用的实验装置压力为0.1～0.4MPa，而且实验系统中滞留空气含量较低。因此，可将纯蒸汽冷凝换热系数hl[8]缩小3倍用作蒸汽/空气冷凝换热系数，计算式如下：

(7)

式中Tw——冷凝管壁面温度；

λl——冷凝液体导热系数；

ρl——冷凝液体的密度。

由此可得水平冷凝套管的传热系数k为：

(8)

式中λw——冷凝管的导热系数。

根据换热器换热量计算式，可得冷凝管长度Lc为：

Lc=3Gvhfg/(πDkΔTm)

(9)

2.3 空气逸流管直径

假设冷凝空间喷管附近空气压力为p，温度为T，流速为0。则空气从出口截面为Am的渐缩管流入压力为p0的文丘里管喉管中，空气逸流流量Gad和逸流流速uad可计算[9]为：

Gad=(Am/v)·cs{2[(p0/p)2/k-(p0/p)(k+1)/k]/(k-1)}1/2

(10)

uad=Gad/ρaAm

(11)

2.4 设计参数分析和讨论

笔者计算了蒸发器加热功率在4～8kW，蒸汽压力在0.1～0.4MPa时的蒸发器长度、冷凝段长度和空气逸流量随加热功率和蒸汽压力的变化规律。

图3是蒸发器长度Le随蒸汽压力p和加热功率W的变化曲线。由图可知，Le在0.6～1.1m之间变化，随着p的增加，Le减小，这是因为压力增加会使蒸汽比体积减小；随着W的增加，Le增加，这是因为W增加会使产生的蒸汽量增加，所需水量和蒸汽空间容积均会增加。为了满足设计工况，此处取蒸发器最大管长为Le=1.1m。图4是蒸汽质量流量Gv随加热功率W和压力p的变化曲线，Gv在1.6～3.8g/s之间变化。随着p的升高，Gv略有升高，但不显著；随着W的增加，Gv显著增加。

图3 蒸发器长度随蒸汽压力和加热功率的变化曲线

图4 蒸汽质量流量随蒸汽压力和加热功率的变化曲线

图5是冷凝段长度Lc随蒸汽压力p和加热功率W的变化曲线。由图可知，Lc在0.3～0.9m之间变化。随着p的增加，Lc减少，这表明较高的蒸汽压力会增大蒸汽分子和液膜表面的碰撞频率，冷凝量随之增加，所需冷凝段长度自然减少；随着W的增加，Lc增加，这表明较高的加热功率会产生较多的蒸汽，需要的冷凝空间会显著增大。笔者选取冷凝段长度Lc为1.0m。

图5 冷凝段长度随蒸汽压力和加热器功率的变化曲线

图6是空气逸流量Gad和逸流流速uad随引流管直径和蒸汽压力的变化曲线。随着引流管直径的增加，Gad升高；随着p的升高，Gad也升高。这表明较大压差是促进空气逸流流动的主要动力，较大的引流管直径可促使更多空气离开冷凝空间。因此，较高的Gad有助于冷凝换热。考虑到安装和加工制造的限制，引流管直径D选取10mm。

