内外表面熔焊管强化凝结传热实验研究与机制分析

【摘要】蒸汽冷凝换热器是工程中的蒸汽动力装置以及汽动循环系统中必不可少的组成部分,其运行寿命和工作效率是整个热力系统安全经济运行的重要保障。多数蒸汽冷凝换热器内部主要的工作元件是各式各样的换热管,它们的传热系数直接决定了换热器的性能。因此研究蒸汽凝结换热管的强化传热技术具有十分重要的理论价值和现实意义。水蒸气的冷凝换热作为传热学研究和应用的一个重要领域受到了越来越多的专家学者的重视,随着对冷凝过程机理的认识和了解,出现了大量对凝结模型的计算和研究,对凝结过程做出了定性和定量的描述。但是其中对于水蒸气凝结过程的强化换热研究的着眼点大多在管外凝结方面,对水蒸气的管内凝结换热特性的探索涉及较少；在强化传热措施方面,国内外多数研究采用的是管材的物理改造方法和一些外部扰流方法,其投入应用的难度较大,与工程实践的结合不够紧密。而对凝结表面采取改性处理(尤其是管内表面改性)的方法以达到强化换热的效果的系统的研究和报道并不多见。鉴于此,本文采用基于炉内高温熔焊工艺的表面改性处理技术,对普通碳钢管的内外表面进行改性处理,构造了新型蒸汽凝结换热元件——表面熔焊管。本文从单管的管内外凝结实验,管束的外部凝结换热实验,数值计算及强化传热机理分析等几个方面入手,研究了熔焊表面对管材的凝结换热性能的提升效果。进行的主要工作及得出的相应结论如下：(1)建立了表面熔焊管的管外凝结实验台,进行了表面熔焊管和普通钢管的管外凝结换热对比实验。分别以单管和管组的形式构建实验段,以管内循环水作为冷源,让水蒸气(以下简称蒸汽)分别在两种管材的外壁面发生凝结,通过对实验数据的计算得出表面熔焊管和普通钢管的总体换热系数及管外凝结换热系数并加以比较分析,得到了实验段总换热系数k与管内循环水流速(0.6-1.3m/s)变化的关系曲线,发现由表面熔焊管构成的实验段其换热系数比普通钢管的高出20%以上,且随着管内循环冷却水流量的增大,这一比值还有增大的趋势；通过计算发现实验中表面熔焊管的管外凝结换热系数ho约为普通钢管的3倍,说明其对凝结换热的强化作用十分显著；通过焊接热电偶测量壁温的方法,得到了管子沿周向和管长方向的壁温分布曲线,通过分析得出熔焊管的表面热流密度更高,且能够更均匀的承受热负荷。(2)建立了管束凝结换热实验台,分别以四种不同换热管材(含表面熔焊管)构造管束进行真空状态下的管外凝结换热实验,得到了典型Re数下不同管束总体换热系数U和随真空度σ的变化曲线,发现了真空度越高,管束的换热性能越好,且相同工况下表面熔焊管束的换热性能要明显好于不锈钢管束,这一结论表明,作为换热元件,表面熔焊管有代替各种普通不锈钢管投入工程应用的潜力和价值。(3)结合威尔逊图解法对管束实验的数据进行计算,得到了各管束的管外凝结换热系数α。随实验段真空度σ的变化规律,发现了高真空度能够强化换热的根源是真空的提升使得管束的凝结换热系数提高,这是因为真空度的提高使得蒸汽流动更为均匀,流速更快,汽流对冷凝液产生冲刷作用,令其更快脱离壁面,变相增大了凝结表面积；而且真空度越高,实验段内的不凝结气体含量越少,这样能够有效的降低界面的气膜热阻,增强凝结换热。(4)采用套管式逆流换热机制建立了基于表面熔焊技术的管内凝结实验台。将高温熔焊工艺拓展至管内表面的改性处理,构造了内表面熔焊管,对蒸汽在其内部的凝结换热特性进行了实验研究,并与普通钢管的管内蒸汽凝结进行对比分析。分别得到了管内蒸汽为负压(0.064MPa)、常压(0.105MPa)和高于大气压(0.185MPa)时,套管环隙循环冷却水Re数对两种管材总体换热系数k的影响规律。实验发现,入口蒸汽为负压状态时,内表面熔焊管实验段的k值最多可高出普通钢管26%；当蒸汽入口压力接近大气压和高于大气压时,总体换热的强化幅度分别为30%和34%；实验还得到了内表面熔焊管和普通钢管的管内凝结换热系数hi的对比曲线,发现当入口蒸汽为负压(0.064MPa)状态时,内表面熔焊管的管内蒸汽凝结换热系数hi最高,随着蒸汽参数的升高,这一强化作用有所削弱,也就是说,当换热管内处于真空状态时,内表面熔焊管对管内蒸汽凝结换热效果的提升能力最为明显。结果表明,针对蒸汽在管内凝结的换热场合,将换热管材的内表面进行熔焊改性处理,也能够起到强化传热的作用。