摘要 本文設計了一種新的傳熱元件--彈性管束，它對管內外流體流動具有良好的振動響應特性。利用傳熱表面振動提高管外對流換熱系數的同時，利用振動變形減少積垢，降低污垢熱阻，實現了復合強化傳熱。在汽水換熱條件下，對流體誘導振動強化對流換熱規律進行了試驗研究，得到了管外對流換熱的準則方程式。
關鍵詞 換熱器 強化傳熱 污垢
1 引言
流體誘導振動是換熱設備中普遍存在的一種現象。已經提出的流體誘導振動機理主要有：旋渦脫落、紊流顫振、流體彈性激振、聲激振、兩相流靜壓脈動等。很多研究者圍繞這些機理作了大量研究工作，提出了許多新的理論模型與判別式[1]，這些研究在指導換熱器設計方面起到了積極作用。但這些研究幾乎都致力于流體誘導振動的防止，而對其強化傳熱的影響很少討論過。
本文提出了利用流體誘導振動實現強化傳熱的新方法。設計了一種新的傳熱元件--彈性管束。該傳熱元件不同傳統的設計模式，讓傳熱元件從眾多的約束中解脫出來，在管內外流體誘導下自由振動，依靠元件本身的振動特性使振幅通過系統阻尼得到有效控制，元件長期運行不致損壞，同時依靠振動大幅度地強化傳熱。該強化傳熱方式不需要消耗外部能源，屬于無源強化。振動在強化管外對流換熱同時減小污垢熱阻，從而實現復合強化傳熱。本文對彈性管束汽水換熱器的復合強化傳熱特性進行探討。
2 彈性管束的結構及振動特性
彈性管束的結構如圖1所示，它由四根圓管組成，C，D是固定端，A，B是自由端，A，B端具有附加質量。通過調整彈性管束的曲率半徑R，管徑d壁厚δ以及A，B端的附加質量，可以改變其固有頻率和固有振型。
圖1 彈性管束結構及壁溫測點分布
彈性管束具有獨特的固有振型，其中二個頻率的振型結構[2]如圖2所示。彈性管束的振動有發下特點：在不同的固有頻率下，彈性管束的固有振型也完全不同；彈性管束的振動既有面外振動，又有面內振動；彈性管束的各管的振動特征不同，1#管較長，剛度較其他管子低，其振動強度高于其他各管，并且振動出現較高階的彎曲振動。2#和3#管長度和約束條件基本相同，這二管的振動特征基本相同。在固定端C、D處幾乎沒有振動發生，而在自由端A、B處振幅相對較大。
圖2 彈性管束的固有振型結構
（a）13.5Hz；（b）48.3Hz
試驗證實[2]，管內和管外流體誘導振動的機理和管束的振動特性是不同的。圖3為管外水流誘導彈性管束振動的功率譜均為離散譜，由此可見管外水流誘導彈性管束振動為周期性振動，振動為幾階低頻振動的諧振。在汽-水換熱條件下，加熱介質蒸汽在管內不斷凝結，最終變為凝結水。汽液兩相流是管內流動最基本的特征。由于汽液兩相流的不穩定，可引起管內靜壓的脈動現象。另外汽液兩相流在自由端不斷的轉向流動，加劇了汽液兩相不穩定性。管內汽液兩相流誘導彈性管束的振動功率譜密度變為連續譜，管束的振動響應不再局限于幾階頻率，而是分布在一個較寬的頻帶上，高頻振動明顯增加，振動為隨機振動（如圖4所示）。
圖3 管外水流誘導彈性管束振動的功率譜
圖4 汽-水換熱條件下管外振動的功率譜
3 傳熱試驗裝置
本試驗裝置如圖5所示，主要由試驗段、水系統、蒸汽系統和數據采集和處理系統組成。蒸汽從分汽缸經調節閥、溫度和壓力測量裝置進入彈性管束汽-水換熱器的管束內。在管內凝結放熱后變為凝結水，由凝結水管排出。蒸汽的流量通過測量凝結水的流量而得到。被加熱水經水泵、調節閥、渦輪流量計進入換熱器的殼程，在換熱器內被加熱后，由出水管導入冷卻塔，降溫后再返回水箱。彈性管束在換熱器中水平放置。
圖5 試驗裝置系統圖
換熱器的進出口水溫和凝結水溫度由銅-康銅熱電偶和標準水銀玻璃溫度計進行測量并加以比較。蒸汽入口溫度以及換熱器內彈性管束管內和管外介質的溫度以及管壁的溫度均由銅-康銅熱電偶測量，熱電偶的測量信號全部送入美國Fluke Net-DAQ2640A型數據采集系統進行記錄和處理。4 汽-水換熱器傳熱試驗結果及分析
4．1 傳熱系數
表1為不同蒸汽壓力和不同的水流量下部分試驗結果。總的看來，蒸汽壓力在0.2～0.4MPa，殼體水流Re數在100～700范圍內，彈性管束換熱器的平均傳熱系數在4000～5100（W/m2·K）之間。彈性管束換熱器與其他類型換熱器的傳熱系數相比在低流動Re數下強化傳熱效果明顯。
影響彈性管束傳熱系數的主要因素為蒸汽的進口壓力、水流的Re數及彈性管束的結構。這主要是因為彈性管束換熱器是依靠管束的振動強化傳熱，上述參數對管束的振動強度起重要作用。從表1中可以看到，蒸汽的進口壓力對傳熱系數影響較大。而水流量對傳熱系數的影響相對較小，這與傳統換熱設備有很大的不同。要得到傳熱系數隨其他參數變化的關系式，這項工作尚需努力。
4．2 管外對流換熱系數
