水-酒精混合蒸氣在板式換熱器中凝結時的壓降特性

喬宏斌，王 順，胡申華

(南京工程學院 電力仿真與控制工程中心,南京 211167)

水-酒精混合蒸氣在板式換熱器中凝結時的壓降特性

喬宏斌，王 順，胡申華

(南京工程學院 電力仿真與控制工程中心,南京 211167)

通過設計搭建板式換熱器凝結換熱實驗臺，研究了不同酒精質量分數(0%、1%、10%和50%)、蒸氣壓力(70 kPa、80 kPa和90 kPa)和蒸氣流速(15 m/s和25 m/s)下，水-酒精混合蒸氣在板式換熱器中凝結時的熱側壓降隨出口蒸氣干度的變化特性.在實驗數據的基礎上，采用Lockhart-Martinelli模型計算壓降，并對其進行修正.結果表明：壓降隨著酒精質量分數的增大而升高，與純水蒸氣相比，在同樣工況下，50%酒精質量分數的混合蒸氣壓降增大近1倍；在相同的酒精質量分數、蒸氣流速和出口蒸氣干度下，蒸氣壓力對壓降影響明顯，蒸氣壓力越大壓降越小；實驗值與擬合值的對比誤差在±20%.

混合蒸氣；板式換熱器；凝結；壓降；傳熱

符號說明：

A——板片換熱面積，m2

X——Lockhart-Martinelli模型參數

AC——PHE單通道流通截面積，m2

Δp——總壓降，Pa

cp——比定壓熱容，J/(kg·K)

Δx——干度變化

de——PHE流通等效直徑，m

Δh——蒸氣凝結潛熱，kJ/kg

f——摩擦因數

δ——板片厚度、凝結液膜的厚度，m

L——PHE板片的寬度，m

ρ——密度，kg/m3

p——壓力，kPa

φ——兩相摩擦分液相表觀系數

q——熱流密度，W/m2

qm—質量流量，kg/s

n——流道數目

T——溫度，K

U——流速，m/s

w——混合蒸氣酒精質量分數，%

x——PHE出口蒸氣干度

xm——PHE內部平均蒸氣干度

下標

CW——冷卻水

L——液相

G—— 氣相

in——進口

m——平均值

mix——混合項

out——出口

板式換熱器(Plate Heat Exchanger,PHE)是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的新型高效換熱器.國內外學者對板式換熱器的研究涉及內容很多，主要研究熱點離不開如何提高其換熱效果和降低壓降.低濃度水-酒精混合蒸氣在物體表面凝結時，由于Marangoni效應，其傳熱系數相較于純水蒸氣能提高2～8倍[1-2].研究表明這種低濃度提高傳熱系數的現象在板式換熱器中也存在，因此研究水-酒精混合蒸氣的壓降特性顯得非常重要.在壓降方面，很多學者對氣-液冷凝換熱進行了定性定量地分析.

通過以上文獻可以看出，氣液兩相流在板式換熱器中壓降的研究以制冷空調行業中制冷劑的蒸發和冷凝研究為主.筆者通過設計和搭建能在正負壓下運行的具有高氣密性的PHE實驗系統，選取能產生Marangoni珠狀凝結換熱的水-酒精混合物作為混合蒸氣，在不同蒸氣壓力、流速和酒精質量分數下進行蒸氣部分凝結換熱壓降實驗，分析其變化規律.并利用實驗結果建立壓降理論模型，從而指導板式換熱器的設計，促進中低溫能源的利用.

1 實驗系統

凝結換熱實驗系統如圖1所示.整個實驗系統從功能上可以分為5部分：混合工質循環系統、冷卻水循環系統、輔助凝氣器冷卻水循環系統、抽真空-冷卻系統和數據采集系統.混合蒸氣從蒸氣發生器進入板式換熱器中進行凝結，未完全凝結的蒸氣進入輔助凝氣器繼續冷卻.同時，輔助凝氣器也作為整個蒸氣循環系統的調壓設備.空氣作為不凝結氣體對蒸氣凝結換熱的影響明顯，為避免在實驗過程中不凝結氣體進入混合工質循環系統并保證混合蒸氣質量分數不變，實驗臺設計了抽真空部分，以盡量減少不凝結氣體對換熱的影響，實現了對系統氣密性的更高要求.

1-安全閥；2-壓力變送器；3-渦街流量計；4-蒸氣側進熱電偶；5-水側出熱電偶；6-蒸氣側差壓變送器；7-蒸氣側出熱電偶；8-水側進熱電偶；9-板式換熱器；10-渦輪流量計；11、14-調節閥；12-管殼式換熱器；13-抽真空閥；15-數據采集模塊；16-計算機；17-冷卻水箱；18-循環泵；19-管道增壓泵；20-電加熱絲；21-蒸氣發生器.

