彈性管束換熱器強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究

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1、彈性管束換熱器強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究摘要　本文設(shè)計(jì)了一種新的傳熱元件--彈性管束，它對(duì)管內(nèi)外流體流動(dòng)具有良好的振動(dòng)響應(yīng)特性。利用傳熱表面振動(dòng)提高管外對(duì)流換熱系數(shù)的同時(shí)，利用振動(dòng)變形減少積垢，降低污垢熱阻，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合強(qiáng)化傳熱。在汽水換熱條件下，對(duì)流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化對(duì)流換熱規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了管外對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式?！　￡P(guān)鍵詞　　換熱器強(qiáng)化傳熱污垢1引言　　　　流體誘導(dǎo)振動(dòng)是換熱設(shè)備中普遍存在的一種現(xiàn)象。已經(jīng)提出的流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理主要有：旋渦脫落、紊流顫振、流體彈性激振、聲激振、兩相流靜壓脈動(dòng)等。很多研究者圍繞這

2、些機(jī)理作了大量研究工作，提出了許多新的理論模型與判別式[1]，這些研究在指導(dǎo)換熱器設(shè)計(jì)方面起到了積極作用。但這些研究幾乎都致力于流體誘導(dǎo)振動(dòng)的防止，而對(duì)其強(qiáng)化傳熱的影響很少討論過?！　”疚奶岢隽死昧黧w誘導(dǎo)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的新方法。設(shè)計(jì)了一種新的傳熱元件--彈性管束。該傳熱元件不同傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，讓傳熱元件從眾多的約束中解脫出來，在管內(nèi)外流體誘導(dǎo)下自由振動(dòng)，依靠元件本身的振動(dòng)特性使振幅通過系統(tǒng)阻尼得到有效控制，元件長(zhǎng)期運(yùn)行不致?lián)p壞，同時(shí)依靠振動(dòng)大幅度地強(qiáng)化傳熱。該強(qiáng)化傳熱方式不需要消耗外部能源，屬于無源強(qiáng)化。

3、振動(dòng)在強(qiáng)化管外對(duì)流換熱同時(shí)減小污垢熱阻，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化傳熱。本文對(duì)彈性管束汽水換熱器的復(fù)合強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行探討?！　?彈性管束的結(jié)構(gòu)及振動(dòng)特性　　　　彈性管束的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由四根圓管組成，C，D是固定端，A，B是自由端，A，B端具有附加質(zhì)量。通過調(diào)整彈性管束的曲率半徑R，管徑d壁厚δ以及A，B端的附加質(zhì)量，可以改變其固有頻率和固有振型?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D1　彈性管束結(jié)構(gòu)及壁溫測(cè)點(diǎn)分布　　　　彈性管束具有獨(dú)特的固有振型，其中二個(gè)頻率的振型結(jié)構(gòu)[2]如圖2所

4、示。彈性管束的振動(dòng)有發(fā)下特點(diǎn)：在不同的固有頻率下，彈性管束的固有振型也完全不同；彈性管束的振動(dòng)既有面外振動(dòng)，又有面內(nèi)振動(dòng)；彈性管束的各管的振動(dòng)特征不同，1#管較長(zhǎng)，剛度較其他管子低，其振動(dòng)強(qiáng)度高于其他各管，并且振動(dòng)出現(xiàn)較高階的彎曲振動(dòng)。2#和3#管長(zhǎng)度和約束條件基本相同，這二管的振動(dòng)特征基本相同。在固定端C、D處幾乎沒有振動(dòng)發(fā)生，而在自由端A、B處振幅相對(duì)較大?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D2　彈性管束的固有振型結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。╝）13.5Hz；（b）48

5、.3Hz　　　　試驗(yàn)證實(shí)[2]，管內(nèi)和管外流體誘導(dǎo)振動(dòng)的機(jī)理和管束的振動(dòng)特性是不同的。圖3為管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動(dòng)的功率譜均為離散譜，由此可見管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動(dòng)為周期性振動(dòng)，振動(dòng)為幾階低頻振動(dòng)的諧振。在汽-水換熱條件下，加熱介質(zhì)蒸汽在管內(nèi)不斷凝結(jié)，最終變?yōu)槟Y(jié)水。汽液兩相流是管內(nèi)流動(dòng)最基本的特征。由于汽液兩相流的不穩(wěn)定，可引起管內(nèi)靜壓的脈動(dòng)現(xiàn)象。另外汽液兩相流在自由端不斷的轉(zhuǎn)向流動(dòng)，加劇了汽液兩相不穩(wěn)定性。管內(nèi)汽液兩相流誘導(dǎo)彈性管束的振動(dòng)功率譜密度變?yōu)檫B續(xù)譜，管束的振動(dòng)響應(yīng)不再局限于幾階頻率，而是分布

6、在一個(gè)較寬的頻帶上，高頻振動(dòng)明顯增加，振動(dòng)為隨機(jī)振動(dòng)（如圖4所示）。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動(dòng)的功率譜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　汽-水換熱條件下管外振動(dòng)的功率譜　　3傳熱試驗(yàn)裝置　　　　本試驗(yàn)裝置如圖5所示，主要由試驗(yàn)段、水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成。蒸汽從分汽缸經(jīng)調(diào)節(jié)閥、溫度和壓力測(cè)量裝置進(jìn)入彈性管束汽-水換熱器的管束內(nèi)。在管內(nèi)凝結(jié)放熱后變?yōu)槟Y(jié)水，由凝結(jié)水管排出。蒸汽的流量通過測(cè)量凝結(jié)

7、水的流量而得到。被加熱水經(jīng)水泵、調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)進(jìn)入換熱器的殼程，在換熱器內(nèi)被加熱后，由出水管導(dǎo)入冷卻塔，降溫后再返回水箱。彈性管束在換熱器中水平放置?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D5試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖　　　　換熱器的進(jìn)出口水溫和凝結(jié)水溫度由銅-康銅熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)水銀玻璃溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量并加以比較。蒸汽入口溫度以及換熱器內(nèi)彈性管束管內(nèi)和管外介質(zhì)的溫度以及管壁的溫度均由銅-康銅熱電偶測(cè)量，熱電偶的測(cè)量信號(hào)全部送入美國(guó)FlukeNet-DAQ2640A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和處理?！　?

8、汽-水換熱器傳熱試驗(yàn)結(jié)果及分析　　　　4．1傳熱系數(shù)　　表1為不同蒸汽壓力和不同的水流量下部分試驗(yàn)結(jié)果。總的看來，蒸汽壓力在0.2～0.4MPa，殼體水流Re數(shù)在100～700范圍內(nèi)，彈性管束換熱器的平均傳熱系數(shù)在4000～5100（Pa）殼程水流Re數(shù)傳熱系數(shù)　?。ǎ≒a時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)的管外對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式為：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)　　上述公式使用于Re的范圍為50～10