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1、第 3 2卷 第 4期 1 9 9 8年 4月 上海交通天学学报 J OURNAL OF S HANGHAI J I AOTONG UNI VE RS I TY Vo- 3 2No 4 Ap r 1 9 9 8 王列 科 ， 杨 强 生 ( 上 海 交 通 大 学 动 力 与 能 源 工 程 学 院 ) T I 7 摘要在扳式换 熟器的蒸汽凝结换热试验 台上进行了实验研 究， 获取蒸汽完全凝蛄和部分 凝结两种典型 工况下的换热和压降特性 且就扳式换热器中蒸汽凝蛄过程的换热进行分析和 处理， 得到了一个在扳片槽道 中蒸汽凝蛄换热 系数关联式， 并推荐用于扳式换热器的蒸汽凝蛄 换 熟 系数 的计
2、算 关键 词 垫苎 苎苎至； 签 苎兰 ； 垫垫墨 墼 中图法分类号TK 1 7 2 An al y s i s o f S t e a m Co n d e n s a t i o n He a t T r a n s f e r i n Pl at e He at Ex c h an ge r W a n g L i e k e ， Y a n g Qi a n g s h e n g S c h o o l o f Po we r a n d En e r g y En g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e
3、r s i t y，Ch i n a Ab s t r a c t Co o p e r a t i n g wi t h Al f a La v a l Th e r ma l Co mp a n y o f S we d e n， a s t e a m c o n d e n s a t i o n t e s t r i g o f p l a t e h e a t e x c h a n g e r ( P HE)wa s s e t Th e h e a t t r a n s f e r a n d p r e s s u r e d r o p c h a r a c t e
4、 r i s ti c s o f t wo k i n d s o f t y p i c a l o p e r a t i o n c o n d i t i o n i n P HE we r e o b t a i n e d( c o mp l e t e c o n d e n s a t i o n a n d p a r t i a l c o n d e n s a t i o n) I n t h i s p a p e r ，t h e p r o c e s s o f s t e a m c o n d e n s a t i o n i n PHE i s a n
5、 a l y z e d i n d e t a i l ，B a s e d o n t h e d a t a p r o c e s s i n g o f e x p e r i me n t a l p o i n t s ，a c o r r e l a t i o n o f s t e a m c o n d e n s a t i o n h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t i n wa v y p l a t e c h a n n e l i s g o t ，wh i c h c a n h e r e c o m
6、me n d ed t o c a l c u l a t e s t e a m c o n d e n s a t i o n h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t i n P HE Ke y wo r d s p l a t e h e a t e x c h a n g e r s t e a m c o n d e n s a tio n；h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t 由于板式换热器的优 良性能 以及和壳管式换热器相 比具有低廉 的价格 ， 一个世纪 以来它在单相 的