圖1 Marangoni凝結換熱實驗系統圖

Fig.1 Schematic view of the Marangoni condensation test rig

實驗開始時，先運行輔助凝汽器冷卻水循環系統和抽真空-冷卻系統，抽至系統的最低壓力后通電加熱，當系統壓力逐漸上升至接近工況壓力時，根據流速需求，調節蒸氣發生器加熱絲的加熱功率，并開啟冷卻水循環系統，調節管殼式換熱器的冷卻水流量，將未凝結的蒸氣完全凝結，并維持整個系統的壓力.壓力穩定后，開始采集實驗數據.當板式換熱器的冷卻水溫升高到混合蒸氣幾乎不在板式換熱器中凝結時，實驗結束.

實驗過程中，通過流量計測出蒸氣的質量流量qm,G.由于混合蒸氣循環基本上為一個封閉系統，通過下式可計算得到單通道蒸氣的實際流速：

(1)

水-酒精混合蒸氣質量分數通過使用廣泛的UNIFAC基團貢獻法來計算確定[18].

通過測量冷卻水進、出口溫度和流量，可以計算出冷卻水的熱流密度：

qCW=qm,CWcp(TCW,out-TCW,in)/A

(2)

混合蒸氣在板式換熱器中釋放熱量后，其干度變化為

(3)

進入板式換熱器的混合蒸氣干度可視為1，在板式換熱器中干度變化為Δx，取出口蒸氣干度作為依據，研究壓降隨出口蒸氣干度變化的規律.

文中參照文獻選取混合蒸氣中的酒精質量分數分別為0%、1%、10%和50%.不同質量分數和壓力下的蒸氣飽和溫度如表1所示.實驗壓力條件為70 kPa、80 kPa和90 kPa，流速取15 m/s和25 m/s.

表1 不同質量分數和壓力下對應的飽和溫度

Tab.1 Saturated temperature at different vapor pressures and ethanol mass fraction

酒精質量分數/%壓力/kPa飽和溫度/℃09096.88093.67090.119096.68093.47089.9109095.48092.27088.6509089.08086.07082.6

在換熱過程中，冷卻水和蒸氣為逆流換熱方式.其中板片尺寸為212 mm×465 mm，接口進、出口直徑均為50 mm，其他參數見表2.不確定度分析結果見表3.

表2 板式換熱器幾何參數

表3 不確定度分析

在PHE的蒸氣凝結過程中，壓降是其重要的特性參數.蒸氣凝結總壓降由實驗臺的進、出口差壓變送器獲得.蒸氣凝結總壓降由兩相摩擦壓降Δpf、重力壓降Δpg、加速壓降Δpa和附加壓降Δpadd構成，其表達式如下：

Δp=Δpf+Δpg+Δpa+Δpadd

(4)

Wang等[3]研究發現重力壓降、加速壓降和附加壓降分別占總壓降的0.2%、4%和2.1%，則在板式換熱器中，兩相摩擦壓降是影響蒸氣凝結總壓降的主要部分.因此主要對兩相摩擦壓降進行分析研究，并在計算結果上進行修正，以對蒸氣側總壓降進行預測.

2 實驗數據分析

2.1 酒精質量分數對熱側壓降的影響

圖2(a)、圖2(b)分別為70 kPa和90 kPa壓力下板式換熱器蒸氣側壓降隨出口蒸氣干度的變化曲線.由圖2可知，在不同酒精質量分數下壓降變化規律相同，都隨著出口蒸氣干度的增大而升高.在不同壓力下，酒精質量分數對板式換熱器熱側壓降影響較大，隨著酒精質量分數的不斷增大，板式換熱器熱側壓降也不斷升高.在70 kPa時，酒精質量分數為0%、1%和10%的壓降曲線差別較明顯，可以比較清楚地看出其變化趨勢.當壓力達到90 kPa時，各酒精質量分數間的壓降變化十分接近.

(a)

(b)

從圖2可以發現，相同出口蒸氣干度下，酒精質量分數越大壓降越高.高酒精質量分數時壓降升高1倍左右.隨著酒精質量分數的增大，混合蒸氣的凝結潛熱隨之減小，在同樣的冷卻強度下，混合蒸氣干度變化更加劇烈，氣液界面也更加紊亂，造成了更大的流動阻力.從微觀上說，酒精質量分數的增大意味著混合蒸氣中酒精分子的數目增多，酒精分子的體積是水分子的3.7倍，遠大于水分子，導致酒精分子與水分子以及水分子之間的碰撞幾率增大，流體各層之間的切向力會增大，從而增大了流動阻力.

2.2 蒸氣壓力對熱側壓降的影響

圖3給出了不同蒸氣壓力下板式換熱器熱側壓降的變化.從圖3可以看出，不同蒸氣壓力下，蒸氣側壓降都隨出口蒸氣干度的增大而升高.出口蒸氣干度越大，說明混合蒸氣中氣相所占比例越大，混合蒸氣的體積流量要比低出口蒸氣干度時大，則氣液兩相摩擦壓降升高，壓損隨之升高.同樣的實驗條件下，蒸氣壓力越高，壓降越低.

