垂直上升內(nèi)螺紋管內(nèi)超臨界壓力水的傳熱特性

在壓力22.5～30mpa,質(zhì)量流速430～1200kg·m-2·s-1,內(nèi)壁熱負荷284～719kw·m-2范圍內(nèi),對超臨界壓力水在均勻加熱垂直上升內(nèi)螺紋管內(nèi)的傳熱特性進行了實驗研究,得到了內(nèi)螺紋管內(nèi)超臨界壓力水的傳熱特性,分析了壓力、熱負荷和質(zhì)量流速變化對內(nèi)螺紋管壁溫及傳熱系數(shù)的影響,探討了擬臨界區(qū)的傳熱機理,并給出了能用于工程實際的傳熱實驗關(guān)聯(lián)式。實驗結(jié)果表明:垂直上升內(nèi)螺紋管中超臨界水具有良好的傳熱特性。在低焓值區(qū)內(nèi)螺紋管壁溫隨焓增平緩增加,而在高焓值區(qū)壁溫隨焓增的升高明顯。由于熱物性的劇烈變化,超臨界水在擬臨界焓值區(qū)發(fā)生了明顯的傳熱強化。壓力與熱負荷的增大以及質(zhì)量流速的減小均會導(dǎo)致內(nèi)螺紋管壁溫的升高和傳熱系數(shù)的減小,使得傳熱強化現(xiàn)象削弱,甚至出現(xiàn)傳熱惡化。

本文在壓力p=19.0～22.5mpa、質(zhì)量流速g=600～1000kg/(m~2s)、內(nèi)壁熱流密度q=300～500kw/m~2的參數(shù)范圍內(nèi),對水在新型垂直上升內(nèi)螺紋管內(nèi)的傳熱特性進行了實驗研究。研究發(fā)現(xiàn),在近臨界壓力區(qū),內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫隨質(zhì)量流速的增加而降低,隨熱流密度的增大而升高。在本文研究參數(shù)范圍內(nèi),近臨界壓力區(qū)的水在內(nèi)螺紋管內(nèi)傳熱時并未出現(xiàn)明顯的傳熱惡化。通過實驗數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn),近臨界壓力區(qū)的亞臨界壓力部分水的傳熱特性與超臨界壓力部分水的傳熱特性具有相似性。

在壓力9～22mpa,質(zhì)量流速450～2000kg·m?2·s?1,內(nèi)壁熱負荷200～700kw·m?2的參數(shù)范圍內(nèi),試驗研究了用于1000mw超超臨界鍋爐??28.6mm×5.8mm垂直上升內(nèi)螺紋水冷壁管內(nèi)汽水流動沸騰傳熱。研究表明:內(nèi)螺紋管內(nèi)壁螺紋的漩流作用可抑制偏離核態(tài)沸騰(dnb)傳熱惡化,內(nèi)螺紋管在高干度區(qū)發(fā)生蒸干型(do)傳熱惡化。增大質(zhì)量流速可推遲壁溫飛升,壁溫飛升幅度隨質(zhì)量流速增大而降低。熱負荷越大管壁溫越高,隨熱負荷增大管壁壁溫飛升提前,且傳熱惡化后壁溫飛升值增大。隨著壓力增加,壁溫飛升發(fā)生干度值減小。內(nèi)螺紋管汽水流動沸騰傳熱系數(shù)呈?形分布,傳熱系數(shù)峰值出現(xiàn)在汽水沸騰區(qū)。文中還給出了亞臨界壓力區(qū)內(nèi)螺紋管單相區(qū)和汽水沸騰區(qū)的傳熱系數(shù)試驗關(guān)聯(lián)式。

