內(nèi)外表面熔焊管強化凝結(jié)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(nèi)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(jié)換熱管的強化傳熱技術(shù)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(xué)研究和應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域受到了越來越多的專家學(xué)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(jié)模

2、型的計算和研究，對凝結(jié)過程做出了定性和定量的描述。但是其中對于水蒸氣凝結(jié)過程的強化換熱研究的著眼點大多在管外凝結(jié)方面，對水蒸氣的管內(nèi)凝結(jié)換熱特性的探索涉及較少;在強化傳熱措施方面，國內(nèi)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(yīng)用的難度較大，與工程實踐的結(jié)合不夠緊密。而對凝結(jié)表面采取改性處理（尤其是管內(nèi)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(nèi)高溫熔焊工藝的表

3、面改性處理技術(shù)，對普通碳鋼管的內(nèi)外表面進行改性處理，構(gòu)造了新型蒸汽凝結(jié)換熱元件——表面熔焊管。本文從單管的管內(nèi)外凝結(jié)實驗，管束的外部凝結(jié)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(jié)換熱性能的提升效果。進行的主要工作及得出的相應(yīng)結(jié)論如下:
　　(1)建立了表面熔焊管的管外凝結(jié)實驗臺，進行了表面熔焊管和普通鋼管的管外凝結(jié)換熱對比實驗。分別以單管和管組的形式構(gòu)建實驗段，以管內(nèi)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(jié)，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(jié)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(nèi)循環(huán)水流速(0.6～1.3m/s)變化的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)由表面熔焊管構(gòu)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(nèi)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(jié)換熱系數(shù)ho約為普通鋼管的3倍，說明其對凝結(jié)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(jié)換熱實驗臺，分別以四種不同換熱管材（含表面熔焊管）構(gòu)造管束進行真空狀態(tài)下的管外凝結(jié)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(jié)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(yīng)用的潛力和價值。
　　(3)結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)表面積;而且真空度越高，實驗段內(nèi)的不凝結(jié)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(jié)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(shù)的管內(nèi)凝結(jié)實驗臺。將高溫熔焊工藝拓展至管內(nèi)表面的改性處理，構(gòu)造了內(nèi)表面熔焊管，對蒸汽在其內(nèi)部的凝結(jié)換熱特性進行了實驗研究，并與普通鋼管的管內(nèi)蒸汽凝結(jié)進行對比分析。分別得到了管內(nèi)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(nèi)表面熔焊管實驗段的k值最多可高出普通鋼管26％;當(dāng)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(nèi)表面熔焊管和普通鋼管的管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)hi的對比曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入口蒸汽為負壓(0.064MPa)狀態(tài)時，內(nèi)表面熔焊管的管內(nèi)蒸汽凝結(jié)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(dāng)換熱管內(nèi)處于真空狀態(tài)時，內(nèi)表面熔焊管對管內(nèi)蒸汽凝結(jié)換熱效果的提升能力最為明顯。結(jié)

9、果表明，針對蒸汽在管內(nèi)凝結(jié)的換熱場合，將換熱管材的內(nèi)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(nèi)凝結(jié)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(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式;得到了熱流密度qi范圍(40～230kW/m2)下的內(nèi)表面熔焊管的管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)實驗關(guān)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(jié)構(gòu)和具

10、體元素成分，結(jié)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(xué)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(jié)水擁有較好的品質(zhì)。
　　(7)通過對蒸汽凝結(jié)界面的能量平衡分析，得到了凝結(jié)液接觸角θ與表面自由能的關(guān)系。進而結(jié)合金相和元素分析的結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)系為過程判據(jù)的珠膜共存凝結(jié)模型，發(fā)現(xiàn)熔焊表面的上述特質(zhì)使其更容易滿足δc＞δl+Hz的近珠狀凝結(jié)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(jié)換熱系數(shù)的原因。
　　(8)基于數(shù)值計算的相關(guān)理論方法，利用雷諾時均N-S方程描述套管管內(nèi)水蒸氣的流動，標(biāo)準(zhǔn)

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(yīng)力項進行湍流封閉，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進行近壁區(qū)處理，依據(jù)管內(nèi)冷凝實驗數(shù)據(jù)得到水蒸氣在不同圓管管內(nèi)的冷凝模型，建立了管內(nèi)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(zhǔn)確性，并對模擬結(jié)果進行了網(wǎng)格無關(guān)性考核。對于內(nèi)表面熔焊管的速度溫度及壓力分布進行了分析，管內(nèi)冷凝現(xiàn)象的傳熱及流動規(guī)律為:蒸汽側(cè)參數(shù)沿著管中心線呈軸對稱分布，橫截面內(nèi)的參數(shù)沿