螺旋槽式翅片管沸腾强化传热特性的研究

李 浩， 颜雪娟， 马郢程， 曾为民， 陈琴珠

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237）

0 引 言

近年来，人们利用翅片管来强化换热器传热。翅片管增加了光管侧面的传热面积，此外还能促进流体的扰动，大大增加该侧的换热系数［1］，即在体积不变的情况下增加传热量，从而在保证一定的传热量情况下，使设备更高效而紧凑［2］。近期又发现螺旋槽式翅片管可用于废热锅炉，在以蒸汽冷凝作为热源的废热锅炉中，一般以管程作为蒸汽冷凝，壳程液体淹没换热管束并在管束的加热下沸腾产生蒸汽。要实现高效的泡核沸腾状态，换热管壁面必须达到一定的过热度，而此时使用普通换热管不能满足此类特殊的工艺要求，在这种条件下就必须使用强化传热管以实现在较低的壁面过热度的条件下仍能实现壳程的泡核沸腾。因此，需要了解翅片管的强化机理，并研制出高效螺旋槽式翅片管。

由于沸腾换热机理的复杂性，国内外很多学者为寻找一个具有广泛意义的沸腾换热计算关联式，已经开展过大量有关沸腾换热的研究。其中，Chen 等［3］检验了594 组典型数据，提出了一个新的饱和沸腾换热的关联式。Nakayama等［4］研究了R11、液氮和水在机加工型表面强化管外的沸腾传热特性。他们对表面尺寸参数对沸腾换热的影响进行了研究。Warrier 等［5］通过实验对当量直径为0.75mm 的矩形通道内单相强迫对流换热、过冷沸腾和饱和核态沸腾三部分传热特性进行研究，拟合出沸腾传热的计算公式。程慧平等［6］研究了蒸汽发生器内的沸腾两相流，对管束外R113流体的沸腾换热进行实验研究，分析得到其换热计算关系式。吴伟等［7］通过在烧结多孔层上开槽，研究了开槽对烧结型多孔表面沸腾换热的影响。徐治国等［8］以金属泡沫为对象，实验研究了不同因素影响下的池沸腾传热特性。欧阳新萍等［9］研究了R22 工质在3 种螺纹管内的沸腾换热特性，并分析了不同结构对换热的影响。冀文涛等［10］实验对比研究了R134a在光管和强化管外的沸腾传热特性，并把实验结果同Cooper公式进行了对比。秦政等［11］借助计算流体力学软件，模拟研究并分析了T型翅片管的沸腾强化传热。赵传亮等［12］研究了高通量管的强化传热性能，并给出了相关介质下的传热关联式。刘聪［13］分析了管壳式换热器沸腾传热工艺。王佳骏等［14］研究了水基氧化铜纳米流体的核沸腾传热特性。路阳等［15］试验并分析了两种不同齿形强化单管的沸腾传热特性。

本文研究了一种螺旋槽式螺旋翅片管，通过管外沸腾换热性能的实验分析，证实该螺旋槽式翅片管能符合池沸腾强化传热要求。

1 实验方法与实验效果

本文搭建了一台为研究水蒸气在单管管外沸腾（或管外冷凝）传热性能的实验装置，见图1，实验装置系统流程如图2 所示。

图1 单管管外沸腾传热性能实验装置

图2 外低螺旋翅片管性能测试装置工艺流程图

1.1 实验系统组成

系统主要由冷凝器、蒸发器、蒸汽回路和饱和水回路组成。由蒸汽发生器产生的蒸汽直接进入翅片管，恒温水箱中的水为饱和液态水，注入蒸发器壳程。换热过程在蒸发器内发生，壳程的饱和液态水吸热汽化，产生气泡，翅片管中的水蒸气放热，形成气液两相流，通过气液分离器分离，液体通过冷凝器冷凝回收流入恒温水箱，恒温水箱持续加热，保持饱和液态水的温度，通过水泵重新注入蒸发器壳程侧。

整个过程为池沸腾，实验需要控制的参数主要为管程进口蒸汽温度、压力与流量；管程出口液体温度与流量、气体的冷凝量与温度；壳程进口饱和水温度和流量；壳程出口水蒸气温度、压力与流量。

1.2 实验方法

本次实验对象是3 根同一尺寸不同外形的换热管，见图3。换热管直径为φ19 mm ×2 mm，长度为1.2 m，其中图3（a）换热管外表面是光滑的（简称光管）；图3（b）换热管外表面是普通螺旋翅片管；图3（c）换热管外表面是螺旋槽式翅片管，该换热管在翅片外表面上沿径向挤压，形成一个个“米粒”状凹坑，比普通螺旋翅片管增加了换热面积。