7、换热领域 中得到了广泛的应用 从 7 O年代开始 ， 人们发现板式换热器还是一种很好的两相流换热器_ 1 ， 特别是用于区域集中供热的蒸汽凝结领域 可以预计 ， 板式换热器在蒸汽凝结领域中将会有广阔的应用 前 景 但是 ， 迄今为止人们对板式换热器 中蒸汽凝结还研究得很少0 ， 文献 2 ， 3 得到的蒸汽凝结换热系 数计算公式分别是蒸汽在水平管和竖直管 中凝结时的推广， We s t wa t e r 探讨了紧凑式换热器 中的凝结 过程， Go p l n等 用 四种制冷工质在紧凑式换热器流道中作了凝结换热的实验研究， 基于实验结果对竖 壁层流凝结换热的 Nu s s e h理论解作了修正，
8、 结果如下； r f 嘶l i J 【 瓦J 其中： 为流道高度 D 为当量直径 式 中系数由原 0 ， 9 4 3增大到 1 0 6 ， 即增大了 1 2 ， 此外增加了高宽 比 D 的影响， 但由于试验过程的最大流速为 0 3 m s ， 因此 ， 其换热系数的数值仍然很低， 文献 6 中 收稿 日期； 1 9 9 7 0 4 2 5 王刊科： 男 ， 1 9 7 2年生， 博士生 邮编 2 0 0 0 3 0 维普资讯 http:/ 第4 期 王列科， 等 ： 板式换熟器中蒸汽凝结换热特性 给出了板式换热器 中蒸汽凝结换热系数的关联式 ， 但该公式与板式换热器中实际的凝结 过程仍然相距
9、较远、 文献 7 中引用 了 C a r p e n t e r和 C o l b u r n关于蒸汽流速对竖管 中膜状凝结的影响 ， 并给 出了计算 关联式， 但能否推广使用 ， 尚有待核实 文献 8 对蒸汽在普通型板式换热器中凝结过程的压降和换热特 性 进 行 了实 验研 究 ， 基 于 测 量结 果提 出 了一个 传 热关 联式 ， 式 中 Nu数是 参 数 R Pn 、 A P , 等 的 函数 ， 此 外还 引人 一个 无 量纲 参数 H=c a y ， 以考 虑水膜 对换 热 的影 响 作者与瑞典 A1 f a L a v a 1 Th e r ma l 公 司合作 ， 建立一个板
10、式换热器的蒸汽凝结试验台， 开展了蒸汽凝 结过程的实验研究、 该试验台的热平衡误 差在土5 以内 本文就蒸汽凝结过程的换热进行了分析 ， 通过 测得的数据首先计算总传热系数 ， 然后利用 A1 f a L a v a l Th e r ma l 公司的公式和迭代的方法计算水侧的 对 流换 热 系数 和板 片的 热阻 ， 最 后 获得 蒸汽 侧 的凝 结 换 热系 数、 根 据 对 大量实 验 数 据 的整 理 和 回归 ， 得 到蒸汽凝结换热的关联 式， 可供工程设计和计算时使用、 1 板 式换 热器试验 台 用于蒸汽凝结换热的板式换热器试验台流程图示于图 1 、 采用 P t 一 1 0 0
11、电阻式温度计测量蒸汽进 r 7 、 凝结液出r 7 和冷却水进、 出 r 7 的温度 ， 用 0 、 1 。 C的温度计对其进行标定、 考虑到测量精度 ， 本实验均在进 出口配置了两个 P t 一 1 0 0温度计， 进行相互间的校核 测量压力的传感器采用测量压差值和压力值的两 种传感器( A1 f a L a v a l Au t o ma t i o n产品) 在蒸汽侧的实测过程 中， 采用两个压 力传感器分别测量蒸汽 的进、 出口压力 ， 其位置与测点保持在同一水平面上 ， 以避免凝液位差可能造成的误差 对于水侧， 采用 压差传感器进行测量， 其数值与 A】 f a L a v a l
12、Th e r ma l 公司在单相流体实验时的实测压 差进行 比较 蓑 进 口 水进口 1 一手动拉 爿阿 2 一过滤器 3 一稳压器 口 4 一电动调节阿 5 一宴验用板式换热器 6 一水倒流量计 7 一水 泵 8一砖却用板式换热器 9 一燕 侧流量计 1 0 一阻汽捧木阁 l 1 一凝水 收集警 水 口 图 1 实验台流程 圉 Fi g 、 1 S c h e ma t i c o f t h e t e s t r i g ， 水倒流量用转子式流量计测得 ， 其精度为 1 、 对凝结液流量的测量， 因最大流量仅为 0 、 6 k g s ， 用 相 同类 型的 流量计 进行 测 量引起
