高性能冷凝器技术原理与实践.doc

105第1期 彭晓峰等：高性能冷凝器技术原理与实践高性能冷凝器技术原理与实践彭晓峰，吴 迪，张 扬（清华大学相变与界面传递现象实验室，清华大学热能工程系，北京 100084）摘 要：传统管内冷凝器多采用无汽液分离的单一管内流程进行冷凝，会因壁面凝结逐渐增厚液膜、出现复杂两相流，冷凝换热中系统运行稳定性、流动阻力和系统的调控等严重恶化。本文通过创新的巧妙结构设计，实现沿程汽液自动分离和短管内珠状或非稳定薄液膜冷凝高效传热，开发出高性能凝结换热器。文中简要介绍了这种换热器的技术原理和思路，并给出了一些实验验证。关键词：冷凝器; 强化传热; 短管; 分液; 凝结相变中图分类号：TK 17 文献标识码：A 文章编号：10006613（2007）01009708Applications and principle of high performance condensersPENG Xiaofeng，WU Di，ZHANG Yang (Lab of Phasechange and Interafacial Transport Phenomena，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract：For a tranditional condenser with tubeside vapor condensation vapor is completely condensed in one flow route without phase separation，and condensate accumulates to form thick film and complicated two phase flow which greatly decrease heat transfer coefficient and system stability and increases pressure drop. The way to enhance the performance of heat transfer is adding fins. Employed a very fine structure design，a kind of new high performance condenser was invented. This kind condenser would automatically separate liquid from vapor and make condensation always occur in short tubes or the entrance regions with droplet and unsteady thin film condensation mode in the whole condenser，which results in very high average heat transfer coefficient. An introduction is presented to describe the basic principle of a novel heat exchanger technology，particularly the understanding from the fundamental experimental investigations and industrial tests.Key words：condenser；enhanced heat transfer；short pipe；separation of liquid and vapor；condensation phase change收稿日期 20061220。第一作者简介 彭晓峰（1961），男，工学博士，教授，主要从事相变、多孔介质、微纳尺度传热基础理论和相关技术应用研究。Email 。换热器是化工、动力、冶金、能源、航天等工程领域广泛使用的基础设备，在物质分离和提纯、能量回收等工艺中起核心作用，尤其在能源动力和化工等许多工业和工艺中占有主导性的地位14。