彈性管束換熱器強化傳熱試驗研究_論文

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1、彈性管束換熱器強化傳熱試驗研究摘要　本文設(shè)計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，利用振動變形減少積垢，降低污垢熱阻，實現(xiàn)了復合強化傳熱。在汽水換熱條件下，對流體誘導振動強化對流換熱規(guī)律進行了試驗研究，得到了管外對流換熱的準則方程式。關(guān)鍵詞　　換熱器強化傳熱污垢1引言流體誘導振動是換熱設(shè)備中普遍存在的一種現(xiàn)象。已經(jīng)提出的流體誘導振動機理主要有：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]，這些研究在指導換熱器設(shè)計方面起

2、到了積極作用。但這些研究幾乎都致力于流體誘導振動的防止，而對其強化傳熱的影響很少討論過。10/10本文提出了利用流體誘導振動實現(xiàn)強化傳熱的新方法。設(shè)計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，元件長期運行不致?lián)p壞，同時依靠振動大幅度地強化傳熱。該強化傳熱方式不需要消耗外部能源，屬于無源強化。振動在強化管外對流換熱同時減小污垢熱阻，從而實現(xiàn)復合強化傳熱。本文對彈性管束汽水換熱器的復合強化傳熱特性進行探討。2彈性管束的結(jié)構(gòu)及振動特性彈性管束的結(jié)構(gòu)如圖1所示，

3、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)及壁溫測點分布彈性管束具有獨特的固有振型，其中二個頻率的振型結(jié)構(gòu)[2]如圖2所示。彈性管束的振動有發(fā)下特點：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#管長度和約束條件基本相同，這二管的振

4、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。10/10　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　彈性管束的固有振型結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　　　　　　　　　?。╝）；（b）試驗證實[2]，管內(nèi)和管外流體誘導振動的機理和管束的振動特性是不同的。圖3為管外水流誘導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)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

5、相不穩(wěn)定性。管內(nèi)汽液兩相流誘導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，而是分布在一個較寬的頻帶上，高頻振動明顯增加，振動為隨機振動（如圖4所示）。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　管外水流誘導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傳熱試驗裝置10/10本試驗裝置如圖5所示，主要由試驗段、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、溫度和壓力測量裝置進入彈性管束汽-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

6、量而得到。被加熱水經(jīng)水泵、調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計進入換熱器的殼程，在換熱器內(nèi)被加熱后，由出水管導入冷卻塔，降溫后再返回水箱。彈性管束在換熱器中水平放置?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D5試驗裝置系統(tǒng)圖換熱器的進出口水溫和凝結(jié)水溫度由銅-康銅熱電偶和標準水銀玻璃溫度計進行測量并加以比較。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)采集系統(tǒng)進行記錄和處理。4汽-水換熱器傳熱試驗結(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結(jié)果。總的看來，蒸汽壓力在～

7、，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)下強化傳熱效果明顯。10/10影響彈性管束傳熱系數(shù)的主要因素為蒸汽的進口壓力、水流的Re數(shù)及彈性管束的結(jié)構(gòu)。這主要是因為彈性管束換熱器是依靠管束的振動強化傳熱，上述參數(shù)對管束的振動強度起重要作用。從表1中可以看到，蒸汽的進口壓力對傳熱系數(shù)影響較大。而水流量對傳熱系數(shù)的