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多通道烘缸在旋转状态下矩形通道内蒸汽冷凝换热的实验研究

- ORCID：
张树林
- ORCID：
董继先
✉
- ORCID：
王莎
- ORCID：
王博
- ORCID：
乔丽洁

陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021

中图分类号： TS734⁺.8

最近更新：2021-09-22

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2021.09.009

摘要

本研究以高宽比为1∶3的矩形通道为对象，探究了转速和冷却水质量流量对通道内蒸汽冷凝换热及流动压降的影响。结果表明，当转速一定时，通道的平均换热系数随冷却水质量流量增大而增大，通道的流动压降随冷却水质量流量增大而逐渐减小并趋于稳定；当冷却水质量流量一定时，通道的平均换热系数随转速增大先增大后减小，转速在50~100 r/min时，通道的流动压降随转速增加缓慢下降，转速70 r/min时平均换热系数最大。

关键词

多通道烘缸; 冷凝换热; 压降; 旋转

在造纸工艺中，纸张干燥对成纸质量起关键性作用。目前，纸张干燥以烘缸干燥为主，烘缸作为干燥部的重要设备，其干燥效率决定干燥工艺的节能程度。烘缸中不能及时排出的冷凝水会增加蒸汽传热热阻，降低烘缸干燥效率。为解决这一问题，国内外学者做了大量研究，如改变虹吸管结构^[

1-2]和增加扰流棒^{[参考文献 3-4}3-4]以减少冷凝水存积，提高烘缸干燥效率，但冷凝积水阻碍冷凝传热的问题仍未彻底解决。针对这一问题，Choi等人^{[参考文献 5

百度学术}5]设计了一种夹套多通道烘缸，即在烘缸内壁加工许多矩形通道，蒸汽在通道中冷凝放热，产生的冷凝水被限制在通道内由后续蒸汽推出，极大地减少了烘缸的冷凝积水；并以单个矩形通道为研究对象进行实验，结果表明，夹套多通道烘缸的冷凝换热系数是传统烘缸换热系数的7~20倍。本课题组^{[参考文献 6-8}6-8]在Choi等人的研究基础上进行改进并设计了一种新型的多通道烘缸，对多通道烘缸在静态条件下做了数值模拟和实验研究，严彦等人^{[参考文献 9-11}9-11]、杨琸之等人^{[参考文献 12

百度学术}12]和乔丽洁等人^{[参考文献 13

百度学术}13]分别对蒸汽参数、冷却水质量流量、冷却水雷诺数对多通道烘缸换热系数的影响进行了研究。

目前多通道烘缸的研究主要集中在静态条件下，而对旋转状态下工质换热特性的现有研究主要集中在换热器、热管和U型管等方面。牟春燕等人^[

14]、田智昀^{[参考文献 15

百度学术}15]对旋转状态下工质为R22的板式换热器冷凝换热特性进行了研究；Francisco等人^{[参考文献 16

百度学术}16]在水力直径为6.24 mm的矩形通道中，通过改变倾斜角研究了旋转通道的压降变化；孙浩峰等人^{[参考文献 17

百度学术}17]对径向流入旋转轴的空气在矩形微通道中的换热进行了研究；Ibrahim等人^{[参考文献 18

百度学术}18]研究了旋转三角形虹吸热管的传热特性；何川等人^{[参考文献 19

百度学术}19]对绕平行轴旋转热管的传热进行了研究；Morris等人^{[参考文献 20

百度学术}20]以空气为热流介质，对绕平行轴旋转的方形截面管内湍流流动的传热进行了研究；刘传凯等人^{[参考文献 21

百度学术}21]对旋转U形通道内换热进行了研究；周建佳等人^{[参考文献 22

百度学术}22]对旋转U型通道内的换热进行了数值计算；严彦等人^{[参考文献 23

百度学术}23]对旋转多通道烘缸进行了数值模拟。

综合前人研究成果可知，旋转状态下，影响换热因素较多^[

24-25]，旋转方式、工质、通道结构的不同均会导致换热效果的不同。本课题以多通道烘缸在静止条件下的研究为基础，在旋转实验台^{[参考文献 26

百度学术}26]上，通过改变转速和冷却水质量流量，对旋转状态下通道内换热和压降进行了研究，为多通道烘缸的实际生产提供理论和结构设计的参数依据。

1 实　验

本课题的实验装置主要由3部分组成，蒸汽回路、实验段、冷却水回路，如图1所示。通过变频隔膜泵将去离子水加入电加热蒸汽发生器中，产生蒸汽经滑环进入实验段蒸汽通道，与逆向流动的冷却水进行换热，蒸汽放出的热量被冷却水吸收，未冷凝的蒸汽通过板式换热器降温后返回蓄水池；冷却水在其回路中循环流动，进口处设有玻璃转子流量计以测量冷却水的质量流量，通过调节阀门来改变冷却水的质量流量，通过调节电机频率改变通道的转速。实验段温度通过PT 100热电阻测量，压降通过安装在通道前后端的2个压力变送器测得，实验温度和压力通过无线采集装置传输至电脑。该实验装置的实物图如图2所示。