13、的误 差 较大 ， 在实 验 中同 时用 手 工测 量加 以校核 ， 即用 量筒 和秒表 进行 计量 当工况处于稳定状态时对每一工况连续测量两次取其平均值、 本实验中除凝结液的测量采用手工 测量外 ， 其余各物理量均通过计算机数据采集 P t 一 1 0 0温度计输出电压信号 ， 压力传感器输 出电流信号 ( 4 2 0 mA) ， 流量计也输出电流信号、 采用瑞典 I NTA B公司的 A AC 一 2型数据采集器 ， 最后由计算机 自动采集数据 用 A l f a L a v a l T h e r ma l 公司的 M6型板式换热器作为实验对象、 这是一种密封垫圈式的 板式换热器、 其主
14、要参数 ： 由 2 2块板片组成 2 1个流道 ， 其中 1 0个蒸汽流道， 1 1 个冷却水流道 ， 蒸汽和 冷却水呈逆流流动 ； 板片尺寸为 7 5 0 mm2 5 0 mm； 角孔直径为 6 0 mm 2 实验 数 据 的 处理 2 1 实验过 程 首先， 对实验装置的蒸汽凝结过程作了热平衡校核 当 凝结过程出r7 有过冷的 情况时， 可以对蒸汽 维普资讯 http:/ 2 0 上海交通大学学报 第3 2 卷 的放热量和冷却水侧的吸热量进行校核 共有 3 3个实验点校核试验台的热平衡 由于测量仪表较为先 进 ， 热平衡误差很小， 大部分在 3 以内 误差超过 5 的仅有两点 ， 可作为无
15、效点处理 因此 ， 本实验的 热平衡误差取为士5 ， 从而确保数据有较高的精度 然后 ， 对 M6 型板式换热器进行 了阻力和换热的实 验研究 共测得 1 0 9 个有效实验数据 ， 其 中完全凝结工况 2 7个 ， 部分凝结工况 8 2个 入 口蒸汽绝对压力 为 0 1 3 O 3 3 MP a ， 出 口干度 在 0 O 3 ， 每个 流 道 的蒸 汽流 量 从 0 0 1 5 0 0 6 k g s 对 于部分 凝 结 工 况， 传热量是 以水侧热量为准 ， 由此推算得到蒸汽出 13的干度 实验中测量了具有大过 冷度 的凝结 、 完全凝结和部分凝结三种工况 其 中具有大过冷度的凝结仅用于
16、校核实验的热平衡度 ， 完全凝结和部分 凝结则用于计算蒸汽凝结 的换热准则和压降规律 关于凝结压降的实验结果整理可参阅文献E 9 3 2 2 蒸汽凝结换热 系数的计算 板式换热器的总换热系数可按 U Q ( F )确定 其中： F为板式换热器的总换热面积( m ) ； 为传热的对数平均温差 ( 。 c) ； Q为水侧吸收的热量 Q或蒸汽释放 的热量 ( w) 水 翻对流换热系 数 h 按 A1 f a L a v a 1 T h e r ma l 公司的板片热力性能公式计算 ： Nu= 1 R e 2 ，( Pr ) ( ) 其中： 为考虑壁温对所计算的对流换热系数的修正， 和 分别对应于水温
17、和水侧壁温下的流体 粘性系数 ； 系数 吼 和指数 吼、 口 。 按 R e 数的不同有各 自常数值 在板片热阻 中将涉及板片温度的计算 板片的导热系数及水侧对流换热系数均与板温直接相关 ， 且 最终总结的换热关联式也将和板片温度直接相关 ， 因此板片温度的计算显得甚为重要 本文利用迭代法 先求 出板片中间的平衡温度： 一 【 毫+ 去 J + 其 中： 丁 1为水侧平均温度 ， 其值为水侧进出口温度的平均值 以为板片厚度 值得 指出的是， 水翻换热系 数 h 与冷却水侧 的壁温有关 ， 而板片的导热系数与板片温度的关系为 K 一 1 3 0 3+ 0 0 1 2 T，即和冷 却水侧的壁温有关
18、 ， 所以要通过反复迭代才可求得板片中间的壁温 必须指出， 仅仅求出板片 中间的温 度还不够 ， 应进一步迭代求出板片水侧及蒸汽侧壁面温度 7 和 7 n ， 即 一 一 等 ( 去】 I T 一 + 等 ( 老) 其 中， K 和 K 分别为靠近水侧及蒸汽翻 1 z板片厚度的平均热导率 通过迭代求 出三个平均温度， 迭 代精度为 0 5 由于实际过程中蒸汽侧凝结、 水侧和板片的热阻具有相同的效量级， 若总温差为 3 0 。 c， 则 T m和 一 之间的差值高达 1 O 。 c以上 ， 这应该引起研究者的注意 文献E 8 3 中忽视了这一变化而 将 板片 中间的温度 当作 整个板 片的温度
