強化傳熱在蒸發(fā)式冷凝器冷凝過程的應用

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1、強化傳熱在冷凝器冷凝過程的應用第四組：王安民張磊制作一、制冷系統(tǒng)簡介最簡單的制冷系統(tǒng)由四大要件組成：①壓縮機；②冷凝器；③節(jié)流閥；④蒸發(fā)器；（1）壓縮機基本作用：壓縮氣體，產(chǎn)生高溫高壓的冷媒氣體。（2）換熱器（冷凝器、蒸發(fā)器）基本作用：強化冷媒和空氣的換熱（換熱面積、換熱系數(shù)）（3）風機、風道基本作用：強化冷凝器、蒸發(fā)器的作用。（4）膨脹機構(gòu)（毛細管、膨脹閥）基本作用：使中溫高壓液體節(jié)流成為低溫低壓的液體冷媒制冷循環(huán)的冷凝過程冷凝過程從制冷機排出的高溫高壓過熱蒸汽，進入冷凝器與冷卻水或空氣進行熱交換，使過熱蒸汽逐漸變成飽和蒸汽，進而變成飽和液體。當用

2、冷卻水冷卻時，飽和液體的溫度繼續(xù)降低，出現(xiàn)過冷。冷凝過程中壓力保持不變。冷凝器冷凝器是制冷裝置中一個很重要的換熱設(shè)備,其特點是體積較大,貴重管材耗量多,其工作性能好壞對動力裝置的效率影響較大。例如當冷凝器的熱阻降低時,在同樣的輸出功率的情況下,動力裝置的耗熱率[kJ/kW]會減小,從而可以提高裝置的總效率。為此國內(nèi)外的相關(guān)研究單位對冷凝器的性能及強化傳熱問題進行了大量的研究工作。冷凝器強化傳熱分析根據(jù)傳熱學的基本原理,冷凝器的總傳熱量可由下式計算:Q=KFΔt(1)式中F是傳熱面積,m2;K是冷凝器的總傳熱系數(shù),W/(m2·℃);K可以由以下公式計算(

3、2)式中Ri是冷凝器管內(nèi)水側(cè)的熱阻;Rw是管壁的熱阻;Ro是管外蒸汽側(cè)的熱阻;Rf是污垢熱阻;Δt是對數(shù)平均溫差,℃;Δt由以下公式計算(3)式中tin是冷凝器管內(nèi)入口水溫,℃;tout是冷凝器管內(nèi)出口水溫,℃;tsat是管內(nèi)水壓力下的飽和溫度,℃。圖1給出了實驗研究結(jié)果,圖中橫坐標為管內(nèi)強化傳熱系數(shù)比ei(=強化管的傳熱系數(shù)hie/光管的傳熱系數(shù)hip),縱坐標為動力裝置的耗熱率變化,負值表示裝有強化管的冷凝器比光管冷凝器耗熱率減少的數(shù)值。圖中eo表示管外側(cè)的強化傳熱系數(shù)比(=強化管的傳熱系數(shù)hoe/光管的傳熱系數(shù)hop),從圖中可以看出,外側(cè)強化傳

4、熱系數(shù)比的提高對耗熱率的影響比內(nèi)側(cè)的影響大得多。另外從圖中還可以看出,當內(nèi)側(cè)強化傳熱比大于1.5以上時,對冷凝器的性能沒有太大的影響?？梢?，提高管內(nèi)對流傳熱系數(shù)對動力裝置的耗熱率影響不明顯,而提高管外側(cè)的強化傳熱系數(shù)效果比較顯著,冷凝器管外側(cè)的冷凝傳熱系數(shù)有很多種計算公式,這些計算公式在一般的教科書中都可以找到,但這些計算公式大多數(shù)是在實驗室的條件下得到的。這些公式對于理想情況下的冷凝傳熱計算是正確的,但距離應用在冷凝器中的實際情況相差甚遠。對于一個大型的電站或者船用冷凝器,管外側(cè)的傳熱要考慮以下幾個問題:(1)不凝結(jié)氣體的影響;(2)冷凝液覆蓋壁面的

5、影響;(3)蒸汽在冷凝器內(nèi)流動過程中,流動阻力和壓降的影響;(4)管子排列的影響;(5)蒸汽流動過程中流場變化的影響等。螺紋槽管使用性能分析據(jù)有關(guān)文獻,螺紋槽管具有內(nèi)外雙側(cè)強化傳熱的作用,并且加工方法簡單、使用方便。目前在美國、英國和日本等國家的一些冷凝器中采用。螺紋槽管的形狀如圖2所示,這種管子的性能與槽深和螺距有很大關(guān)系,當增加槽深時,強化傳熱的效果會增加,但同時管內(nèi)的流動阻力也隨之增加,從而增加了循環(huán)水泵的耗功或者降低循環(huán)水的流量。例如當槽深為0.85mm時,流動阻力系數(shù)比光管增加3～5倍,而當槽深為0.27mm時,流動阻力系數(shù)只增加0.11～0

6、.3倍。根據(jù)上圖所展示的實驗結(jié)果,管內(nèi)的強化傳熱比在1.5之內(nèi)對裝置的耗熱率有好的影響,大于1.5以后所起的作用不大。因此在使用螺紋槽管時槽深不宜太深,根據(jù)文獻的實驗結(jié)果，當槽深為0.6mm螺距為12mm時,內(nèi)側(cè)強化傳熱比為1.45～1.72,這種尺寸的管子用在實際的冷凝器上比較合適。理論上，一般認為螺紋槽管外側(cè)溝槽有積聚冷凝液和排出冷凝液的作用,因此有較好的強化傳熱效果。事實上，根據(jù)近年來一些實驗結(jié)果看,管外側(cè)的強化傳熱效果并不十分明顯;　RabasTJ對很多實驗數(shù)據(jù)分析后認為,由于螺紋槽管的螺距較大(一般在8～20mm之間),外側(cè)的溝槽對蒸汽的凝結(jié)

7、傳熱起不到很大的強化傳熱作用。特別是當管排數(shù)較多時,下面管子表面液膜較厚,溝槽的聚液和排液能力會消失。給出的結(jié)果表明,普通的螺紋槽管外側(cè)的強化傳熱比只有1.0～1.10。也就是說普通的螺紋槽管只有內(nèi)側(cè)有強化傳熱作用,外側(cè)并無太大的強化傳熱作用。《Heat2rateImprovementsObtainedbyRe2tubingCondenserswithnew,EnhancedTubeTypes.Advancesinenhancedheattransfer》根據(jù)以上這些分析,在大型冷凝器中使用螺紋槽管并不是一個很好的選擇,因為在這種情況下冷凝器中管外側(cè)傳

8、熱的強化是重要的,而螺紋槽管達不到很好的外側(cè)強化傳熱作用。從圖1中可以看出,管外的強化傳熱比為