內外表面熔焊管強化凝結傳熱實驗研究與機制分析.pdf

1、蒸汽冷凝換熱器是工程中的蒸汽動力裝置以及汽動循環(huán)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，其運行壽命和工作效率是整個熱力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的重要保障。多數(shù)蒸汽冷凝換熱器內部主要的工作元件是各式各樣的換熱管，它們的傳熱系數(shù)直接決定了換熱器的性能。因此研究蒸汽凝結換熱管的強化傳熱技術具有十分重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
　　水蒸氣的冷凝換熱作為傳熱學研究和應用的一個重要領域受到了越來越多的專家學者的重視，隨著對冷凝過程機理的認識和了解，出現(xiàn)了大量對凝結模

2、型的計算和研究，對凝結過程做出了定性和定量的描述。但是其中對于水蒸氣凝結過程的強化換熱研究的著眼點大多在管外凝結方面，對水蒸氣的管內凝結換熱特性的探索涉及較少;在強化傳熱措施方面，國內外多數(shù)研究采用的是管材的物理改造方法和一些外部擾流方法，其投入應用的難度較大，與工程實踐的結合不夠緊密。而對凝結表面采取改性處理（尤其是管內表面改性）的方法以達到強化換熱的效果的系統(tǒng)的研究和報道并不多見。
　　鑒于此，本文采用基于爐內高溫熔焊工藝的表

3、面改性處理技術，對普通碳鋼管的內外表面進行改性處理，構造了新型蒸汽凝結換熱元件——表面熔焊管。本文從單管的管內外凝結實驗，管束的外部凝結換熱實驗，數(shù)值計算及強化傳熱機理分析等幾個方面入手，研究了熔焊表面對管材的凝結換熱性能的提升效果。進行的主要工作及得出的相應結論如下:
　　(1)建立了表面熔焊管的管外凝結實驗臺，進行了表面熔焊管和普通鋼管的管外凝結換熱對比實驗。分別以單管和管組的形式構建實驗段，以管內循環(huán)水作為冷源，讓水蒸氣（以

4、下簡稱蒸汽）分別在兩種管材的外壁面發(fā)生凝結，通過對實驗數(shù)據(jù)的計算得出表面熔焊管和普通鋼管的總體換熱系數(shù)及管外凝結換熱系數(shù)并加以比較分析，得到了實驗段總換熱系數(shù)k與管內循環(huán)水流速(0.6～1.3m/s)變化的關系曲線，發(fā)現(xiàn)由表面熔焊管構成的實驗段其換熱系數(shù)比普通鋼管的高出20％以上，且隨著管內循環(huán)冷卻水流量的增大，這一比值還有增大的趨勢;通過計算發(fā)現(xiàn)實驗中表面熔焊管的管外凝結換熱系數(shù)ho約為普通鋼管的3倍，說明其對凝結換熱的強化作用十分顯

5、著;通過焊接熱電偶測量壁溫的方法，得到了管子沿周向和管長方向的壁溫分布曲線，通過分析得出熔焊管的表面熱流密度更高，且能夠更均勻的承受熱負荷。
　　(2)建立了管束凝結換熱實驗臺，分別以四種不同換熱管材（含表面熔焊管）構造管束進行真空狀態(tài)下的管外凝結換熱實驗，得到了典型Re數(shù)下不同管束總體換熱系數(shù)U和隨真空度σ的變化曲線，發(fā)現(xiàn)了真空度越高，管束的換熱性能越好，且相同工況下表面熔焊管束的換熱性能要明顯好于不銹鋼管束，這一結論表明，作為

6、換熱元件，表面熔焊管有代替各種普通不銹鋼管投入工程應用的潛力和價值。
　　(3)結合威爾遜圖解法對管束實驗的數(shù)據(jù)進行計算，得到了各管束的管外凝結換熱系數(shù)σo隨實驗段真空度σ的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了高真空度能夠強化換熱的根源是真空的提升使得管束的凝結換熱系數(shù)提高，這是因為真空度的提高使得蒸汽流動更為均勻，流速更快，汽流對冷凝液產(chǎn)生沖刷作用，令其更快脫離壁面，變相增大了凝結表面積;而且真空度越高，實驗段內的不凝結氣體含量越少，這樣能夠有效的