在能源问题从原来的民生问题转变为战略问题的今天，节能环保问题倍受关注，研究开发高效节能的热交换装置，是各国在节约能源和保护环境方面重点解决途径之一5。这不仅会给企业带来巨大的经济利益，也会给整个社会带来巨大的节能环保效益。换热器作为历史悠久的传统能量转换装置，亟待不断改进和提高。在满足一定换热量的前提下，要求它更加紧凑、节省材料、价格便宜、安全可靠、持久耐用。换热器研制中要考虑两方面问题：一是热交换器中传热过程的强化，二是整体性能要求的提高。前者主要指通过对影响传热各种因素的分析，采用某些技术措施，改进具体过程的传热，以提高换热设备的换热效率；整体性能的要求则是考虑换热器整体在换热过程中的合理利用，力求使得整个换热器布局合理，全部换热面积得到充分利用。管壳式换热器具有工艺简单、成本低、适应性强、处理量大、适应于高温高压等众多优点，作为传统标准换热大量使用，尤其在化工、石油、能源等行业更处于主导地位。相变式换热器因高效、节能、清洁越来越受到青睐15。目前，汽水冷凝换热器主要集中在波纹管和波节管的管壳式换热器，性能要求更高的则用板式换热器。传统管内凝结汽水换热器，从进口的过热或饱和蒸汽一直冷凝至管内出口饱和或过冷液体，管壁凝结成液膜并迅速增厚演化成复杂两相流动，最终成为完全的液体流动，换热效果也相应地越来越差。一般管内完全凝结需要相当长的管子，实际能保持较高换热效果的长度十分有限。实际上，整个换热器大部分面积都处于低效凝结过程，大大降低了相变换热器的性能，同时体积大造成成本增加，经济性差。管外冷凝汽水换热器，蒸汽在壳侧速度很低，形成的液膜不易吹落，换热效果也很受限制。传统管壳式冷凝器管外对流换热，蒸汽管内冷凝。管壁凝结液增厚，阻碍蒸汽与壁面接触，是凝结换热主要热阻；同时管内流速明显下降，对流换热减弱；复杂的两相流对运行稳定性、流动阻力和系统调控等产生严重不利影响；管内热阻增加，外管壁温度下降，导致外测流体对流换热温差降低，如果是空冷冷凝器，则管外肋片利用率显著下降。传统上均采用内外增大面积来满足换热需求，管内尽量增大扰动，致使体积、质量较大，制作和运行成本高。在追求高效、节能、环保的今天，传统管壳式换热器单位体积传热面和传热系数较低，难以满足要求。另一方面，国内虽已有不少换热器厂家具备了一定制造能力，但由于对换热器的理解不够深入、积累不够充分以及加工工艺落后，产品都存在着结构紧凑性、传热强度和金属消耗量等方面的问题。可见，管壳式（包括管翅空冷式等）冷凝器有着极大的性能提升、节能降耗、省空间的余地和可能，高性能强化传热技术尤受到国内外广泛重视。近年来，清华大学相变与界面传递实验室采用创新的设计思想，通过合理的设计，以最简单的方式达到强化传热的目的，具体研究开发了高性能冷凝传热技术和换热器。本文将介绍和讨论强化传热技术新思路、换热器基本原理、关键技术和工业实践等。1 技术思想1.1 管内冷凝换热冷凝器是一种利用相变凝结换热现象的换热器，采用潜热热交换，具有很高的换热能力。本文主要以管内冷凝换热器为例进行相关讨论。当蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。根据凝结液与壁面浸润能力的不同，有两种凝结形式，即膜状凝结和珠状凝结，如图1。凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。发生膜状凝结时，壁面上有一层液膜，凝结放出的相变潜热须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜热阻成为主要的换热热阻。凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上，在其他条件相同时，珠状凝结的表面传热系数大于膜状凝结的传热系数。工业用汽水换热器，一般形成膜状凝结，珠状凝结的形成比较困难且不持久。(a) 珠状凝结和膜状凝结实验现象(b) 珠状和膜状凝结模型图1 凝结形式示意图传统的凝结相变换热器，冷凝管入口处为纯蒸汽，出口处基本为纯液体，实现全部管内冷凝。