【正文】 種工業(yè)設(shè)備對強(qiáng)化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)總的可以達(dá)到下列任一目的：a): 減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；b)：提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；c)：使換熱器能在較低溫差下工作；d)：減少換熱器阻力，以減少換熱器的動(dòng)力消耗。對于已做逆流布置的換熱器，就不可能再用改變換熱面布置的方法來增大平均傳熱溫差。管徑愈小，耐壓愈高，因而在同樣金屬重量下總表面積愈大。但同時(shí)也會(huì)帶來流動(dòng)阻力增大等問題。從提高傳熱系數(shù)的各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)來分，則可分為有功強(qiáng)化傳熱技術(shù)和無功強(qiáng)化傳熱技術(shù)兩類，前者也稱為主動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)、有源強(qiáng)化技術(shù)，后者也被稱為被動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)、無源強(qiáng)化技術(shù)。實(shí)際的凝結(jié)過程根據(jù)換熱方式的不同可分為：膜狀凝結(jié)、均勻凝結(jié)、珠狀凝結(jié)、直接接觸式凝結(jié)、不混合工質(zhì)的凝結(jié)［4］。珠狀凝結(jié)時(shí)，大部分冷卻壁面直接與蒸汽接觸，不存在凝結(jié)液膜引起的附加熱阻，因而有較高的換熱系數(shù)，一般凝結(jié)換熱系數(shù)可比膜狀高510倍以上。因?yàn)闅怏w燃料的高位發(fā)熱量與低們發(fā)熱量相差最大，液體燃料次之，固體燃料最小，因此使用氣體燃料的鍋爐熱效率提高的最多。但這是指物質(zhì)的“態(tài)”不發(fā)生改變的情形。顯熱損失取決于煙氣的溫度和煙氣組成成分的熱容量。根據(jù)國外資料報(bào)導(dǎo)，降低到露點(diǎn)之前的顯熱回收可使鍋爐系統(tǒng)熱效率提高2%5%。目前基于本課題相關(guān)方面的研究，主要采用兩種方式：理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。（2）氣相熱阻法氣相熱阻法由Silve[5]和Bell[6]等人提出的，假設(shè)氣相傳熱系數(shù)是氣相在系統(tǒng)中單獨(dú)流動(dòng)時(shí)的換熱系數(shù)，不計(jì)凝結(jié)層上界面波動(dòng)的影響，也忽略了傳質(zhì)對它的影響。有的學(xué)者直接用數(shù)值計(jì)算方法求解運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的方程組。針對冷凝式天然氣鍋爐，進(jìn)行煙氣余熱回收和研究，西安交通大學(xué)的學(xué)者利用加濕熱空氣模擬鍋爐尾部煙氣，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)新的準(zhǔn)則數(shù)并擬合了冷凝換熱Nu數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式［10］?；旌蠚怏w在水平管外的對流換熱問題是一個(gè)很復(fù)雜的問題，難點(diǎn)主要在以下兩個(gè)方面：第一，因?yàn)槭腔旌蠚怏w，所以涉及到傳熱傳質(zhì)的耦合問題；第二，水平橫管外的流動(dòng)和換熱的影響因素復(fù)雜，目前還沒有非常精確的理論解，這也加大了問題的難度。為了使煙氣在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前可以充分混合，在實(shí)驗(yàn)段前加一段管道。℃6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1HP34970A7蒸氣發(fā)生器1DZF3改變水蒸氣含量8煙氣分析儀1E2000測煙氣成分及過量空氣系數(shù)9燒杯3接收冷凝液10計(jì)算機(jī)1Lenovo R61i11電子天平1測量冷凝液質(zhì)量，12風(fēng)泵XFB113浮子流量計(jì)LZB4014熱水器2改變冷卻水溫度15秒表1記錄工況運(yùn)行時(shí)間為了能夠?qū)瑵窕旌蠚怏w橫掠翅片管束時(shí)的冷凝情況進(jìn)行觀察，本論文主要針對此進(jìn)行了翅片管管外的冷凝實(shí)驗(yàn)。通過旋轉(zhuǎn)風(fēng)泵引入冷空氣，冷空氣進(jìn)入管道之前需要通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)，以便測量加入的空氣量。實(shí)驗(yàn)段即冷凝換熱發(fā)生的部位，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要的組成部分。