图1 实验系统流程图

Fig. 1 Flow chart of the experimental system

图2 旋转实验平台

Fig. 2 Rotating experiment platform

图3为实验通道的截面图。如图3所示，蒸汽通道的长、宽、高分别为1100.0 mm、13.5 mm、4.5 mm，高宽比为1∶3，冷却水通道长、宽、高分别为1100.0 mm、13.5 mm、9.0 mm，材质为铝。整个通道用橡塑材料包裹，保证实验段的热量损失<0.5%。

图3 实验通道截面图

Fig. 3 Experimental channel cross section

图4为实验段热电阻分布图。如图4所示，热电阻T_s1~T_s5布置于蒸汽通道内测量蒸汽温度，热电阻T_w1~T_w5布置于壁面测量壁面温度，热电阻T_c1~T_c6布置于冷却水通道测量冷却水温度，热电阻温度通过无线采集模块传输到电脑里。实验工况如表1所示。

图4 实验段热电阻分布图

Fig. 4 Thermal resistance distribution diagram of experimental section

表1 实验工况

Table 1 Experimental conditions

实验工况	参数
热流介质	水蒸气
冷却介质	去离子水
蒸汽温度/℃	120
蒸汽质量流率/kg·m^-2∙s^-1	50
干度	0~1.0
冷却水质量流量/kg∙h^-1	100、150、200、250
转速/r·min^-1	50、60、70、80、90、100

2 数据处理

多通道烘缸通道内蒸汽放出的热量一部分被冷却水吸收，另一部分散失在环境中，根据热电阻的分布，将整个通道划分为5段，各段均满足能量守恒定律，计算方法如式(1)所示。

Q_{s, i} = Q_{c, i} + Q_{l, i}

（1）

式中， $Q_{s, i}$ 为第i段蒸汽释放的热量； $Q_{c, i}$ 为第i段被冷却水吸收的热量； $Q_{l, i}$ 为第i段蒸汽散失在环境的热量。

本课题对实验段进行了保温处理，热损失较小，可以认为蒸汽放出的热量被冷却水全部吸收，即 $Q_{s, i} = Q_{c, i}$ 。冷却水的吸热量可由式(2)计算得到。

Q_{c, i} = m_{c} \cdot c_{p} \cdot (t_{c, i} - t_{c, i + 1})

（2）

式中， $m_{c}$ 为冷却水的质量流量； $c_{p}$ 为冷却水的比定压热容； $t_{c, i}$ 为i点处冷却水的温度。

蒸汽在第i段释放的热量计算方式如式(3)所示。

Q_{s, i} = A_{i} \cdot h_{i} \cdot (t_{s, i} - t_{w, i})

（3）

式中， $A_{i}$ 为第i段蒸汽通道换热面积； $h_{i}$ 为第i段蒸汽通道换热系数； $t_{s, i}$ 为第i段蒸汽通道内的蒸汽温度； $t_{w, i}$ 为第i段所对应的壁面温度。

综合式（1）~式（3）得到多通道烘缸内的换热系数计算方式如式(4)所示。

h_{i} = \frac{Q_{s, i}}{A_{i} \cdot (t_{s, i} - t_{w, i})} = \frac{Q_{c, i}}{A_{i} \cdot (t_{s, i} - t_{w, i})}

（4）

3 结果与分析

3.1　旋转对冷凝换热系数的影响

不同转速下冷却水质量流量对通道局部换热系数的影响如图5所示。转速一定时，随着冷却水质量流量的增加，不同位置的局部换热系数也随之增加，这是因为随着冷却水质量流量的增加，冷却水的平均温度降低，与壁面的温差增大，换热增强，导致通道内部冷凝换热量增大，因此冷凝换热系数增大。

图5 不同转速下冷却水质量流量对局部换热系数的影响

Fig. 5 Effect of cooling water mass flow rate on local heat transfer coefficient at different rotation speeds