在超臨界壓力下,對傾角α=19.5°的28.6×5.8(mm)傾斜上升內(nèi)螺紋管內(nèi)水的傳熱特性及管壁溫度分布進行了試驗研究。試驗參數(shù)范圍:p=23~28mpa,質(zhì)量流速g=600~1200kg/(m2s),平均內(nèi)壁熱流密度q=300~600kw/m2。試驗結(jié)果表明:管內(nèi)螺紋造成的漩流作用可減弱內(nèi)螺紋管截面上自然對流的影響。傾斜內(nèi)螺紋管壁溫及傳熱系數(shù)沿周向分布不均勻性很小。壁面熱負荷越大,壁溫越高;提高質(zhì)量流速可降低壁溫。在高焓值區(qū),壓力越高,傳熱越強。此外,還提出了傳熱系數(shù)的計算公式以供工程設(shè)計參考。圖6表1參11

通過對比不同結(jié)構(gòu)尺寸的垂直上升內(nèi)螺紋管在亞臨界及超臨界壓力下的傳熱系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式,結(jié)果表明:傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的增大、壓力及熱負荷的減小而增大;換熱系數(shù)峰值在兩相沸騰區(qū);在超臨界壓力區(qū),由于水在擬臨界附近變化劇烈,在擬臨界焓值區(qū)傳熱系數(shù)有最大值。內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱特性的影響與無因次數(shù)n有密切關(guān)系。

在p=9～28mpa,g=600～1200kg/(m2ˇs),q=200～600kw/m2的工況范圍內(nèi),研究了φ38.1×7.5mm傾斜上升內(nèi)螺紋管(水平傾角α=19.5°)中亞臨界以及超臨界汽-液的傳熱特性。試驗結(jié)果表明在亞臨界壓力區(qū),內(nèi)螺紋管有效地抑制了膜態(tài)沸騰的發(fā)生,但近臨界壓力區(qū)內(nèi)螺紋管傳熱強化作用減弱;超臨界壓力區(qū)內(nèi)螺紋管的傳熱良好;工程設(shè)計時要保證足夠的管內(nèi)最小質(zhì)量流速;文中還給出了臨界質(zhì)量流速的試驗關(guān)聯(lián)式。

對超臨界水在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的豎直內(nèi)螺紋管內(nèi)的流動和傳熱特性進行數(shù)值模擬研究,重點分析了內(nèi)螺紋管的螺旋升角、相對螺紋寬度和相對螺紋高度在不同質(zhì)量流速和熱流密度條件下對傳熱和阻力特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:內(nèi)螺紋管的傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)均隨升角的減小而增加;相對螺紋寬度的變化對內(nèi)螺紋管的傳熱和阻力特性幾乎無影響;隨著相對螺紋高度的增加,傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)均增加。通過對內(nèi)螺紋管的綜合性能分析,結(jié)構(gòu)參數(shù)對超臨界流體傳熱和阻力特性的影響順序依次為螺旋升角、螺紋高度、螺紋寬度。

本文在全周加熱和單側(cè)加熱的條件下,對600mw超臨界變壓運行直流鍋爐水冷壁φ28×6mm內(nèi)螺紋管進行了傳熱與阻力特性的試驗研究。試驗參數(shù)為壓力13-27mpa,質(zhì)量流速400-1800kg/m2·s,內(nèi)壁熱負荷200-800kw/m2。試驗得出了在不同參數(shù)條件下的壁溫分布、發(fā)生傳熱惡化的臨界條件、單相及兩相對流放熱系數(shù)、干涸后放熱系數(shù)及內(nèi)螺紋管的摩擦壓降,提出了計算關(guān)聯(lián)式,比較了單側(cè)加熱與全周加熱的區(qū)別,為超臨界鍋爐設(shè)計提供了重要依據(jù)。