（一）、測點(diǎn)的布置根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)布置為：（1）燃?xì)夤艿劳ㄟ^二級減壓后設(shè)置壓力測點(diǎn)和天然氣流量測點(diǎn)，用U形管檢測燃?xì)膺M(jìn)入燃燒管前的壓力；（2）煙氣剛從燃燒管出來的位置設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，測定煙氣的過量空氣系數(shù)以及CO含量；（3）布置電子秤，測量冷凝水質(zhì)量；（4）在實(shí)驗(yàn)所處環(huán)境中設(shè)置一溫度測點(diǎn)，測量環(huán)境溫度；（5）在煙氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前和實(shí)驗(yàn)段出口的位置設(shè)置溫度測點(diǎn)；（6）在冷卻水管的進(jìn)出口位置設(shè)置溫度測點(diǎn)；（7）在翅片管上布置熱電偶，測量翅片與光管溫度；（8）在冷卻水管出口位置設(shè)置水表測量冷卻水流量。測量此時(shí)的過量空氣系數(shù)用來計(jì)算煙氣的流量。但此時(shí)的計(jì)算都是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行的，所以需要根據(jù)環(huán)境溫度和壓力換算成實(shí)際狀態(tài)下所生成的混合氣體的量及水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。冷卻水進(jìn)出口溫度的測量℃的玻璃溫度計(jì)在冷卻水的進(jìn)出口位置設(shè)置的溫度測點(diǎn)測量此處冷卻水的溫度。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過與電腦相連實(shí)時(shí)采集溫度。實(shí)驗(yàn)前需要先做好一系列準(zhǔn)備工作，以保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。完成實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉天然氣瓶開關(guān)以及其他各天然氣開關(guān)；關(guān)閉空氣壓縮機(jī)；關(guān)閉蒸汽發(fā)生器電源，自然放置冷卻；關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)；關(guān)閉冷卻水閥門。（3）改變冷卻水管壁面溫度混合氣體參數(shù)不變，在冷卻水進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前對其進(jìn)行不同功率的加熱，以得到不同的翅片管壁面溫度。數(shù)據(jù)處理時(shí)首先采用熱平衡的方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，以熱平衡的相對誤差作為評判標(biāo)準(zhǔn)，剔除壞值以及一些不合理的數(shù)值之后，對合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整理?！?；d特征長度，m。h1； m冷凝液量，kg 不確定度用來表征被測量的真值所處量值范圍，但它不是具體的真誤差，它只是以參數(shù)形式定量表示了對同一量多次測量結(jié)果可能所處的范圍?；旌蠚怏w的流速混合氣體的流速由公式 （314）計(jì)算得到。當(dāng)蒸氣和液膜同方程流動(dòng)時(shí)，由于蒸氣凝結(jié)時(shí)轉(zhuǎn)移到液相而產(chǎn)生的動(dòng)量轉(zhuǎn)移和由于蒸氣分子的黏性摩擦作用會(huì)引起凝結(jié)液膜的減薄。同時(shí)，由于Re的增大，不僅增強(qiáng)了混合氣體對翅片管壁面的沖刷，而且可以減薄液膜在翅片管壁面的厚度，加速液滴的脫落，當(dāng)Re繼續(xù)增大到一定程度的時(shí)候，甚至可能撕裂管壁的液膜，從而減小對流凝結(jié)換熱的熱阻，增強(qiáng)換熱強(qiáng)度。圖44 混合氣體流速對Nu數(shù)的影響由于熱流密度的增加，其Nu數(shù)也為增加的趨勢，如圖44所示。第二、三排管凝結(jié)液的變化規(guī)律與第一排不同，均出現(xiàn)了拐點(diǎn)，其原因在于傳質(zhì)的主要驅(qū)動(dòng)力在于濃度差，隨著第一排管凝結(jié)率的下降，第二排管附近混合氣體主流區(qū)域的濃度升高，因?yàn)榛旌蠚怏w主流區(qū)域溫度的升高，第二排管并未因第一排管凝結(jié)率下降而立刻出現(xiàn)拐點(diǎn)，而是先下降再升高。而在其它條件不變的情況下，單純改變冷卻水進(jìn)口溫度引起的直接效果就是冷卻水管壁面溫度的改變。這種情況下，衡量總體換熱強(qiáng)度的Nu也隨之減小，即凝結(jié)換熱遭到破壞。實(shí)驗(yàn)工況為：混合氣體進(jìn)口溫度為87℃、Re為407，℃。圖416 不凝性氣體含量對Nu的影響圖416為Nu隨不凝性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，從圖中可以看出Nu數(shù)的變化較為劇烈，說明不凝性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對凝結(jié)換熱的影響非常大。