內(nèi)外表面熔焊管強(qiáng)化凝結(jié)傳熱實(shí)驗(yàn)研究與機(jī)制分析.pdf

1、蒸汽冷凝換熱器是工程中的蒸汽動(dòng)力裝置以及汽動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，其運(yùn)行壽命和工作效率是整個(gè)熱力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(qiáng)化傳熱技術(shù)具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)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(gè)重要領(lǐng)域受到了越來越多的專家學(xué)者的重視，隨著對(duì)冷凝過程機(jī)理的認(rèn)識(shí)和了解，出現(xiàn)了大量對(duì)凝結(jié)模

2、型的計(jì)算和研究，對(duì)凝結(jié)過程做出了定性和定量的描述。但是其中對(duì)于水蒸氣凝結(jié)過程的強(qiáng)化換熱研究的著眼點(diǎn)大多在管外凝結(jié)方面，對(duì)水蒸氣的管內(nèi)凝結(jié)換熱特性的探索涉及較少;在強(qiáng)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(shí)踐的結(jié)合不夠緊密。而對(duì)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(dá)到強(qiáng)化換熱的效果的系統(tǒng)的研究和報(bào)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(duì)普通碳鋼管的內(nèi)外表面進(jìn)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(shí)驗(yàn)，管束的外部凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)，數(shù)值計(jì)算及強(qiáng)化傳熱機(jī)理分析等幾個(gè)方面入手，研究了熔焊表面對(duì)管材的凝結(jié)換熱性能的提升效果。進(jìn)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了表面熔焊管和普通鋼管的管外凝結(jié)換熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別以單管和管組的形式構(gòu)建實(shí)驗(yàn)段，以管內(nèi)循環(huán)水作為冷源，讓水蒸氣（以

4、下簡(jiǎn)稱蒸汽）分別在兩種管材的外壁面發(fā)生凝結(jié)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shì);通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(duì)凝結(jié)換熱的強(qiáng)化作用十分顯

5、著;通過焊接熱電偶測(cè)量壁溫的方法，得到了管子沿周向和管長(zhǎng)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(fù)荷。
　　(2)建立了管束凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別以四種不同換熱管材（含表面熔焊管）構(gòu)造管束進(jìn)行真空狀態(tài)下的管外凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)，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(jià)值。
　　(3)結(jié)合威爾遜圖解法對(duì)管束實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到了各管束的管外凝結(jié)換熱系數(shù)σo隨實(shí)驗(yàn)段真空度σ的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了高真空度能夠強(qiáng)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?yàn)檎婵斩鹊奶岣呤沟谜羝鲃?dòng)更為均勻，流速更快，汽流對(duì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)凝結(jié)換熱。
　　(4)采用套管式逆流換熱機(jī)制建立了基于表面熔焊技術(shù)的管內(nèi)凝結(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。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(duì)蒸汽在其內(nèi)部的凝結(jié)換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與普通鋼管的管內(nèi)蒸汽凝結(jié)進(jìn)行對(duì)比分析。分別得到了管內(nèi)蒸汽為負(fù)壓(0.064MPa)、常壓(0.105MPa)和高于大氣壓(0.185MPa)時(shí)，套管環(huán)隙循環(huán)冷卻水Re數(shù)對(duì)兩種管材總體換熱系數(shù)k的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入口蒸

8、汽為負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，內(nèi)表面熔焊管實(shí)驗(yàn)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(shí)，總體換熱的強(qiáng)化幅度分別為30％和34％;實(shí)驗(yàn)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(duì)比曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入口蒸汽為負(fù)壓(0.064MPa)狀態(tài)時(shí)，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(qiáng)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(shí)，內(nèi)表面熔焊管對(duì)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(duì)蒸汽在管內(nèi)凝結(jié)的換熱場(chǎng)合，將換熱管材的內(nèi)表面進(jìn)行熔焊改性處理，也能夠起到強(qiáng)化傳熱的作用。
　　(5)對(duì)管內(nèi)凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并進(jìn)行了誤差分析。
　　(6)通過管材表面的金相組織實(shí)驗(yàn)和能譜實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)正是表面熔焊管具有良好力學(xué)強(qiáng)度、抗腐蝕能力的根源。同時(shí)，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(duì)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)一步解釋了實(shí)驗(yàn)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(jì)算的相關(guān)理論方法，利用雷諾時(shí)均N-S方程描述套管管內(nèi)水蒸氣的流動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)

12、k-ε兩方程湍流模型（Standard k-ε Model）對(duì)水蒸氣運(yùn)動(dòng)控制方程的雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行湍流封閉，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行近壁區(qū)處理，依據(jù)管內(nèi)冷凝實(shí)驗(yàn)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(jì)算模型。利用實(shí)驗(yàn)工況驗(yàn)證了所建數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性考核。對(duì)于內(nèi)表面熔焊管的速度溫度及壓力分布進(jìn)行了分析，管內(nèi)冷凝現(xiàn)象的傳熱及流動(dòng)規(guī)律為:蒸汽側(cè)參數(shù)沿著管中心線呈軸對(duì)稱分布，橫截面內(nèi)的參數(shù)沿