彈性管束換熱器強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)研究.doc

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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，它對管內(nèi)外流體流動具有良好的振動響應(yīng)特性。利用傳熱表面振動提高管外對流換熱系數(shù)的同時(shí)，利用振動變形減少積垢，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，對流體誘導(dǎo)振動強(qiáng)化對流換熱規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了管外對流換熱的準(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、兩相流靜壓脈動等。很多研究者圍繞這些機(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

2、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)振動的防止，而對其強(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，依靠元件本身的振動特性使振幅通過系統(tǒng)阻尼得到有效控制，元件長期運(yùn)行不致?lián)p壞，同時(shí)依靠振動大幅度地強(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。振動在強(qiáng)化管外對流換熱同時(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)及振動特性　　　　彈性管束的結(jié)

3、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。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1　彈性管束結(jié)構(gòu)及壁溫測點(diǎn)分布　　7　　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所示。彈性管束的振動有發(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；彈性管束的振動既有面外振動，又有面內(nèi)振動；彈性管束的各管的振動特征不同，1#管較長，剛度較其他管子低，其振動強(qiáng)度高于其他各管，并且振動出現(xiàn)較高階的彎曲振動。2#和3

4、#管長度和約束條件基本相同，這二管的振動特征基本相同。在固定端C、D處幾乎沒有振動發(fā)生，而在自由端A、B處振幅相對較大?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D2　彈性管束的固有振型結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）13.5Hz；（b）48.3Hz　　　　試驗(yàn)證實(shí)[2]，管內(nèi)和管外流體誘導(dǎo)振動的機(jī)理和管束的振動特性是不同的。圖3為管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動的功率譜均為離散譜，由此可見管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動為周期性振動，振動為幾階低頻振動的諧振。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)流動最基本的特征。由于汽液兩相流的不穩(wěn)

5、定，可引起管內(nèi)靜壓的脈動現(xiàn)象。另外汽液兩相流在自由端不斷的轉(zhuǎn)向流動，加劇了汽液兩相不穩(wěn)定性。管內(nèi)汽液兩相流誘導(dǎo)彈性管束的振動功率譜密度變?yōu)檫B續(xù)譜，管束的振動響應(yīng)不再局限于幾階頻率，而是分布在一個(gè)較寬的頻帶上，高頻振動明顯增加，振動為隨機(jī)振動（如圖4所示）。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　管外水流誘導(dǎo)彈性管束振動的功率譜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　汽-水換熱條件下管外振動的功率譜　　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

6、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。蒸汽的流量通過測量凝結(jié)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-康銅熱電偶測量，熱電偶的測量信號全部送入美國FlukeNet-DAQ2640A型數(shù)據(jù)采集系

7、統(tǒng)進(jìn)行記錄和處理?！　?4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?？偟目磥恚羝麎毫υ?.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（W/m2·K）之間。彈性管束換熱器與其他類型換熱器的傳熱系數(shù)相比在低流動Re數(shù)下強(qiáng)化傳熱效果明顯?！　∮绊憦椥怨苁鴤鳠嵯禂?shù)的主要因素為蒸汽的進(jìn)口壓力、水流的Re數(shù)及