19、， 给数据处理 带来 一定 的偏 差 最后 ， 蒸 汽凝 结换 热系数 h 。 = 【 1 u一 1 肛 一 K。 ) - 1 2 3 蒸汽凝结换热关联式 基于本实验所获得的 2 7 个 完全凝结工况和 8 2个部分凝结 点工况 ， 考虑蒸汽凝结 时的冷凝液膜流 动和蒸汽出口干度 ， 流体的物性 ， 冷凝压力 以及凝结过程中平均温度等因素的影响， 综合文献E 6 8 3 ， 采 用蒸汽侧凝结换热解的形式为 Nu= 1 ( R e 1 H ) 2 Pr ( P L P , ) 其中： Nu为蒸汽侧凝结的努谢尔特数， Nu -h 。 D K ， K 为液膜导热系数( w m K) ； Re 为冷凝
20、液膜雷 诺数 ， R e l = G ( 1一 。 ) D ， 其 中 G 为蒸 汽流 量 ( k g m s ) ， 为 出 13干度 ， D| 为定 性 尺寸 ( m) ； H 为考虑冷凝液膜 对凝结换热系数影响的无量纲参效， =f 由于蒸汽过热和冷凝液过冷 ， 中的 汽化潜热 y由下式代替0 t = 卸( 一 T )+ + 3 1 ( 一 T ) 8 即 由汽 化潜 热 、 蒸 汽过 热 热量 和液 膜过冷 热量 组成 L h T 为蒸 汽饱 和 温度和 蒸汽 侧壁 温之差 ， 取 进 出 口的平均 值 A T = T 一 T 对全部实验点利用多元线性 回归 的方法 得到 4 【 一0
21、0 1 4 3 ， 2 =0 8 6 4 ， 一0 0 5 5 回归的复相 维普资讯 http:/ 第4 期 王列科， 等： 板式换热器中蒸汽凝结换热特性 关 系数 为 0 9 5 5 ， 两 个偏 差相 关 系数分 别 为 0 9 9和 0 9 5 ， 说 明线 性 回归 的效果 很好 各 实验 工况 在回归 曲线上如图 2所示 由此可见 ， 在实验工况 的范围内， 尽管蒸汽质流率、 蒸汽压力、 出 口干度和平均温差 均 有较 大 变化 ， 但 各实 验点 均 可得 到很 好 的 回归 ， 呈现 出 良好 的线 性规 律 蒸 汽侧 凝结 换 热 的关 联 式可 写 为 Nu一 0 0 1 4
22、 3 ( R e l 日 ) 椰 _ P ” ( ) 在上述方程 中， 除了蒸汽密度和汽化潜热是用蒸 汽进出口平均压力下饱和温度的平均值来计算外 ， 其余所有的蒸汽和凝结液膜的热力性质均是以蒸汽温度和蒸汽侧壁温 的平 均值作 为定性温度计算的 根据各个实验工况 ， 由上式计算得 出的蒸汽凝结换热系数和实验值的比较见图 3 ， 它们之间的偏差在 士5 以内 ， 足 见该 式能 较好 地表达 板式 换热 器 中凝 结换 热 的规 律 F 芒 S i 1 0 0 r J ， ， 2 1 0 d l O 5 舳 l n 图 2 蒸汽凝结换热 系数 回归 曲线 F i g 2 R e g r e s s
23、 i o n e L k r 4 e o f s a m c o n d e n s a t i o n h e a t t r a r - s f e r t o e f f i c i e n t 4 0 3 6 北 姐 z 2 。 1 6 6 2 O 2 1 2B 弛3 6 4 0 田 【 k W( m ) 】 图 3 实验值和 回归公式计算值的 比较 Fi g 3 C o mp a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l U e S a n d c a l c u l a t i o n r e s u l t s 2 4 和有关文献的比