对每一根换热管分别进行实验测试，在不同蒸汽温度、蒸汽流量下，翅片管处于池沸腾状态时，测试每根实验管的换热量Q。

实验中管程工质为水蒸气，壳程通入饱和液态水为冷源，实验采用的工质为经软水器处理过的软化水。为了更好地获得传热结果，管外沸腾实验的管程进口工质设置为水蒸气，以水蒸气进料的好处是可以使工质在进入换热器管程与管外冷源换热的过程中能够充分换热，获得更好的沸腾传热强化效果。实验过程中管程中的水蒸气作为热源温度为170 ℃，压力为0.7 MPa，流量为0 ～50 kg／h。

通过对3 根不同类型的换热管进行实验，测得冷端进出口温度为80 ℃和100 ℃。其余实验数据如表1 所示。

表1 实验数据

从表中实验数据可以看到，沸腾传热系数和换热量，螺旋槽式翅片管明显高于光管和普通螺旋翅片管；螺旋槽式翅片管传热效率优于光管传热效率。

从图4 可以看到，换热管表面池沸腾现象，图4（a）换热管为光管，管外表面上有微粒小气泡；图4（b）换热管为普通螺旋翅片管，翅片管外表面上有明显颗粒小气泡；图4（c）换热管为螺旋槽式翅片管，翅片管外表面上有较大颗粒小气泡，池沸腾强化传热优势明显。

图3 不同类型换热

图4 不同类型换热管池沸腾现象

2 结果与讨论

通过测量得到冷热流体的质量流量以及进出口温度的差值，根据下式计算出实验换热管的总换热量、光管的换热系数、沸腾换热表面传热系数：

式中：Φ 为换热量；qmh、qmc为热、冷流体质量流量；Ch、Cc为热、冷流体比热；th1、th2为热流体进出口温度；tc1、tc2为冷流体进出口温度；K1为光滑管换热系数；A 为换热面积；Δt为冷热流体平均温度差；K2为沸腾换热表面传热系数；C1为沸腾换热表面传热常数，C1＝0.122 4；Δt为壁面过热度；p为沸腾绝对压力。

计算结果得出，140 ℃蒸汽为热流体时，螺旋槽式翅片管沸腾传热系数约为光管的1.4 倍，换热量为1.5 倍；160 ℃蒸汽为热流体时，螺旋槽式翅片管沸腾传热系数约为光管的1.5 倍，换热量为1.8 倍。

3根换热管的质量流量qm与换热量Q 的关系如图5 所示，图中螺旋槽式翅片管换热量明显高于光管和普通螺旋翅片管。

图5 不同类型换热管的换热量对比图

从图中可以得出：对于170 ℃的水蒸气，当qm≤12 kg／h时，普通螺旋翅片管的换热量Q 略低于光滑圆管，而螺旋槽式翅片管的换热量Q 开始高于光滑圆管；当qm＞12 kg／h时，普通螺旋翅片管的换热量Q 明显高于光滑圆管，而螺旋槽式翅片管的换热量Q 明显高于普通螺旋翅片管。当qm＝45 kg／h 时，普通螺旋翅片管的换热量Q 是光滑圆管的2.63 倍，即Q ＝2.63Q1；螺旋槽式翅片管的换热量Q 是光滑圆管的3.78 倍。

同时根据对实验测量工具和实验设备材料的不确定度进行分析，实验最大误差约为6.17 %，符合实验要求，结果可靠。

3 结 论

（1）在管程工质为170 ℃水蒸气，壳程通入饱和液态水作为冷源的条件下，随着换热管的质量流量qm增加，螺旋槽式翅片管的换热量Q 明显高于普通螺旋翅片管和光管。当qm＝45 kg／h 时，普通螺旋翅片管的换热量Q是光滑圆管的2.63 倍，螺旋槽式翅片管的换热量Q是光滑圆管的3.78 倍。

（2）螺旋槽式翅片管的换热特性高于普通翅片管，更优于光管。随着蒸汽温度的上升，传热效率的提升更加明显。140 ℃蒸汽为热流体时，螺旋槽式翅片管沸腾传热系数约为光管的1.4 倍，换热量为1.5 倍；在160 ℃蒸汽为热流体时，螺旋槽式翅片管沸腾传热系数约为光管的1.5 倍，换热量为1.8 倍。

（3）通过工艺计算，螺旋槽式翅片管应用于石油化工或煤化工中的废热锅炉，不但传热效率高，而且能节省换热管材料，使用螺旋槽式翅片管重量可以减少30%，换热器尺寸同样可以大幅度地减少，螺旋槽式翅片管工业应用前景广阔。