在壓力22.5~28mpa,質(zhì)量流速600~1000kg·m-2·s-1,工質(zhì)比焓800~3100kj·kg-1范圍內(nèi),對超臨界水在四頭內(nèi)螺紋管內(nèi)的流動阻力特性進行了試驗研究,得到了不同工況下內(nèi)螺紋管流動阻力的變化規(guī)律,分析了壓力、質(zhì)量流速和工質(zhì)比焓變化對內(nèi)螺紋管摩擦阻力系數(shù)的影響。試驗結(jié)果表明:超臨界壓力下質(zhì)量流速對摩擦阻力壓降有很大影響,但對摩擦阻力系數(shù)的影響很小;在擬臨界區(qū)域摩擦阻力系數(shù)有階躍式增長現(xiàn)象,且這種階躍增長現(xiàn)象隨著壓力的增加而減弱。整理試驗數(shù)據(jù)得到超臨界水的內(nèi)螺紋管摩擦阻力系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,與試驗值相比誤差小于15%,為設(shè)計具有良好水動力特性的超臨界鍋爐提供可靠依據(jù)。

通過對600mw超臨界w火焰鍋爐水冷壁的設(shè)計與應(yīng)用,研究試驗φ32mm×6.3mm四頭12cr1movg優(yōu)化內(nèi)螺紋管(omlr)在亞臨界、近臨界、超臨界區(qū)的流動傳熱特性。試驗獲得了不同工況(壓力、熱負荷、質(zhì)量流速)下內(nèi)螺紋管壁溫分布和內(nèi)壁換熱系數(shù)隨焓值的變化規(guī)律。并根據(jù)試驗數(shù)據(jù),擬合建立單相、兩相換熱系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式,同時進一步建立傳熱惡化發(fā)生時的臨界條件及干涸后傳熱計算關(guān)聯(lián)式,為鍋爐垂直上升內(nèi)螺紋管水冷壁設(shè)計和運行提供可靠數(shù)據(jù)。

內(nèi)螺紋管作為一種高效的節(jié)能元件已在動力、航天、電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,為進一步促進內(nèi)螺紋強化傳熱技術(shù)研發(fā),對近30年來內(nèi)螺紋管內(nèi)流動傳熱研究進行了綜述,內(nèi)容涉及內(nèi)螺紋管內(nèi)流動傳熱機理、傳熱規(guī)律、傳熱惡化及預(yù)報等.

在壓力p=24~32mpa、質(zhì)量流速g=420~800kg/(m2·s)、外壁熱流密度q=150~360kw/m2的參數(shù)范圍內(nèi),對低質(zhì)量流速下水在超臨界循環(huán)流化床(cfb)環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁中內(nèi)螺紋管內(nèi)的傳熱特性進行了實驗研究,得到了不同運行工況下內(nèi)螺紋管的壁溫分布規(guī)律,分析了外壁熱負荷、質(zhì)量流速和壓力對內(nèi)螺紋管傳熱特性的影響,并給出了可用于工程實踐的實驗關(guān)聯(lián)式。結(jié)果表明:超臨界壓力下,內(nèi)螺紋管壁溫隨流體焓值的增加單調(diào)增加,在擬臨界點附近發(fā)生了傳熱強化現(xiàn)象,壁溫曲線變平緩,傳熱系數(shù)達到最大值;外壁熱負荷的增大、質(zhì)量流速的減小以及壓力的增大都會使內(nèi)螺紋管壁溫升高,傳熱系數(shù)減小。

在亞臨界、近臨界及超臨界壓力區(qū),對600mw超臨界w火焰鍋爐水冷壁中垂直上升低質(zhì)量流速優(yōu)化內(nèi)螺紋管的傳熱特性進行了試驗研究,得到了不同運行工況下內(nèi)螺紋管的壁溫分布,分析了壓力、外壁熱流密度、質(zhì)量流速對傳熱特性的影響。結(jié)果表明:低質(zhì)量流速優(yōu)化內(nèi)螺紋管具有良好的傳熱特性,能夠有效避免膜態(tài)沸騰;在亞臨界壓力區(qū),壓力與熱流密度的增大以及質(zhì)量流速的減小,均會導(dǎo)致干涸提前發(fā)生和干涸后的壁溫飛升值增大。與亞臨界壓力區(qū)相比,內(nèi)螺紋管在近臨界壓力區(qū)的傳熱特性變差,隨著壓力的增大,管壁溫度顯著升高,發(fā)生傳熱惡化時的臨界干度減小。在超臨界壓力區(qū),內(nèi)螺紋管在擬臨界點附近出現(xiàn)了傳熱強化;壓力越接近臨界壓力,傳熱強化越明顯;壓力與熱流密度的增大以及質(zhì)量流速的減小均會導(dǎo)致壁溫增大。