对于水平管情况冷凝过程中管内的流型变化如图2，随着冷凝的进行，管内壁面凝结液膜不断增厚，阻碍了蒸汽与壁面的接触，成为凝结换热主要热阻所在。同时，蒸汽量逐渐降低，管内流速明显下降，弱化对流效果，换热系数减小。对于垂直管，情况基本与水平管相同，随着冷凝的进行，液膜也会不断增加积厚，大大减弱传热效果。图2 管内凝结流型图蒸汽发生膜状凝结时，凝结液液膜热阻是冷凝传热的主要热阻，根据努塞尔纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解，液膜厚度为6 （1）相应的平均表面传热系数为 （2）可以看出，局部液膜厚度与管长的1/4次方成正比，平均表面传热系数与整个管长的1/4次方成反比。换热器管长越小，液膜越薄，平均表面传热系数越大。图3和图4由式（1）和式（2）可得到图3 液膜厚度随管长变化100 水蒸气在温差为50情况下冷凝的液膜厚度和平均换热系数随管长变化。随着冷凝液的聚集，液膜变厚，平均表面传热系数随之下降。尽管凝结相变过程具有很高的传热率，传统相变凝结换热器仍然存在一般体积、质量较大，制作和运行成本高等一系列问题。1.2 管内冷凝的强化一般冷凝强化换热方式中，多关注局部换热系数的增大，如采用强化管，在一侧加肋片等，这种强化方式没有考虑换热器整体性能的合理利用。换热系数在局部得到增强的同时，从整个蒸汽流程来看，流型变化仍如图2，后面一部分换热面积没有得到合理利用的状况并没有得到实质性改善。对于冷凝换热，热阻由3部分组成，即外侧热图4 平均表面传热系数随管长变化通过调节外侧流速或者改变外侧流程可以在很大范阻、管壁热阻和蒸汽侧热阻，见图5。一般情况下，围内提高外侧换热系数和减少外侧热阻，内外流体间传热能力得到很大提高，这也是一般所采用和注重的技术措施。蒸汽冷凝侧一般认为相变传热不会是总传热热阻的主导因素。但是壁面上凝结液的沉积，蒸汽主要在液膜而不是直接在冷壁面上凝结，凝结液膜成为蒸汽侧换热的主要热阻，且随着冷凝的进行，液膜会越积越厚，使得换热系数明显下降，逐渐成为整个传热中的热阻组成的重要部分，恶化传热；另一方面，凝结液流速低，受蒸汽流速影响小，其传热几乎通过热传导实现，不容易通过调节蒸汽流速来降低热阻，提高传热系数。图5 凝结换热热阻1.3 新的设计思路高性能冷凝换热器所采用的技术思路，与现有冷凝器设计理念和强化措施完全不同，即通过合理结构设计达到以下目的：（1）实现有效地选择高性能传热流型和过程；（2）最大限度避免复杂流型发展演化，减少所造成的传热弱化和运行压降等；（3）巧妙利用和发挥段管效应，在换热器内自始至终维持高传热形态；（4）保证蒸汽在换热器内的流速基本不变，充分利用蒸汽流动剪切效应，破坏表面凝结液形态。从传热角度讲，本技术的核心就是：形态选择与汽液分离；流速影响的保持；整体性能的均匀化。图6 管内外传热分析模型从图3、图4易发现，管子进口段蒸汽量很大、冷凝液很少、液膜厚度很小，处于高效的薄液膜冷凝状态，甚至蒸汽刚进口处珠状凝结和非常不稳定的液膜形式凝结，换热系数很高。设想如果能维持换热器内整个冷凝过程，都处于这种薄液膜或者珠状冷凝状态，换热将大大得以强化。只要能通过合理的结构设计，实现汽液自动分离，不断将冷凝液排出，将蒸汽送入下一程管段，就可保证整个换热器处于高性能换热工况。本项技术不仅思想理念别具一格，也是具有自己独立知识产权独特技术创新，目前国内外只有申请人所拥有、由中国和中国台湾授权的二项78、一项受理的相关发明专利9，没有查到其他类似技术的专利和专利申请。2 基础依据2.1 理论分析考虑典型的对流传热过程，如图6所示，总传热系数为6 （3）如前面指出的，当管内为冷凝相变传热，表面传热系数h1会远大于外侧表面传热系数h2，内侧热阻对内外侧流体间的传热影响微弱，甚至可忽略不计。如果外侧为空气冷却，这种差别更大，通常不考虑内侧热阻，也即强化内侧传热对传热过程影响甚微。依此，似乎本文强化内侧凝结换热的技术，对这类换热器的效果应非常有限。事实上，内外流体间的传热可表示 (4)也有 (5)一般对特定的换热器，式（4）中流体间传热量Q和传热温差（Tf1Tf2）保持给定值。