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1、彈性管束換熱器強化傳熱試驗研究摘要 本文設計了一種新的傳熱元件--彈性管束，它對管內外流體流動具有良好的振動響應特性。利用傳熱表面振動提高管外對流換熱系數的同時，利用振動變形減少積垢，降低污垢熱阻，實現了復合強化傳熱。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?！ ￡P鍵詞 換熱器強化傳熱污垢1引言 流體誘導振動是換熱設備中普遍存在的一種現象。已經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
2、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計方面起到了積極作用。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?！ ”疚奶岢隽死昧黧w誘導振動實現強化傳熱的新方法。設計了一種新的傳熱元件--彈性管束。該傳熱元件不同傳統(tǒng)的設計模式，讓傳熱元件從眾多的約束中解脫出來，在管內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。
3、振動在強化管外對流換熱同時減小污垢熱阻，從而實現復合強化傳熱。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?！ ?彈性管束的結構及振動特性 彈性管束的結構如圖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端具有附加質量。通過調整彈性管束的曲率半徑R，管徑d壁厚δ以及A，B端的附加質量，可以改變其固有頻率和固有振型?！ D1 彈性管束結構及壁溫測點分布 彈性管束具有獨特的固有振型，其中二個頻率的振型結構[2]如圖2所
4、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構 ?。╝）13.5Hz；（b）48
5、.3Hz 試驗證實[2]，管內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，加熱介質蒸汽在管內不斷凝結，最終變?yōu)槟Y水。汽液兩相流是管內流動最基本的特征。由于汽液兩相流的不穩(wěn)定，可引起管內靜壓的脈動現象。另外汽液兩相流在自由端不斷的轉向流動，加劇了汽液兩相不穩(wěn)定性。管內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，管束的振動響應不再局限于幾階頻率，而是分布
6、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 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)和數據采集和處理系統(tǒng)組成。蒸汽從分汽缸經調節(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。在管內凝結放熱后變?yōu)槟Y水，由凝結水管排出。蒸汽的流量通過測量凝結
7、水的流量而得到。被加熱水經水泵、調節(jié)閥、渦輪流量計進入換熱器的殼程，在換熱器內被加熱后，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彈性管束管內和管外介質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型數據采集系統(tǒng)進行記錄和處理?！ ?
8、汽-水換熱器傳熱試驗結果及分析 4．1傳熱系數 表1為不同蒸汽壓力和不同的水流量下部分試驗結果。總的看來，蒸汽壓力在0.2～0.4MPa，殼體水流Re數在100～700范圍內，彈性管束換熱器的平均傳熱系數在4000～5100（Pa）殼程水流Re數傳熱系數 ?。ǎ≒a時，實驗測的管外對流換熱準則方程式為： (3) 上述公式使用于Re的范圍為50～10