通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在管徑相同的情況下，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，潛熱換熱系數(shù)最大增加了一倍，Nu最大增加了四倍。本文主要是針對含濕混合氣體（水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)是10%23%）橫掠翅片管時(shí)的冷凝換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。致謝四年的大學(xué)時(shí)光匆匆而過，畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成也即意味著大學(xué)的結(jié)束。翅片管外的凝結(jié)換熱可以近似分解為翅片管側(cè)壁和水平光管兩部分，翅片管側(cè)壁近似認(rèn)為一個(gè)高為H的豎直平壁，水平管直徑為d，則豎壁與水平管的傳熱系數(shù)比有 （41）可見，若Hd，則在同一表面溫度下，凝結(jié)液膜厚度小的多，則該翅片管的傳熱系數(shù)可比水平管的大得多。采用翅片管后，不僅增加了換熱面積，同時(shí)還能提高凝結(jié)過程中的傳質(zhì)系數(shù)。從圖中可以看到每排管的凝結(jié)液量均隨著不凝性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢，凝結(jié)率則隨著不凝性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)微弱的減小的趨勢?；旌蠚怏w的總壓力等于蒸氣分壓力和不凝性氣體分壓力之和，當(dāng)含有不凝性氣體的蒸氣同低于其露點(diǎn)的冷卻壁面接觸時(shí)，緊靠壁面的蒸氣墊子開始凝結(jié)，形成一層凝結(jié)液膜。本次實(shí)驗(yàn)的工況為：，%，混合氣進(jìn)進(jìn)口溫度為76℃。圖46 混合氣體進(jìn)出口溫度對凝結(jié)率的影響圖46為管束凝結(jié)率隨混合氣體溫度升高的變化曲線，由于第二、三排管凝結(jié)作用的增強(qiáng)，其增加的量在某一點(diǎn)超過第一排減小的量，所以凝結(jié)率趨勢為先變小后變大，但變化不大。理論上說，混合氣體主流溫度對于顯熱傳遞的影響，只在于增大或減小換熱溫差，對于總的顯熱換熱量有較顯著的影響，而對于顯熱換熱系數(shù)及無量綱的Nu數(shù)影響不明顯。如圖41.圖42 混合氣體流速對凝結(jié)率的影響圖42是管束凝結(jié)率隨著混合氣體流速增加的變化趨勢。另外，蒸氣流速對凝結(jié)換熱系數(shù)的影響還與蒸氣密度亦即與蒸氣壓力和工質(zhì)物性有關(guān)。式中A為管道的橫截面積，利用千分尺測量，其最大相對不確定度為 (315)則混合氣體的流速最大相對不確定度為 (316)冷卻水流量實(shí)驗(yàn)中冷卻水流量由流量計(jì)測得，所采用的稱的最小刻度為10g，其最大相對不確定度為：(317)凝結(jié)液量，測量冷凝液時(shí)使用冷卻水加燒杯的總質(zhì)量減去燒杯單獨(dú)的質(zhì)量，稱得凝結(jié)液質(zhì)量最小為79g，即需要兩次稱量，則跟溫度差一樣，凝液量不確定度為： （318）Re實(shí)驗(yàn)段處煙氣 (319)則最大相對不確定度為 (320)則Re的最大相對不確定度為 (321)換熱量實(shí)驗(yàn)中分別針對水側(cè)、氣側(cè)的換熱量進(jìn)行分析。本文采用B類標(biāo)準(zhǔn)的評定方法。kg1。熱平衡就是指實(shí)驗(yàn)段管壁處的對流冷凝換熱量應(yīng)該等于管內(nèi)冷卻水吸收的熱量，即： (34) (35) 其中： 冷卻水流量，kg傳熱系數(shù)的確定實(shí)驗(yàn)中傳熱系數(shù)為 （32）其中： h傳熱系數(shù)； Q傳熱量； F傳熱面積；實(shí)驗(yàn)中對于傳熱面積采用翅片管基管部分與翅片側(cè)壁部分的面積之和，即混合氣體流動(dòng)覆蓋的面積； △t由于流體的物性值與溫度相關(guān)，必須對決定流體物性參數(shù)的溫度（稱為定性溫度）作出規(guī)定[15]，這里取混合氣體主流溫度與管壁面的平均溫差之差作為定性溫度。第3章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理不同的測量次數(shù)或者不同的測量時(shí)刻，測得值的誤差就不同。在實(shí)驗(yàn)過程中，要在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行十五分鐘后再開始測量數(shù)據(jù)，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。（2）閥門、管道是否漏氣問題實(shí)驗(yàn)中采用的是天然氣燃料，且燃料的流量測量關(guān)系到實(shí)驗(yàn)計(jì)算是否準(zhǔn)確，所以要特別注意閥門以及管道是否漏氣。冷凝液的流量的測量冷凝液流量即單位時(shí)間內(nèi)由冷凝形成的液體的質(zhì)量。翅片頂部與基部溫度的測量 兩種不同成分的導(dǎo)體A和B連接在一起，形成一個(gè)閉合回路。實(shí)驗(yàn)段處，混合氣體的Re為： (212)其中： u混合氣體的來流