扭曲扁管冷凝器强化传热及污垢特性实验研究

    水冷机组冷凝器在运行过程中，冷却水会在冷凝器换热管表面形成水垢。由于水垢的热导率小，可引起冷凝器热阻的急剧增加，从而导致机组在运行过程中制冷量下降，功耗增加。为了提高机组效率，必须从强化传热和减少污垢两方面着手才能达到预期目标。扭曲扁管是利用模压机具将圆管压扁，然后按一定导程扭曲而成的，其外型如图1。由扭曲扁管制成的换热器，流体在其间运动时，受到离心力的作用而周期性地改变流动速度和方向，增强了流体的径向混合，破坏了边界层，因而具有较好的强化传热性能，但同时流动阻力也增加。就污垢方面而言，流体介质流经扭曲扁管时，离心力一方面强化了污垢微粒沉积于管壁的输运、粘附作用，但同时也增强了流体对管壁上污垢的剥蚀作用，这两方面的矛盾作用导致螺旋扁管换热器的污垢特性不同于普通圆管换热器的污垢特性。对于扭曲扁管换热器强化传热和阻力性能，许多学者进行了研究[1-10]，上述研究者的研究表明，当Re较大时，由于传热边界层的作用已减小，与普通直管相比，其强化传热的效果变差，若对其强化传热和阻力增加两者综合考虑，认为Re<5000是其佳工作区[2]。文章认为，上述结论是建立在洁净介质不考虑污垢热阻的情况下得到的。对于水冷机组冷凝器，其热阻主要在冷却水侧，而且在该冷却水侧，由于水垢在管壁上沉积，污垢热阻占总热阻很大比例。因此，研究扭曲扁管在水冷器中的应用除了研究其强化传热和流动阻力性能外，还需研究其污垢特性，而综合上述三个方面的研究尚未见诸于有关报道。文章采用对比实验方法，对扭曲扁管在冷凝器中的强化传热、流动阻力和污垢特性进行了研究，并对其综合性能进行了比较。

    1 实验系统及方法

    1.1 实验管结构尺寸

    实验换热管采用φ25×2.5的直管和由该尺寸直管加工而成的具有不同导程的三种扭曲扁管，其结构尺寸见表1。

    1.2 实验装置及方法

    实验装置为四套套管式换热器，换热器外套管为Φ57×3.5钢管，内管分别为上述四种换热管。为了对比各管的污垢特性，设备采用四套并联装置，四套装置共用循环水槽、冷却塔、蒸汽锅炉和冷凝水箱。(为简化，只画出其中一套)。实验流程如图2所示。

    考虑到实验用冷却水水质与工业制冷机组的实际用冷却水一致，实验在某企业现场进行，实验装置共用工业制冷机组的循环水槽和冷却塔。循环冷却水流经实验管管内，管外的介质为蒸汽。通过Pt100热电阻测定冷却水在套管式换热器的进出口温度和蒸汽温度，用U型压差计测定冷却水通过实验管时的压降，冷却水的流量则由转子流量计测定。实验时调节冷却水流量，分别测定不同的冷却水Re下试验开始时和试验过程中各试验管的传热、流动阻力和污垢特性。