24、较 ( 1 )和文献E s 的比较 本文关联式的原始模型来 自文献E s ， 实验数据按此模型的良好回归说明此 模型在计算板式换热器中的蒸汽凝结换热系数是适用的 ， 但该文中存在着一些值得商榷的地方， 导致了 按该文推荐关联式的计算结果比本 文获得的实验结果大 3 O 参数 H c A T 7 是一个综合反映凝结液膜对凝结换热影响的因素， 它的影响直观地反映为凝结 温差 的影响， 即蒸汽平均温度和蒸汽侧壁温之差 文献E s 中忽略 了板片的两侧温差， 而仅仅将板片 的中间温度作 为整个板片的温度 ， 这样就带来 了很大的误差 ， 除引起最终结果 的偏差外， 还体现在 Re 数的指数偏高 另外
25、， 在蒸汽凝结过程中， 少量蒸汽过热和液膜过冷是不可避免的， 因此有必要对此进行 一 些修正 将 日 中的汽化潜热 y取作 ， 以使结果更合理 1 此外， 作者认 为冷却水进 口温度越高 ， 越接近蒸汽凝结温度越好 这将有效地减少过冷的影响， 否 则 ， 会 由于冷却水温较低而出现大的过冷， 这将严重影响最终的实验结果 冷却水的流量也很重要 ， 必须 保证冷却水侧的对流换热系数和蒸汽凝结换热系数保持在同一数量级上 ， 这样当冷却水侧有一点点测 量误差和计算误差时， 不会给得出的蒸汽侧凝结换热系数带来更大的误差 通常蒸汽侧和板片的热阻均 在 0 5 1 0 ( m C) W左右， 所以应保证冷却
26、水侧的对流换热系数至少在 1 0 k W ( m 。 C) 以上 ， 本 文实验 中的冷却水进 口温度为 6 5 8 5 ， 冷却水侧对流换热系数在 1 5 2 0 k w ( m。 ) ( 2 )和其他文献的比较目前在板式换热器的蒸汽应用领域中， 凝结换热公式大多采用竖直或水平 圆管 中 的蒸 汽凝 结换 热公 式 把 本文得 到 的结 果 和 G o p i n等E s 对 努 谢 尔 特理 论解 的 修 正公 式、 To v a z h n y a n s k i y 等 关于狭缝流道 中蒸汽凝结的关联式以及竖直圆管 内蒸汽凝结时的卡频特和考尔本 公式 进行比较 ， 比较结果如表 l所示
27、 其 中： h 。 是蒸汽凝结换热系数的实验值 ； 是用本文回归公式计 算的换热系数； 。 分别对应文献E 5 7 3 中所用的蒸汽凝结换热关联式的计算结果 从表 中可以看 出， 文献中的换热关联式和板式换热器中实际的凝结过程的差距甚大 经修正后的努 谢尔特理论解的数值偏小， 这 主要是 由于 它没有考虑液膜的波动和蒸汽流速的影响， 特别是板式换热器 中的蒸汽凝结时进口流速很大 ， 有时达 5 0m s ， 这将大大增加蒸汽凝结换热系数 而h 和 h 偏高， 不适 用板式换热器中的蒸汽凝结换热系数的计算 一个比较重要 的原因也许是它们没有考虑凝结液膜的参 维普资讯 http:/ 上海交通大学学
28、报 第3 2 卷 数 H， 当然真正的原因需要进一步研究， 而本文所获得的关联式对板式换 热器中的蒸汽凝结过程的计 算公 式是 比较合理 的 衰 1 蕉汽凝结换热 系数 的实验值 与某些关联式计算 值的 比较 Ta b- 1 Co m p a riso n of e x pe r i m e nt a l va l u e s a nd c idc e d a t i on r e su l t o f di f f er e nt c or re l at i on s a bo ut s t e am c 0 d e qt l i o0 he at t r a ns f e r c o e
29、f f i c l e nt 3结论 ( 1 )蒸汽在板式换热器中的凝结过程是一种复杂的两相流动过程 ， 根据测得的实验数据计算总传 热系数 ， 扣除冷却水侧的对流换热热阻和板片的热阻， 最后得到了蒸汽凝结换热系数 其中， 冷却水侧的 对流换热系数和板片的热阻要通过迭代法进行求解 ， 并且应考虑板片在蒸汽侧和冷却水侧的壁温差异 ( 2 )本文采用多元线性 回归方法对凝结换热 的实验结果进行了处理 ， 得到板式换热器 中蒸 汽凝结 换热 的关 联 式 实验 中蒸 汽绝对 压 力 为 0 1 3 0 3 3 MP a ， 出 口蒸汽 干度 在 0 0 3 ， 每 个流 道 的蒸 汽 流 量为 5