从式（5）可知，如果提高表面传热系数h1，必将减小凝结传热温差或壁面温度Tw1和管壁面积，相应地提高了外侧传热的温差（Tw2Tf2），在不改变对流换热条件下，外侧面积A2就可减少，提高整体换热器性能。对空冷凝结换热器，管壁温度下降，意味着空气侧传热温差的提高，将会实质性地减少传热面积，多数情况将体现在扩展面（翅片等）的减小。显然，提高内侧凝结传热表面传热系数，可以有效地重新分配两侧流体传热温差的作用，通过减少传热面积，达到强化换热器传热效果和提高性能。图7 实验台简图2.2 原理实验装置为验证新的设计思想和掌握第一手设计实验依据，实验室开展了系列基础探索工作，主要集中于短管内凝结形态和流速对冷凝换热的影响，包括实验考察水平管槽进口区域蒸汽冷却过程液滴液膜形成与流动、发展演化特性、稳定性等动态细微过程。所采用的实验系统主要包括实验模块、蒸汽发生器、数采和可视化观测设备、外置热风机和冷却水系统，如图6所示10。利用显微CCD可视化成像技术，针对水平管槽进口区域进行凝结形态观察。实验系统图冷凝水在实验段后收集称重确定冷凝量，实验段进出口中心处的T型热电偶，测量蒸汽进出口温度变化。2.3 凝结形态观察图8是典型工况下短管槽进口区的凝结形态实验图像，冷凝初期，表面一般总是出现珠状凝结，随时间液滴不断生长、合并，在冷凝表面上、下游出现由液滴合并而成的横向液桥。此后，液桥与液滴之间的不断吞并、合并、生长，形成覆盖局部表面的液膜。蒸汽速度较低时，最终两部分液膜在这种相互合并、吞并的机制下形成覆盖表面的完整薄液膜，非常稳定，无断裂发生。蒸汽流速较高时，随着液滴的生长、合并，冷凝表面上游出现覆盖局部表面的液膜，同时受蒸汽流动剪切作用下的界面效应影响逐渐明显。上游液膜累积到一定程度后，受到蒸汽流动剪切牵引作用，开始向下游铺展形成覆盖表面的完整液膜。成膜过程主要包括合并、铺展两种方式。然而液膜最终也因蒸汽剪切作用失稳断裂，周期性重复出现以上现象。(a) Re=2587(b) Re=5553图8 蒸汽凝结形态观察实验观察到，薄液膜在高速蒸汽流动影响下呈现小溪状流动，见图9。液滴液膜在蒸汽流速的带动下，呈高频周期性断裂。液膜的断裂，一方面裸露出冷却表面以实现直接的蒸汽冷凝，实现表面初期的珠状凝结，即使有液膜覆盖区，其冷凝方式也将是高效的薄液膜冷凝。另一方面，这种具有一定频率的液膜断裂过程，势必加强蒸汽及液膜的扰动，明显提高换热效率。图9 溪流状凝结2.4 传热特性参照前面的理论分析，传热性能可从管槽壁面温度和凝结换热表面传热系数两个方面来考察。热电偶所测的近出口处壁面温度随时间变化如图10所示。低蒸汽流速时，如实验所观察，管槽壁面很快形成稳定液膜并增厚，壁面温度经历短暂高水平后会迅速下降，表明凝结效果的恶化。随着蒸汽流速的增高，壁面温度会围绕在越来越高的平均值水平上周期性振荡，对应着不稳定的液膜或间歇式的(a) Re1700(b) Re2600(c) Re3600(d) Re5600图10 壁温随时间变化曲线液膜液滴交替式凝结，表面传热系数可以很高。在高流速下，蒸汽冷凝过程的壁面温度明显处于更高的平均值，而且很稳定。这些结果和前面的理论分析完全一致，证实了这种凝结换热的高效性和技术的可行性。 图11为不同蒸汽雷诺数和液膜雷诺数下换热系数的变化规律。随着蒸汽流速提高，液膜稳定性降低，液膜厚度减薄，整体换热显著增强。随蒸汽和液膜Re增加，换热能力提升速率增加，即曲线斜率增大，蒸汽流速对凝结换热有重要作用。两图(a) 蒸汽雷诺数(b) 液膜雷诺数图11 表面传热系数随蒸汽和液膜Re变化中第2点（h=10 kW/m2K）至第3点（h=15.7 kW/m2K）之间的曲线斜率明显提高，这两点间液膜流动形态为滴、膜共存状态，液膜存在方式极不稳定，易发生断裂，形成的液滴易脱离表面。在这种形态下，蒸汽流速的微小变化可能很大地改变凝结液存在方式，很大程度的提高凝结换热效率。3 关键技术3.1 短管换热利用短管实现不稳定薄液膜凝结，强化了换热。由图3、图4可知，液膜厚度随管子长度减小而减薄，换热系数得以提高。由图8和图9知，在多数条件下也可以形成既有膜状凝结又有珠状凝结的溪流状凝结形态，实现汽水换热器的高效利用。另外，使用短管换热可以保持较好的壁面温度均匀性，减小热变形，能有效降低运行热应力。