利用計算流體力動力學(xué)方法對恒定熱流密度內(nèi)螺紋銅管中的fe2o3-水和al2o3-水納米流體的換熱特性進行數(shù)值模擬,分析了納米流體的質(zhì)量分數(shù)、re數(shù)和管道的不同水平位置對對流換熱系數(shù)的影響,并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比,得到的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果趨于一致。模擬結(jié)果表明:在re數(shù)為1000~2000的范圍內(nèi),內(nèi)螺紋銅管的徑向與軸向方向上,fe2o3-水納米流體的傳熱效果好于同等質(zhì)量分數(shù)的al2o3-水納米流體,軸向方向上,當al2o3-水納米流體的質(zhì)量分數(shù)為0.4%時,對流換熱系數(shù)最大提高38.8%。fe2o3-水納米流體的質(zhì)量分數(shù)提高0.3%時,對流換熱系數(shù)最大提高26.5%,而re數(shù)變化對對流換熱系數(shù)的影響要更強一些,最大提高78%。fe2o3-水和al2o3-水納米流體的對流換熱系數(shù)增長趨勢的最佳質(zhì)量分數(shù)在4%左右。

在恒熱流條件下,對超臨界壓力co2在內(nèi)徑為9mm,繞徑為283mm,節(jié)距為32mm的螺旋管內(nèi)垂直上升混合對流的傳熱特性進行了實驗研究,實驗參數(shù)范圍為:進口壓力8mpa、質(zhì)量流速0~650kg·m-2·s-1、內(nèi)壁熱負荷0~50kw·m-2。研究發(fā)現(xiàn):受熱螺旋管內(nèi)超臨界壓力co2的壁溫及傳熱特性由變物性、浮升力及離心力的耦合作用共同支配,變物性及浮升力影響的相對大小可用buoyancy數(shù)定性表征,當bo>8×10-7時,自然對流占主導(dǎo)作用,浮升力作用引起強烈的二次流效應(yīng),顯著強化傳熱;在浮升力和離心力共同作用下,截面周向溫度最低點出現(xiàn)在外下側(cè)區(qū)域,且當浮升力作用占優(yōu)時,底部區(qū)域的傳熱系數(shù)大于外側(cè),當離心力作用占優(yōu)時,底部區(qū)域的傳熱系數(shù)小于外側(cè)。基于本實驗獲取的2346個數(shù)據(jù)點,得出了計算nu實驗關(guān)聯(lián)式,90%以上的實驗值與擬合公式計算值偏差在±20%以內(nèi)。

內(nèi)螺紋銅管又稱非平滑管，英文名稱innergroovedcoppertube(igt)，是指 外表面光滑，內(nèi)表面具有一定數(shù)量，一定規(guī)則螺紋的內(nèi)螺紋tp2紫銅管。 由于內(nèi)螺紋銅管內(nèi)表面積的增加，所以它的導(dǎo)熱性能要比光管提高百分之二十到三十。 內(nèi)螺紋銅管的發(fā)展大致經(jīng)歷了如下幾個發(fā)展階段： （1）山型齒內(nèi)螺紋管； （2）梯型槽內(nèi)螺紋管； （3）頂角型內(nèi)螺紋管； （4）細高齒型內(nèi)螺紋管。（又稱瘦高齒內(nèi)螺紋銅管） 目前，國外又陸續(xù)推出了高低齒齒型、齒頂開槽、雙旋向等內(nèi)螺紋管 傳熱性能： 按照國標gb/t20928-2007中的要求，內(nèi)螺紋銅管產(chǎn)品按照產(chǎn)品名稱、牌號、狀態(tài)、 外徑、底壁厚、齒高加齒頂角、螺旋角、螺紋數(shù)和標準編號的順序表示： 示例1：tp2m2φ9.52×0.30+0.20-53-18/60gb/t20928-20072、（用tp2制造的， 供應(yīng)狀態(tài)為