30、4 2 1 6 k g h 计算 得出的凝结换热系数值和实验值相比较 ， 其误差在 士5 以内 推荐用于蒸 汽 在板式换热器 中的凝结换热的设计和计算 致谢 本课题得到 Al i a L a v a l T h e r ma l 公司的资助， 实验是在瑞典 Al i a L a v a l 公司总部 完成的 实 验过程中 Mr Ro l l E k e l u n d和 Mr S t e f a n B u r g给予很 大的帮助 ， 特此致谢 参考文献 1 Th o n o n B， d i l R，M a r v i l l e t CRe c e n t r e s e a r c h
31、a n d d e v e l o pme n t s i n p l a t e h e a t e x c h a n g ers J o u rna l o f En h a n c e d He a t Tr a n s f e r ，1 9 9 5 ， 2 ( 1， 2 ) ： 1 4 9 1 5 5 2 C o o p e r AC o n d e ns a t i o n o f s t e a m i n p l a t e h e a t e x c h a n g e r s AI C h E S y mp，1 9 8 7 ， 7 0( 1 3 8 ) ： 1 7 2 1
32、7 7 3 S mb M M A g e n e r a l c o r l e l a t i o n f o r he a t t r a n s f e r d u r i n g fi l m c o n d e n s a t i o n i n s i d e p i p e s I n t J He a t Ma s s Tr a ns f e r ， 1 9 7 9 ， 2 2 ( 3 )： 5 4 7 5 5 6 4 We s t wa t e r J MCo mp a c t h eat e x c h a n g e r s wi t h p h a s e c h a
33、n g e P r o c 8 t h I n t He a t Tr a n s f e r Co n f e r e n c e ，S a n F r a n c i s e o，19 8 6 2 6 9 2 78 5 Go p i n S R，Us y u k i n I PAv e r ya n o v S o v i e t Re s e a r c h，1 9 7 6， 8( 6 )： 】 1 4 1 1 9 6 To v a z h n y a n s k i y L L，Ka p u s t e n k o P AHe a t t r a n s f e r f r o m s
34、 t eam c o n d e n s i ng i n a n e x t e nd e d s u r f a c e s l o t c han n e 1 He a t Tr a n s f e r S o v i e t Re s e a r c h，1 9 8 0，1 2 ( 4 ) ： 3 4 3 5 7 J G 科利尔著 对 漉沸膊和凝结 魏先英 译 北京 ： 北京科学 出版社 ， 1 9 8 2 8 W a n g Z h o n g z h e n g，Z h a o g h e r ma n An a l y s i s o f p e r f or ma n c e
35、o f s t e a m c o n d e n s a t i o n h eat t r a n s f e r a n d p r e s s u r e d r o p i n p l a t e c o nd e n s e r s He a t Tr a nsf e r En g i n e e rin g，1 9 9 3 ，1 4( 4 ) ： 3 2 4 1 9 王刊科 ， 杨强生 板式换热 器中的蒸汽凝结压降特性 中国工程 热暂 理学 会传 热传 质学 术会议论文集， 1 9 9 7 v g 4 0 4 5 1 0 W M 罗森诺编 传热学基础 手册 文欣译 北 京 ： 北京科学 出版社 ， 1 9 9 2 】 1 棣 士 良 F 0R TR AN常用算法程序集 北赢 r 北 京清华大 学出版社， 1 9 9 2 维普资讯 http:/