真空条件下珠状凝结传热特性的理论分析与试验研究

　　引　言

　　蒸汽凝结是化工、发电、动力等工业领域中重要的换热过程之一。蒸汽的凝结方式可分为膜状凝结和珠状凝结[1]。目前,工业过程中使用的换热设备主要是膜状凝结,相对于膜状凝结,珠状凝结是一种高效换热方式,其凝结换热系数比膜状凝结要高一个数量级以上,如果能够在工业应用中实现该过程,将会大幅度的减少换热面积,既能获得节能效果,又能降低设备成本,有着显著的经济效益。以前的珠状凝结试验都是在常压下进行[2~6],而工业中很多场合的凝结过程要求在真空条件下实现,如电厂汽轮机的凝汽器。因此,真空状态下珠状凝结传热特性的研究就显得尤为重要。但是在真空状态下珠状凝结的传热特性还没有相关报导,基于此,本研究采用能实现珠状凝结的换热管(等离子注入铜管)做试件[7,11],研究了真空状态下珠状凝结的换热特性。

　　1　真空下珠状凝结传热特性的理论分析

　　1.1　从蒸汽流场角度分析

　　蒸汽的流速会影响到换热效果,蒸汽流速越快,对管子表面的液滴的冲刷作用越大,能够使冷凝液尽快脱离管子表面,从而增加有效换热面积,增强换热效果。真空条件下,随着真空度的提高,换热段内与蒸汽入口的压差ΔΡ增大,较大的压差增大了流动的驱动力,加快蒸汽的流速,从而增强换热。

　　1.2　从气膜热阻角度分析

　　蒸汽中含有不凝结气体,如空气,即使含量极微,也会对凝结换热产生十分有害的影响[9~10]。这主要是因为在靠近管壁的蒸汽侧,随着蒸汽的凝结,蒸汽分压力减小,而不凝结气体的分压力增大。蒸汽在抵达管壁进行凝结前,必须以扩散方式穿过聚集在界面附近的不凝结气体层。因而不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力,使凝结过程削弱。若考虑不凝气体热阻r的影响,则凝结换热时,换热系数K值的计算式为:

度ts较小;此外真空越高,不凝气体的含量越少,而且珠状凝结时,随着液滴的脱落,液滴周围少量不凝气体形成的气膜随着脱离换热表面,如图1所示,因此不凝气体的传热热阻r较小,根据式(3)可知传热系数K值变大。由于随着真空的降低,ts和r值都变小,因此换热系数K值变大。

　　1.3　从表面能角度分析

　　将液体置于固体表面上,其平衡形状取决于固体表面能、液体表面能以及固液界面能之间的平衡关系。达到平衡时总界面能最小,此时液相表面与固相表面的接触界面处,形成相对的面间角,称之为接触角θ,接触角θ与界面张力的关系,可通过热力学中自由能最小原理得到,用Young式表示为:

　　由式(6)可知,要想提高换热系数K值,则接触角θ应尽量接近180°,要尽可能的增大液体的表面张力γ2,减小固体表面的自由能γ1,或者增大液固之间的界面能γ3,因为固液之间的自由能差越大,越易实现珠状凝结[8]。