表1列出了部分工況下，管外對流換熱系數的數值。在試驗參數范圍內，汽-水換熱條件下彈性管束管外平均對流換熱系數一般在5500～8000（W/m2·K）左右。與管內恒熱流電加熱條件下的管外對流換熱系數相比提高了一倍左右[2]。這說明管內汽水兩相流動對彈性管束的振動影響很大，在管內、管外流動介質共同作用下，液體誘導振動強化傳熱的效果更加明顯。若與同Reynolds數下橫向沖刷固定管束的對流換熱系數相比，管外平均對流換熱系數提高了4～5倍以上。其中橫掠固定管束管外平均對流換熱系數計算采用Zukausas給出的公式[3]。彈性管束外對流換熱系數與管內外介質和流動條件均有較大的關系，這點與傳統換熱設備有很大不同。這是因為彈性管束依靠流體誘導振動來強化傳熱，管內外介質和流動條件變化，液體誘導振動強度會發生相應變化。
同試驗工況下部分試驗結果 表1
蒸汽壓力（MPa）
殼程水流Re數
傳熱系數
（（W/（m2℃ ））
管外對流換熱系數
（（W/（m2℃ ））
管內凝結換熱系數
（（W/（m2℃ ））
0.322
602
4727
7328
13317
0.268
386
4489
7216
12950
0.279
274
4656
7247
13019
0.296
180
4704
7331
13265
0.36
470
5099
7859
14521
0.222
349
4153
5924
12892
0.218
309
4107
5869
12536
在管內恒熱流電加熱條件下，彈性管束的振動只有管外水流誘導引起，其管外對流換熱準則施工為：
(1)
在水水換熱器中，管內為高溫水，彈性管束的振動是管外和管內水流共同誘導產生的，在管內流速1.5m/s時，實驗測的管外對流換熱方程式為：
(2)
在汽水換熱器中，管內為汽液兩相流，彈性管束的振動是管外水流和管內兩相流共同誘導產生的，在管內蒸汽壓力為0.2MPa時，實驗測的管外對流換熱準則方程式為：
(3)
上述公式使用于Re的范圍為50～1000，誤差為±8%。
4．3 管內凝結放熱系數
管內的蒸汽凝結放熱系數一般在12500～14500W/(m2·K)范圍內。關于表面振動對蒸汽凝結換熱的影響，文獻[4]等做過研究，結論為表面振動對凝結換熱有一定影響，但較小，一般凝結換熱系數變化在15%以內。為了便于比較，在相同的流動狀況下，本文采用文獻[5]推薦的計算水平管管內凝結換熱系數的公式對固定光管管內凝結換熱系數進行了計算。結果發現，表面振動條件下管內蒸汽凝結換熱系數的提高幅度在20%以內。這說明彈性管束振動強化傳熱對管外對流換熱影響較大，而對管內換熱影響較小。
4．4 強化對流換熱機理分析
在管內外流體共同誘導下彈性管束的振動為三維振動，既有管束面內振動，又有管束面外振動，管束上各點的振動強度也不相同，因此彈性管束的振動特性非常復雜。彈性管束在自身振動的同時，還要接受換熱器來流的橫向沖刷，另外換熱器內管子與相鄰管子相互影響，由于振動的復雜性和不確定性以及殼體內流場的復雜性，要從理論上確定彈性管束管外近壁區實際流場結構是異常困難的。利用邊界層理論定性分析，彈性管束強化管外對流換熱的主要原因為：提高近壁面的流體速度，使附面層厚度減小；提高了附面層區域的湍流度；改變了繞流圓管的流場結構。
5 汽水換熱器傳熱溫差計算討論
對于本文研究的管束內的蒸汽凝結放熱問題，由于沿管子長度方向壓力不斷降低，蒸汽的飽和溫度也相應下降。而幾乎所有的參考書中蒸汽凝結放熱介質溫度的變化都描述為圖6A曲線所示[4]。而實際的濕度分布近似為曲線B所示。該曲線左側為蒸汽凝結放熱，右側為凝結水過冷。因此，實際計算時，可采用圖6中曲線C近似計算。該曲線與單相介質的放熱規律相似。
圖6 管內蒸汽凝結放熱溫度分布原理圖
由于彈性管束換熱器內冷、熱介質的流動不是平等流，而是為錯流，其中熱介質不混合，冷介質混合。因此其傳熱平均溫差不能采用順流或逆流的對數平均溫差進行計算。蒸汽凝結放熱的溫度變化規律可參照單相介質的放熱規律，采用積分法來得到彈性管束汽水換熱器平均傳熱溫差的計算公式如式（4）所示，經驗證，利用該公式計算誤差小于5%。
（4）
6 彈性管束污垢特性
彈性管束在振動條件下，污垢的形成及發展與固定管束的情況有所不同。為此作者對某用于加熱生活熱水的汽水換熱器進行跟蹤測試。污垢熱阻隨運行時間的增加而增加，當達到一定時間時，其污垢熱阻的數值基本穩定在0.5×104～0.57×104m2·K/W左右。這一數值與文獻[5]相比較，污垢熱阻只有普通光管的1/3左右。在換熱器運行2年后，打開殼體發現在主要傳熱面彈性管束的表面上，垢層很薄并呈斑禿狀。在換熱器的底部有較多脫落的片狀污垢聚積，這證明彈性管束確定具有自動除垢功能。
彈性管束能夠減少污垢的原因可以從以下幾方面說明：彈性管束為全圓弧結構，并且是在水平面內可自由伸縮的彈性系統，面內振動是彈性管束能夠自動除垢重要原因；在換熱器運行過程中參數變動以及啟停過程中，傳熱壁面溫度變化會產生熱應力，彈性管束的熱應力對自動除垢也起重要促進作用；另外彈性管束表面振動，使得管表面附近流體流速增加，湍流度增大，使污垢的生成速度變緩。