7、降低界面的氣膜熱阻，增強凝結換熱。
　　(4)采用套管式逆流換熱機制建立了基于表面熔焊技術的管內凝結實驗臺。將高溫熔焊工藝拓展至管內表面的改性處理，構造了內表面熔焊管，對蒸汽在其內部的凝結換熱特性進行了實驗研究，并與普通鋼管的管內蒸汽凝結進行對比分析。分別得到了管內蒸汽為負壓(0.064MPa)、常壓(0.105MPa)和高于大氣壓(0.185MPa)時，套管環(huán)隙循環(huán)冷卻水Re數(shù)對兩種管材總體換熱系數(shù)k的影響規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，入口蒸

8、汽為負壓狀態(tài)時，內表面熔焊管實驗段的k值最多可高出普通鋼管26％;當蒸汽入口壓力接近大氣壓和高于大氣壓時，總體換熱的強化幅度分別為30％和34％;實驗還得到了內表面熔焊管和普通鋼管的管內凝結換熱系數(shù)hi的對比曲線，發(fā)現(xiàn)當入口蒸汽為負壓(0.064MPa)狀態(tài)時，內表面熔焊管的管內蒸汽凝結換熱系數(shù)hi最高，隨著蒸汽參數(shù)的升高，這一強化作用有所削弱，也就是說，當換熱管內處于真空狀態(tài)時，內表面熔焊管對管內蒸汽凝結換熱效果的提升能力最為明顯。結

9、果表明，針對蒸汽在管內凝結的換熱場合，將換熱管材的內表面進行熔焊改性處理，也能夠起到強化傳熱的作用。
　　(5)對管內凝結換熱實驗數(shù)據(jù)進行了回歸分析，得到了熱流密度qi范圍(40～180kW/m2)下的普通鋼管管內凝結換熱系數(shù)實驗關聯(lián)式;得到了熱流密度qi范圍(40～230kW/m2)下的內表面熔焊管的管內凝結換熱系數(shù)實驗關聯(lián)式，并進行了誤差分析。
　　(6)通過管材表面的金相組織實驗和能譜實驗，分析了熔焊表面的微觀結構和具

10、體元素成分，結果表明，采用熔焊工藝可以在母管的鋼表面植入含Ni、P、及少量Cr元素的合金固溶體化合層（厚度0.013～0.016mm），這一化合層致密，光潔，顯微硬度高，這些特點正是表面熔焊管具有良好力學強度、抗腐蝕能力的根源。同時，熔焊表面的緊致和光潔使其可持久保存而不易脫落，保證了凝結水擁有較好的品質。
　　(7)通過對蒸汽凝結界面的能量平衡分析，得到了凝結液接觸角θ與表面自由能的關系。進而結合金相和元素分析的結果，發(fā)現(xiàn)熔焊管

11、表面的植入元素能夠降低其表面自由能，增強凝結換熱效果;將表面熔焊管的高光潔度和無序的表面非晶態(tài)結構等因素代入以臨界液膜分裂厚度δc，表面不平整高度Hz和液膜平均厚度δl三者關系為過程判據(jù)的珠膜共存凝結模型，發(fā)現(xiàn)熔焊表面的上述特質使其更容易滿足δc＞δl+Hz的近珠狀凝結判據(jù)，進一步解釋了實驗中能在熔焊改性處理的表面獲得高凝結換熱系數(shù)的原因。
　　(8)基于數(shù)值計算的相關理論方法，利用雷諾時均N-S方程描述套管管內水蒸氣的流動，標準

12、k-ε兩方程湍流模型（Standard k-ε Model）對水蒸氣運動控制方程的雷諾應力項進行湍流封閉，采用標準壁面函數(shù)法進行近壁區(qū)處理，依據(jù)管內冷凝實驗數(shù)據(jù)得到水蒸氣在不同圓管管內的冷凝模型，建立了管內冷凝換熱的數(shù)值計算模型。利用實驗工況驗證了所建數(shù)值計算模型的準確性，并對模擬結果進行了網(wǎng)格無關性考核。對于內表面熔焊管的速度溫度及壓力分布進行了分析，管內冷凝現(xiàn)象的傳熱及流動規(guī)律為:蒸汽側參數(shù)沿著管中心線呈軸對稱分布，橫截面內的參數(shù)沿