(5)对管内凝结换热实验数据进行了回归分析,得到了热流密度q,范围(40-180kW/m2)下的普通钢管管内凝结换热系数实验关联式；得到了热流密度qi范围(40-230kW/m2)下的内表面熔焊管的管内凝结换热系数实验关联式,并进行了误差分析。(6)通过管材表面的金相组织实验和能谱实验,分析了熔焊表面的微观结构和具体元素成分,结果表明,采用熔焊工艺可以在母管的钢表面植入含Ni、P、及少量Cr元素的合金固溶体化合层(厚度0.013-0.016mm),这一化合层致密,光洁,显微硬度高,这些特点正是表面熔焊管具有良好力学强度、抗腐蚀能力的根源。同时,熔焊表面的紧致和光洁使其可持久保存而不易脱落,保证了凝结水拥有较好的品质。(7)通过对蒸汽凝结界面的能量平衡分析,得到了凝结液接触角θ与表面自由能的关系。进而结合金相和元素分析的结果,发现熔焊管表面的植入元素能够降低其表面自由能,增强凝结换热效果；将表面熔焊管的高光洁度和无序的表面非晶态结构等因素代入以临界液膜分裂厚度δc,表面不平整高度Hz和液膜平均厚度δl三者关系为过程判据的珠膜共存凝结模型,发现熔焊表面的上述特质使其更容易满足δ>δl+Hz的近珠状凝结判据,进一步解释了实验中能在熔焊改性处理的表面获得高凝结换热系数的原因。(8)基于数值计算的相关理论方法,利用雷诺时均N-S方程描述套管管内水蒸气的流动,标准k-ε两方程湍流模型(Standardκ-εModel)对水蒸气运动控制方程的雷诺应力项进行湍流封闭,采用标准壁面函数法进行近壁区处理,依据管内冷凝实验数据得到水蒸气在不同圆管管内的冷凝模型,建立了管内冷凝换热的数值计算模型。利用实验工况验证了所建数值计算模型的准确性,并对模拟结果进行了网格无关性考核。对于内表面熔焊管的速度温度及压力分布进行了分析,管内冷凝现象的传热及流动规律为：蒸汽侧参数沿着管中心线呈轴对称分布,横截面内的参数沿着流速方向越来越缓和；对比了相同时间段内普通钢管及内表面熔焊管的凝结量及压力梯度,说明了内表面熔焊管优越的冷凝能力；进一步研究了循环水雷诺数及蒸汽进口压力变化时的管内冷凝规律。总体来讲,本文的研究揭示了表面熔焊技术强化管内外凝结换热的机理；通过对换热特性规律的研究,进一步完善了表面熔焊管的性能评价体系。为表面熔焊管全面投入工程应用提供了理论基础和现实指导。
【作者】程屾；
【导师】孙奉仲；
【作者基本信息】山东大学，热能工程，2014，博士
【关键词】表面熔焊管；换热特性；凝结换热系数；传热机理；数值计算；

【参考文献】
[1]焦丽静.丁苯酞对1型糖尿病大鼠认知功能及海马MEK1表达的影响[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[2]陈孟乔.高水压砂土地层中泥水盾构隧道开挖面失稳机理与风险评估研究[D].北京交通大学,2014.
[3]江马力.基于嵌入式系统的电子乐谱阅读器的设计[D].武汉理工大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[4]王义君.潍坊杨家埠木版年画民俗旅游开发研究[D].广西师范大学,民俗学,2013,硕士.
[5]叶晓琰,蒋小平,许建强,胡敬宁.往复泵曲轴疲劳可靠性设计软件开发[J].农业机械学报.2008(06)
[6]丁新端.西安地区小尺度街道广场设计研究[D].西安建筑科技大学,艺术设计,2013,硕士.
[7]徐杰.寻常型银屑病患者的生活质量调查[D].北京中医药大学,中医外科学,2013,硕士.
[8]马彦恒.ATM交换控制与资源管理的研究与实现[D].西安电子科技大学,电子与通信,2008,硕士.
[9]韩振坤.基于地统计学的县域耕地质量监测样点布局研究[D].华中师范大学,土地资源管理,2014,硕士.
[10]王义平.梅花草属DNA条形码研究及其系统发育分析[D].江西农业大学,植物学,2012,硕士.
[11]蔡剑华,王先春,胡惟文.基于经验模态分解与小波阈值的MT信号去噪方法[J].石油地球物理勘探,2013,02:303-307+332+161-162.
[12]王仁武,田进.一种基于Internet的CRM系统的分析与设计[J].计算机工程与设计,2004,12:2182-2184+2190.
[13]杨妮雪.我国农民的微博维权保障政策研究[D].华中师范大学,行政管理,2012,硕士.