3 实验系统结构

根据以上计算和分析讨论，可以得到如图7所示的蒸发器、冷凝段和空气逸流装置的结构示意图。在图7a中，蒸发器筒体下部安装有4个支撑，距离地面0.2m，使筒体能够稳固的放置在地面上，在筒体最右面是加水管和加水阀，靠左面上方安装有蒸汽管。启动前，可打开截止阀将蒸馏水加入到筒体内，加水量可通过封头右侧安装的玻璃管液位计所显示的水位来控制；蒸发量可通过控制加热功率来改变。回水管用来使冷凝液体从储液筒返回蒸发器中，其上安装了止回阀，仅允许冷凝水单向流回蒸发器。在图7b中，冷凝段采用水平套管结构，为了便于密封和安装，套管由相同两段连接而成，相邻套管间采用法兰连接。套管左右采用堵盖密封，其中心均设有可使冷凝管穿过的圆孔，在套管内部同轴安装冷凝管，并嵌入到左右堵盖的圆孔中。冷凝管左右两侧另接接管，在接管内各设一个吊环，其上悬挂一根穿过冷凝管中心的钢棍，其上设有若干热电偶，来测量冷却水中心温度。为了测量逸流空气对冷凝换热的影响，在冷凝管外壁沿周向等间距开设若干深2mm的丁字形沟槽，在它内埋入热电偶来测量冷凝管壁面温度。这些热电偶线通过设置在接管和套管底部的出线管引出，并接在Agilent测温仪上。套管顶部有蒸汽管可使来自蒸发器的蒸汽流入套管内，在通入冷却水的作用下，蒸汽在冷凝管上凝结，凝液从套管下方凝液管流出。图7c中，考虑到水平管外蒸汽冷凝换热的对称分布，在冷凝套管周向周角θ为50～180°的范围开若干直径为10mm的逸流口。当考察其中任意一个逸流口对换热参数的影响时，将其他逸流口用孔帽盖上。对于需要考虑的逸流口，在其上方安装引流管，并将引流管接在放置在冷凝套管下方的文丘里管的喉段部位，利用引流气体在文丘里管喉段产生的真空抽吸来将冷凝空间中的空气抽引出来，形成空气逸流，来改善冷凝换热。

图6 空气逸流量和逸流流速随引流管直径和蒸汽压力的变化曲线

图7 实验系统关键部件示意图

4 结束语

基于传热学和工热学知识，给出了利用文丘里抽吸形成空气逸流来改善水平管外冷凝换热实验装置的尺寸。经过计算发现，随着蒸发器加热功率的增加，蒸发器长度、蒸汽质量流量和冷凝段长度将增加。随着蒸汽压力的增加，蒸发器和冷凝段的长度均下降，空气逸流量将增加。在套管周向开设空气逸流口，采用空气引流管使之与文丘里管喉段相接，利用文丘里的真空抽吸排除冷凝空间中的空气。

[1] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：99～108.

[2] Gross U.Reflux Condensation Heat Transfer Inside a Closed Thermosyphon[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1992，35(2)：279～294.

[3] 庄正宁，唐桂华，朱长新.不凝气体存在时水平管束冷凝换热特性的试验研究[J].西安交通大学学报，2000，34(7)：35～38.

[4] 熊孟清，林宗虎，刘咸定.含空气的蒸汽在水平圆管外表面冷凝换热的实验研究[J].发电设备，1997，(2)：33～35.

[5] 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(6)：976～979.

[6] 种道彤.漏空气对凝汽器传热性能影响的实验研究[J].中国电机工程学报，2005，25(4)：152～157.

[7] Nolte G，Mayinger F.Condensation from Steam-air Mixtures in a Horizontal Annular Flow Channel[J].Experimental Thermal and Fluid Science，1988，1(4)：373～384.

[8] Nusselt W.Die Oberflachen Kondensation des Wasserdampfers[J].Zeitschriftdes Verein Deutscher Ingenieure，1916，60：541～546，569～575.

[9] 严家騄，王永青.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2006.

DesignofExperimentalDeviceforCondensationHeatTransferoverHorizontalTubewithAirDrainage

ZHANG Jun-xia, CHEN Dang-wei,NING Shao-shuai,GUO Lei-lei,LEI Che
(SchoolofEnergyEngineering,YulinUniversity)

An experimental device was designed for the air drainage which generated by Venturi suction to improve condensation heat transfer over horizontal tube.Basing on the energy conservation, LMTD method and nozzle principle, the reasonable structures of the evaporator, the condensation section and the air drainage device were given out. With the increase of the evaporator’s heating power, the evaporator’s length, the vapor mass flux and the condensation section length increase; As vapor pressure increases, the lengths of both the evaporator and condensation section decrease but the air drainage mass flux goes up. Several air drainage holes were set along circumferential direction of the horizontal tube; and making use of air drainage tubes to connect it to the throat section of Venturi tube to discharge air in condensation section by means of Venturi suction.

condensation experiment device, air drainage, Venturi tube

国家自然科学青年基金项目(51406176)；榆林学院重点科研项目(14YK27)。

张俊霞(1974-)，副教授，从事冷凝器内蒸汽冷凝结换热研究，wyb700411@163com。

TQ051.6+1

A

0254-6094(2017)03-0279-05

2016-07-21，

2016-12-19)