(a)

(b)

2.3 混合蒸氣流速對熱側壓降的影響

圖4(a)和圖4(b)為壓力70 kPa，酒精質量分數分別為1%和50%時，不同混合蒸氣流速下板式換熱器熱側壓降隨出口蒸氣干度的變化曲線.從圖4可以看出，在相同酒精質量分數下，混合蒸氣流速對壓降影響較為明顯，25 m/s時的壓降明顯高于15 m/s時.這是由于混合蒸氣流速越大，摩擦阻力越大，從而導致壓降升高.同時，由于板式換熱器是由3塊板片組成的單流程單通道，流通截面積較小，這將進一步使壓降升高.

(a)

(b)

3 實驗數據與預測關聯式的對比分析

由于阻力過大將引起板式換熱器的壓降過高，這將影響板式換熱器的運行情況.Lockhart-Martinelli模型已成功應用于預測板式換熱器的凝結壓降.利用該模型預測實驗兩相壓降，需先分別計算液相和氣相的壓降.蒸氣側進、出口液相和氣相的質量流量可以通過傳熱量計算得到，因此單相的摩擦因數可由下式計算得到：

(5)

則液相和氣相的壓降分別由式(6)和式(7)計算得出：

(6)

(7)

Lockhart-Martinelli模型參數X和兩相摩擦分液相表觀系數的計算式如下:

(8)

(9)

式(9)中的常數C可由表4確定.

表4 Lockhart-Martinelli模型常數C確定值

Tab.4Cvalue determination for the Lockhart-Martinelli model

液體-氣體流動狀態C湍流-湍流20層流-湍流12湍流-層流10層流-層流5

考慮到板式換熱器氣液兩相流動的復雜性，將式(9)中的C取為16.則兩相摩擦壓降為

Δpf=φ2ΔpL

(10)

引入修正系數K對式(10)進行修正，即實驗中的整體總壓降為

Δp=KΔpf

(11)

對于式(11)的待求修正系數，通過Matlab編寫程序，進行實驗數據線性回歸擬合，計算獲得修正系數K=1.316.其中上述各物性參數按國際標準水和水蒸氣熱力性質IAPWS-IF97公式編寫的Matlab子程序調用計算獲得.

圖5給出了壓降實驗值和擬合值的對比曲線.從圖5可以看出，統計結果誤差范圍處于±20%，擬合效果較好.

圖5 實驗值與擬合值的誤差

4 結 論

(1) 隨著出口蒸氣干度的增大，換熱量減小，混合蒸氣凝結量隨之減少，壓降升高.

(2) 在不同壓力下，壓降隨著酒精質量分數的增大而升高.

(3) 在相同酒精質量分數、蒸氣流速和出口蒸氣干度的情況下，高壓下的壓降比低壓下的壓降高.與純水相比，在低酒精質量分數(1%)時，壓降幾乎相同；在中酒精質量分數(10%)和高酒精質量分數(50%)時，壓降明顯升高.

(4) 隨著混合蒸氣流速的增大，摩擦阻力也隨之增大,從而板式換熱器的熱側壓降升高.

(5) 凝結壓降采用應用廣泛的Lockhart-Martinelli模型進行修正，結果表明實驗值與擬合值的誤差范圍處于±20%.

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Pressure Drop in Plate Heat Exchanger During Condensation of Ethanol-Water Mixed Vapor

QIAOHongbin,WANGShun,HUShenhua

(Electrical Power Simulation and Control Engineering Center,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

Experimental tests were carried out in a plate heat exchanger to study the effects of outlet vapor quality on the changes of hot side pressure drop during condensation of ethanol water mixed vapor at different ethanol mass fractions (0%,1%,10% and 50%),different vapor pressures (70 kPa,80 kPa and 90 kPa),and different vapor flow rates (15 m/s and 25 m/s).Based on the experimental data,the Lockhart-Martinelli model was used to calculate and correct the pressure drop.Results show that the pressure drop increases with the rise of ethanol mass fraction,which would be doubled for the mixed vapor with ethanol mass fraction of 50% as compared to pure water vapor,under same experimental conditions.Under conditions with the same ethanol concentration,vapor flow rate and outlet vapor quality,the vapor pressure has obvious effects on the pressure drop; the higher the vapor pressure is,the smaller the pressure drop will be.The error between experimental data and fitted results is within 20%.

mixed vapor; plate heat exchanger; condensation; pressure drop; heat transfer

2015-12-22

2016-02-16

國家自然科學基金資助項目(51166013)；南京工程學院校級科研基金資助項目(YKJ201533)

喬宏斌(1969-)，男，江蘇寶應人，講師，碩士，主要從事火電廠的仿真開發及凝結換熱方面的研究.電話(Tel.)：17705188894；E-mail：123697618@qq.com.

1674-7607(2017)01-0033-06

TK121

A 學科分類號：470.10