3.2 汽液分离汽液分离实现全程高效短管换热，提高了单位管长换热系数。采用汽液分离技术可以及时排除冷凝液，既防止管内聚集增厚液膜，又为下程以纯净干蒸汽进入提供保障，使得整个换热器保持高的冷凝换热系数，提高了汽水换热器性能和效率。同时，在分段处实现蒸汽与水的自然分离及自动排出，有效减少两相流动对压降和传热等的负面作用。另外，从图3和图4，随着管长增长，液膜变厚，平均换热系数有所下降。可见一根相当长管子实际能保持较高换热效果的长度十分有限，整个换热器大部分面积都处于低效凝结过程，大大降低相变换热器的性能。若利用短管，可以保证冷凝过程中的薄液膜换热，使得整个换热器保持高的冷凝换热系数。由此也可看出利用短管实现了薄液膜凝结，强化了换热。3.3 自动中间排液换热器各管段之间要进行气液分离和排出冷凝液体，这些都是靠结构设计自动实现。排液过程中，既要有效排液，又要阻止气相短路和泄漏，这是设计排液装置的核心关键。3.4 管数与布置合理安排各段管子数目与位置，充分利用换热面积，保证流速，强化换热。蒸汽流速较高时，蒸汽流对液膜表面会产生明显的黏滞应力，对液膜凝结换热产生影响。强化了进口段蒸汽凝结液膜和液滴的不稳定性，提高换热能力。合理安排各段管子数目与位置，管数随管程逐渐降低，有利于保证换热器内全程蒸汽流速大致不变，既避免了蒸汽流速降低导致的换热系数下降，又减少了冷却管数，同时减少换热器体积和质量，减少材料消耗。4 实验检验本文对所开发的产品进行了换热器整机的性能测试检验，包括换热器的厂内实验测定和在河北省辛集市小区供热换热站系统上的性能测试。该换热器实物见图12。图12 实际换热器产品4.1 性能实验进行厂内性能实验的冷凝换热器根据将要安装在实际现场应用的一样，具体情况如下所描述。(1) 设计参数 功率1 MW，热水20 进，95 出，蒸汽压力0.8 MPa。(2) 设计结果 壳体直径480 mm，两封头间距离856 mm，总高1 496 mm。铜管面积7.2 m2，有效换热面积5.78 m2。主体体积0.155 m3。(3) 测试条件 蒸汽表压4 bar（1 bar=100 kPa），流量2.1 t/h，热水40.5 进，流量约22 t/h。(4) 测试结果 热水93 出，凝结水温度86 。(5) 测试结论 测试中热水进口温度高于设计值，这一方面减小的温差，一方面限制热水流量以避免沸腾，这不利于换热的进行。但测试中的换热量仍达到了设计值，说明在设计工况下，换热器的换热能力明显超出设计的1.4 MW(折合蒸汽流量约为2 t/h)。4.2 工业实验测试根据河北省辛集市小区供暖换热站的需求，专门设计并加工制作了5台冷凝器，于2005年10月安装在系统上，进行了一个供暖季的运行和现场性能测试，2006年又进入了第二个供暖使用期。(1) 设计参数 功率1 MW，蒸汽压力0.6 MPa，热水进50 ，出60 。(2) 设计结果 壳体直径377 mm，两封头间距离936 mm，总高1 236 mm。铜管面积5.4 m2，有效换热面积4.9 m2，主体体积0.104 m3。(3) 测试条件 蒸汽表压6 bar，流量1.6 t/h，热水进56 ，流量约87 t/h。(4) 测试结果 热水出66 ，凝结水温度67 。(5) 结论 测试条件基本与设计工况相同，凝结水温度远低于100 ，换热能力有很大富裕，如果增加蒸汽流量，最大换热能力将远超出1 MW(折合蒸汽流量约为1.5 t/h)。两次实验说明与市场同等换热能力和相似工作条件下的同类凝结换热器相比，DLSK系列单位换热量所需金属材料的质量不超过其他同类产品的1/3；DLSK的换热面积和体积比使用强化管的市场上换热器也小许多，换热器的主体体积约只有其他同类产品的50，换热面积比使用强化管的小25以上。5 结 论(1) 本文提供了一种具独创性、可推广、实用的高性能冷凝器技术，该技术的理念也可结合其他强化思路综合使用。对于生产厂家，该技术将明显降低管壳式冷凝器的金属消耗量，且不需特殊加工工艺，可大大降低了生产成本。对于用户，相同的负荷下冷凝器不仅效率髙、性能好，而且非常明显地节省空间、运行成本和能耗。(