電廠在對管屏用測厚儀測厚時發(fā)現(xiàn)內(nèi)螺紋管局部壁厚不足,取樣解剖,通過著色發(fā)現(xiàn)在管子橫斷面上有很細的長條缺陷,現(xiàn)場判斷為分層。實際是,電廠測厚的結(jié)果大部分是由于測厚儀與管子間偶合的不好,個別點是由于內(nèi)螺紋管內(nèi)部有小缺陷導(dǎo)致測厚減薄。經(jīng)金相試驗,結(jié)果表明缺陷是夾雜物。

在熱流密度q=0~25kw/m2、質(zhì)量流速g=10~262kg/(m2·s)及入口壓力pin=8~9mpa的實驗參數(shù)范圍內(nèi),研究超臨界壓力co2在螺旋管中上升流動的傳熱特性,分析質(zhì)量流速、熱流密度及入口壓力對換熱系數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,沿程換熱系數(shù)總體呈先上升后下降的趨勢,極大值發(fā)生在主流平均溫度小于準臨界溫度而壁溫大于準臨界溫度條件下;在換熱系數(shù)上升段,沿程近壁區(qū)流體比熱容增加引起的單位體積流體換熱能力增強以及粘度減小引起的熱邊界層減薄是傳熱強化的主要因素;當近壁區(qū)co2發(fā)生類液態(tài)到類氣態(tài)的轉(zhuǎn)變時,其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)減小是換熱系數(shù)下降的主導(dǎo)因素。對于物性變化劇烈的超臨界流體傳熱,nu數(shù)僅作為對流與導(dǎo)熱相對大小的度量,其數(shù)值大小不能客觀反映實際換熱能力的強弱。

本文主要介紹了亞臨界鍋爐內(nèi)螺紋管水冷壁工藝分析、工藝改進及使用后的效果。

在亞臨界壓力條件下,針對ф28.6mm×5.8mm的優(yōu)化四頭內(nèi)螺紋管內(nèi)汽-水兩相流進行水平絕熱條件下的摩擦阻力特性研究。研究結(jié)果表明,干度和系統(tǒng)壓力對內(nèi)螺紋管內(nèi)的兩相流摩擦壓降影響顯著。干度增大,則兩相摩擦倍率增大;壓力增大,兩相摩擦倍率減小;當壓力接近臨界壓力時,兩相摩擦倍率接近于1。優(yōu)化四頭內(nèi)螺紋管在相同工況下的兩相流摩擦壓降小于普通內(nèi)螺紋管。當其應(yīng)用于垂直管屏換熱設(shè)備時,壓力損失中摩擦壓降所占比例將會減小,從而加大重位壓降的影響程度,使得換熱設(shè)備在特定工況下具有自補償特性,從而形成良好的水動力條件。

對不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)螺紋管內(nèi)空氣-水兩相流動的阻力特性進行了實驗研究,從實驗方面得出了影響內(nèi)螺紋管阻力特性的主要幾何參數(shù)(螺紋高度,螺紋升角,螺紋寬度等)對內(nèi)螺紋管阻力特性的影響規(guī)律。結(jié)合實驗現(xiàn)象,引入了研究內(nèi)螺紋管阻力特性的并聯(lián)管路模型,最終得出適用于不同結(jié)構(gòu)內(nèi)螺紋管的阻力特性半理論經(jīng)驗公式。通過該公式可以較好地反映出各個幾何參數(shù)對內(nèi)螺紋管阻力特性的影響規(guī)律。

本文分析了螺紋管換熱器的強化傳熱的機理,論述了螺紋管換熱器的準則方程,并提出了螺紋的最佳導(dǎo)程、槽深等結(jié)構(gòu)參數(shù)。