注　L为沿程方向。

局部换热系数随沿流程方向呈先增大后减小的趋势。通道入口处的蒸汽为过热蒸汽，在流动过程中，蒸汽温度下降，非相变换热较多，蒸汽释放的热量较少，换热系数较小。随着蒸汽不断冷凝，蒸汽干度下降，气相占比减少，液相占比增多，在此过程中会放出大量的汽化潜热，换热系数也随之增加。随着蒸汽干度进一步减小，近壁面处水膜厚度逐渐增加，导致换热热阻增加，换热系数受此影响随之降低。在通道的后半部分，液相几乎占据了整个通道，此时换热形式变为单相水对流换热，因此传热量会迅速减小，换热系数进一步下降。

随着转速提高，局部换热系数最大的位置向蒸汽进口端移动，转速100 r/min时，换热系数最大的位置出现在第二段，转速小于100 r/min时，换热系数最大的位置均出现在第三段。因为随着转速的增加，离心力的作用增大，蒸汽在通道内受到的扰动增加，加速了蒸汽的冷凝速率，换热系数最大的位置向前移动。

图6为不同转速下冷却水质量流量对平均换热系数的影响。从图6可以看出，冷却水质量流量一定时，随着转速增大，通道内平均换热系数呈先增大后减小的趋势，当转速70 r/min时，通道的平均换热系数最大。在低转速下，旋转产生的离心力对蒸汽流动的扰动较小，气液两相间以剪切力为主；气液界面的扰动随转速的增加而增加，使通道内气液流动紊乱，换热系数会逐渐增加；当转速进一步增加时，离心力对蒸汽流动的影响加大，离心力和剪切力的共同作用会使蒸汽在通道内的流动更加紊乱，平均换热系数进一步增加。高转速下，蒸汽在前半部分就几乎全部冷凝，后半部分的换热主要以单相冷凝液的对流传热为主，换热能力不足，平均换热系数降低。

图6 不同转速下冷却水质量流量对平均换热系数的影响

Fig. 6 Effect of cooling water mass flow rate on average heat transfer coefficient at different rotation speeds

冷却水质量流量较低时，不同转速平均换热系数很接近，随着冷却水质量流量增大，不同转速的平均换热系数间差距增大。冷却水质量流量较低时，冷却系统单位时间最大换热量有限，此时提升转速对整体换热量的提升作用有限，不同转速的平均换热系数相差不大；当冷却水质量流量较高时，冷却系统单位时间最大换热量增大，此时提升转速对整体换热量的提升作用明显，不同转速的平均换热系数差距增大。

3.2　旋转对两相流动压降的影响

不同冷却水质量流量下转速对通道压降的影响如图7所示。从图7可以看出，转速一定时，随着冷却水质量流量的增加，两相流动的压降减小，冷却水质量流量增加到200 kg/h时，流动压降基本保持平稳，不随冷却水质量流量的增大而降低。这是因为随着冷却水质量流量的增大，壁面和冷却水平均温差增加，加速蒸汽的冷凝，蒸汽的气相速度减小，气液界面的摩擦压降减小，通道压降呈减小趋势。当冷却水质量流量进一步增加时，壁面和冷却水的平均温差变化较小，蒸汽的冷凝速率变化较小，气液界面间的摩擦压降变化较小，因此流动压降基本保持不变。

图7 不同冷却水质量流量下转速对通道压降的影响

Fig. 7 Effect of rotation speeds on channel pressure drop under different cooling water mass flow rate

从图7还可以看出，冷却水质量流量一定时，随转速增加，通道的流动压降有略微下降的趋势，基本保持不变。随转速增加，蒸汽受到的离心力增加，加速了蒸汽的冷凝，形成冷凝水的速度加快，蒸汽密度远小于冷凝水密度，使通道内流体平均流速减小，流体与壁面的摩擦效果减弱，通道内压降减小。

4 结　论

本课题通过改变多通道烘缸的转速和冷却水质量流量，研究了其对多通道烘缸的冷凝传热特性以及两相流动压降的影响。

4.1　当转速一定时，随冷却水质量流量增加，通道内的平均换热系数随之增加。蒸汽在通道沿程方向的局部换热系数呈先增大后减小的趋势。

4.2　当冷却水质量流量一定时，随转速增加，通道的平均换热系数呈先增大后减小的趋势，转速70 r/min时，通道的平均换热系数最大。随转速增加，局部换热系数最大的位置会向蒸汽进口端移动。

4.3　转速一定时，随冷却水质量流量增加，通道内的压降会呈下降趋势，最后趋于稳定；冷却水质量流量一定时，随转速升高，通道内的压降会略有下降趋势。

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多通道烘缸在旋转状态下矩形通道内蒸汽冷凝换热的实验研究

摘要

关键词

1 实 验