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1、强化传热在冷凝器冷凝过程的应用第四组：王安民张磊制作一、制冷系统简介最简单的制冷系统由四大要件组成：①压缩机；②冷凝器；③节流阀；④蒸发器；（1）压缩机基本作用：压缩气体，产生高温高压的冷媒气体。（2）换热器（冷凝器、蒸发器）基本作用：强化冷媒和空气的换热（换热面积、换热系数）（3）风机、风道基本作用：强化冷凝器、蒸发器的作用。（4）膨胀机构（毛细管、膨胀阀） 基本作用：使中温高压液体节流成为低温低压的液体冷媒制冷循环的冷凝过程冷凝过程从制冷机排出的高温高压过热蒸汽，进入冷凝器与冷却水或空气进行热交换，使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽，进而变成饱和液体。当用
2、冷却水冷却时，饱和液体的温度继续降低，出现过冷。冷凝过程中压力保持不变。冷凝器冷凝器是制冷装置中一个很重要的换热设备,其特点是体积较大,贵重管材耗量多,其工作性能好坏对动力装置的效率影响较大。例如当冷凝器的热阻降低时,在同样的输出功率的情况下,动力装置的耗热率[kJ/kW]会减小,从而可以提高装置的总效率。为此国内外的相关研究单位对冷凝器的性能及强化传热问题进行了大量的研究工作。冷凝器强化传热分析根据传热学的基本原理,冷凝器的总传热量可由下式计算:Q=KFΔt(1)式中F是传热面积,m2;K是冷凝器的总传热系数,W/(m2·℃);K可以由以下公式计算(
3、2)式中Ri是冷凝器管内水侧的热阻;Rw是管壁的热阻;Ro是管外蒸汽侧的热阻;Rf是污垢热阻;Δt是对数平均温差,℃;Δt由以下公式计算(3)式中tin是冷凝器管内入口水温,℃;tout是冷凝器管内出口水温,℃;tsat是管内水压力下的饱和温度,℃。图1给出了实验研究结果,图中横坐标为管内强化传热系数比ei(=强化管的传热系数hie/光管的传热系数hip),纵坐标为动力装置的耗热率变化,负值表示装有强化管的冷凝器比光管冷凝器耗热率减少的数值。图中eo表示管外侧的强化传热系数比(=强化管的传热系数hoe/光管的传热系数hop),从图中可以看出,外侧强化传
4、热系数比的提高对耗热率的影响比内侧的影响大得多。另外从图中还可以看出,当内侧强化传热比大于1.5以上时,对冷凝器的性能没有太大的影响。可见，提高管内对流传热系数对动力装置的耗热率影响不明显,而提高管外侧的强化传热系数效果比较显著,冷凝器管外侧的冷凝传热系数有很多种计算公式,这些计算公式在一般的教科书中都可以找到,但这些计算公式大多数是在实验室的条件下得到的。这些公式对于理想情况下的冷凝传热计算是正确的,但距离应用在冷凝器中的实际情况相差甚远。对于一个大型的电站或者船用冷凝器,管外侧的传热要考虑以下几个问题:(1)不凝结气体的影响;(2)冷凝液覆盖壁面的
5、影响;(3)蒸汽在冷凝器内流动过程中,流动阻力和压降的影响;(4)管子排列的影响;(5)蒸汽流动过程中流场变化的影响等。螺纹槽管使用性能分析据有关文献,螺纹槽管具有内外双侧强化传热的作用,并且加工方法简单、使用方便。目前在美国、英国和日本等国家的一些冷凝器中采用。螺纹槽管的形状如图2所示,这种管子的性能与槽深和螺距有很大关系,当增加槽深时,强化传热的效果会增加,但同时管内的流动阻力也随之增加,从而增加了循环水泵的耗功或者降低循环水的流量。例如当槽深为0.85mm时,流动阻力系数比光管增加3～5倍,而当槽深为0.27mm时,流动阻力系数只增加0.11～0
6、.3倍。根据上图所展示的实验结果,管内的强化传热比在1.5之内对装置的耗热率有好的影响,大于1.5以后所起的作用不大。因此在使用螺纹槽管时槽深不宜太深,根据文献的实验结果，当槽深为0.6mm螺距为12mm时,内侧强化传热比为1.45～1.72,这种尺寸的管子用在实际的冷凝器上比较合适。理论上，一般认为螺纹槽管外侧沟槽有积聚冷凝液和排出冷凝液的作用,因此有较好的强化传热效果。事实上，根据近年来一些实验结果看,管外侧的强化传热效果并不十分明显; RabasTJ对很多实验数据分析后认为,由于螺纹槽管的螺距较大(一般在8～20mm之间),外侧的沟槽对蒸汽的凝结
7、传热起不到很大的强化传热作用。特别是当管排数较多时,下面管子表面液膜较厚,沟槽的聚液和排液能力会消失。给出的结果表明,普通的螺纹槽管外侧的强化传热比只有1.0～1.10。也就是说普通的螺纹槽管只有内侧有强化传热作用,外侧并无太大的强化传热作用。《Heat2rateImprovementsObtainedbyRe2tubingCondenserswithnew,EnhancedTubeTypes.Advancesinenhancedheattransfer》根据以上这些分析,在大型冷凝器中使用螺纹槽管并不是一个很好的选择,因为在这种情况下冷凝器中管外侧传
8、热的强化是重要的,而螺纹槽管达不到很好的外侧强化传热作用。从图1中可以看出,管外的强化传热比为