[14]张阳.矿山生态环境影响评价研究[D].西安科技大学,环境工程,2014,硕士.
[15]李丽亚,刘海静.《C语言程序设计》教学模式的研究与探索[J].电子制作,2015,04:112-113.
[16]王建.谈高校生产性景观的设计——以浙江工业大学原行政楼地块为例[J].艺术科技,2013,10:284-285.
[17]孙舒凡.从认知语义论角度考察「オノマトペ+つく」派生动词[D].苏州大学,日语语言文学,2013,硕士.
[18]乌日娜.蒙药复方沙棘颗粒剂制备工艺研究[D].内蒙古医科大学,民族医学,2013,硕士.
[19]张歧山.读《商业银行客户服务与管理》[J].经济与管理.2006(02)
[20]矫威.不同改良剂对作物生长发育及酸性土壤理化性状的影响[D].华中农业大学,植物营养学,2014,硕士.
[21]谌桂蓉.康美药业股份有限公司职业生涯管理系统研究[D].武汉科技大学,工商企业管理,2012,硕士.
[22]王洪超.α-硫辛酸对杏仁核电点燃慢性癫痫大鼠海马CaMKⅡa表达的影响[D].河北医科大学,神经病学,2014,硕士.
[23]周晓慧.高中乐队现状调查与建议[D].东北师范大学,音乐学科教学,2012,硕士.
[24]曾淦宁,包海军,周鸿艳,黄任卿,陈诚,徐燕青,艾宁.十六烷基三甲基溴化铵的光降解行为研究[J].农药学学报,2012,02:229-232.
[25]陈进可.考虑屈曲及混凝土横向膨胀影响的钢筋本构模型改进方法研究[D].重庆大学,结构工程,2014,硕士.
[26]周山杰.云计算环境下面向任务分类的个性虚拟化策略[D].辽宁大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[27]马晶晶.吉林省体育社团现状与对策研究[D].东北师范大学,体育人文社会学,2012,硕士.
[28]赵冰晴.科学技术文献在时间上的自相似性研究[D].大连理工大学,科学学与科技管理,2013,硕士.
[29]关致航.中国—委内瑞拉联合基金研究[D].首都经济贸易大学,实用经济学,2014,硕士.
[30]张剑凯.家兔肺静脉心肌袖应用形态学研究及图像分析[D].山西医科大学,人体解剖学,2003,硕士.
[31]徐珊珊.糖尿病患者疾病经济负担影响因素及控制途径研究[D].山东大学,公共卫生（专业学位）,2013,硕士.
[32]郁万萍.《法律顾问合同》汉英翻译实践报告[D].大连海事大学,英语笔译,2014,硕士.
[33]文传源.仿真系统及其与大系统的关系[J].自动化学报,1981,01:59-68.
[34]吕会清.语文教学与学生“文化——人格”的生成[D].东北师范大学,教育,2003,硕士.
[35]李宁.关联理论视域下《论语》中文化负载词的英译对比研究[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[36]陈曦.基于混沌的数字图像加密算法研究与系统的优化设计[D].河南科技大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[37]王耀娟.高等职业技术学院课程设置研究[D].内蒙古师范大学,教育管理（专业学位）,2012,硕士.
[38]杨君,黄芳芳,叶超凡,邵平,孙培龙.铜藻多糖的提取工艺优化及其保润性能[J].烟草科技,2013,04:37-41.
[39]庞东彬.环境规制对我国出口绩效的影响研究[D].山东财经大学,国际贸易学,2012,硕士.
[40]马迎辉.弹道信息测量系统研究[D].中北大学,弹箭飞行与控制工程,2014,硕士.
[41]刘海怡.《贵妇画像》中伊莎贝尔、梅尔夫人、帕茜的双性气质特征分析[D].西南大学,英语语言文学,2014,硕士.
[42]夏正炎.支持网络融合的ZigBee组网技术研究与实现[D].南京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[43]张欣冉.伊通河底泥微生物群落结构解析[D].吉林大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[44]刘佳.客户关系管理:新时代企业竞争优势的来源[J].中山大学学报论丛,2002,04:246-251.
[45]谭璐.高维数据的降维理论及应用[D].国防科学技术大学,2005.
[46]赵雪敏.中国—瑞士自贸区的建立对中国经济影响的研究[D].安徽大学,国际经济与贸易,2014,硕士.
[47]马薇.基于ESP需求分析的高职电子商务英语课堂教学研究[D].西安外国语大学,课程与教学论,2013,硕士.
[48]郑琦,吴刚,张建中.业务型GIS在电子政务中的应用[J].计算机与数字工程,2005,02:92-95.
[49]李智忠.从退出时机和退出方式看创业投资的退出[D].华东师范大学,世界经济,2004,硕士.
[50]陈淑贞,刘文静,刘洪涛.还原氧化石墨烯纸的制备及其性能对比[J].徐州工程学院学报(自然科学版),2015,01:29-34.