張家源 唐 媛 邱利民 包士然 張小斌

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

1 引言

大規(guī)模工業(yè)氣體應(yīng)用促進低溫空氣分離設(shè)備向大型化發(fā)展，目前世界最大的空分系統(tǒng)規(guī)模已達到113 880 Nm3/h［1］，空分能耗問題變得日益突出。主冷凝蒸發(fā)換熱器(簡稱主冷)是空分裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和性能對空分裝置的能耗及效率影響顯著。一般情況下，主冷換熱溫差每降0.5 K，整套空分裝置能耗即下降2.46%［2］，而溫差的降低主要依靠對其內(nèi)部流體流動與傳熱機理的深入研究和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在常溫區(qū)工作的冷凝蒸發(fā)換熱器中，流體的沸騰側(cè)熱阻往往比冷凝側(cè)熱阻大一個數(shù)量級，故目前對于沸騰換熱的研究遠(yuǎn)多于冷凝。然而在低溫下，沸騰熱阻與冷凝熱阻大體相當(dāng)，氫的沸騰熱阻甚至小于冷凝熱阻［3］。在空分主冷中，冷凝側(cè)熱阻大小約為蒸發(fā)側(cè)的30%—60%，且隨著熱流密度增大，兩者差別逐漸減?。?］。同時，實際系統(tǒng)中不凝性氣體也會顯著增大冷凝換熱的熱阻。主冷運行時，氮氣中往往含有少量的氖、氦等不凝性氣體，這就導(dǎo)致實際運行的主冷中冷凝熱阻增大。綜上所述，空分主冷冷凝通道內(nèi)的換熱強化問題不可忽視，但目前仍缺乏對其專門的研究［4-5］。

2 低溫流體冷凝的特殊性

低溫流體與常溫流體(以水為代表)的冷凝都是氣體在低于飽和溫度的情況下發(fā)生液化的現(xiàn)象，本質(zhì)上是相同的。然而，低溫流體冷凝又有其特殊性，這主要是由于低溫流體的物性與常溫流體的物性(見表1)存在著較大差異。

表1 水和低溫流體的物性參數(shù)比較(0.101 3 MPa)Table 1 Comparison of physical parameters of water and cryogenic fluids(0.101 3 MPa)

(1)低溫冷凝的理論換熱系數(shù)小。對于理想狀態(tài)下的膜狀冷凝，根據(jù)熱量平衡，冷凝表面局部的冷凝換熱系數(shù)應(yīng)該等于通過該處液膜的導(dǎo)熱系數(shù)除以液膜厚度。液相導(dǎo)熱系數(shù)越小，液膜厚度越厚，則冷凝換熱系數(shù)越小。由表1可知，低溫流體液相導(dǎo)熱系數(shù)均不到水的1/4，這是低溫流體冷凝換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于水蒸氣的主要原因;通過Nusselt理論關(guān)于液膜厚度的計算式可近似推得，低溫流體冷凝的液膜稍厚于水，差別一般不超過30%，這構(gòu)成低溫冷凝換熱系數(shù)小的次要原因。

(2)低溫冷凝的傳熱強化更加困難。首先，冷凝強化的主要方法是利用延展表面減薄液膜厚度，在這類方法中表面張力促使的液膜減薄起到了主要的強化傳熱作用，而由于低溫流體表面張力不到水的1/4，導(dǎo)致這類方法的強化效果明顯降低。此外，表面張力小意味著表面自由能小。根據(jù)表面自由能差判據(jù)［6］，相同的固體表面上，低溫流體與固體表面的自由能差較小，更難以形成滴狀凝結(jié)。即可以使水形成滴狀凝結(jié)的材料未必能使低溫流體形成滴狀凝結(jié)，使用構(gòu)造滴狀凝結(jié)表面的方法強化低溫冷凝也相對困難。

(3)低溫冷凝兩相流的流型變化復(fù)雜。低溫流體的汽化潛熱比水小一個數(shù)量級，在相同的冷凝換熱量下，沿程干度變化更劇烈，這也就意味著其兩相流的流型變化更迅速，流型圖轉(zhuǎn)變曲線提前;而低的表面張力也使得重力的影響相對更明顯，更傾向于出現(xiàn)環(huán)狀流及分層流等重力主導(dǎo)的流型。

低溫流體與常溫流體冷凝存在的上述差異，使得換熱器中常溫流體冷凝的多數(shù)傳熱、流動關(guān)聯(lián)式以及強化方式不適用于低溫流體，必須對其進行專門研究。

3 低溫冷凝實驗研究綜述與討論

3.1 低溫冷凝實驗研究綜述

對低溫冷凝的實驗研究大致可分以為兩個階段:第一個階段的研究大多以管式冷凝蒸發(fā)器為背景，通過實驗得到低溫工質(zhì)在光管內(nèi)或光管外冷凝的換熱系數(shù)，以驗證Nusselt理論是否能用于管式冷凝蒸發(fā)器的設(shè)計。第二個階段多以板翅式換熱器為背景，研究低溫流體在微小通道內(nèi)的冷凝。

Leonard與 Timmerhaus［7］設(shè)計了氮氣的豎直管外冷凝實驗，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用常壓下的液氮作冷源，加熱再沸器中的液氮，產(chǎn)生飽和氮蒸氣，氮蒸汽上升進入冷凝腔室，在豎直銅管外冷凝，冷凝液向下回流至再沸器中。在銅管壁面內(nèi)埋設(shè)熱電偶測量冷凝壁溫，通過熱流密度與冷凝換熱溫差直接求得冷凝換熱系數(shù)。實驗結(jié)果表明，氮氣的冷凝換熱系數(shù)與Nusselt理論計算值吻合較好，偏差不超過±20%。此外，Haseldon和 Prosad［8］研究了氮和氧的冷凝，實驗結(jié)果在誤差可接受的范圍內(nèi)，氮和氧的冷凝換熱系數(shù)與Nusselt理論計算結(jié)果都相吻合。

圖1 文獻［7］實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of test apparatus in ［7］

Ewald和Perroud［9］設(shè)計了氮、氫和氘的可視化冷凝實驗。實驗裝置如圖2所示，加熱器中加熱產(chǎn)生的飽和蒸汽上升進入冷凝室，在冷凝管管外發(fā)生冷凝，冷凝液沿輸送管流回至加熱器中。該裝置真空罩與冷凝器外壁均采用Pyrex玻璃制作，可以獲得管外冷凝的可視化資料。由于氫和氘冷凝時橫跨液膜的冷凝傳熱溫差很小，直接測量困難，文獻采用間接處理的方式，用總換熱系數(shù)和使用核態(tài)沸騰的Kutateladze經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式估算得到的沸騰側(cè)換熱系數(shù)，間接得到冷凝換熱系數(shù)。實驗結(jié)果表明氮的冷凝換熱系數(shù)與Nusselt理論吻合較好，而氫和氘的換熱系數(shù)整體比理論計算值低20%，在低熱流密度下甚至低50%以上。

Ohira［10］研究了氮和氫的冷凝，實驗裝置以兩級G-M制冷機冷頭為冷源，將冷凝管固定在制冷機冷頭上，冷凝管與下方的再沸器連接，加熱產(chǎn)生的蒸汽在冷凝管內(nèi)壁上冷凝。實驗采用直接測量的方式，在距管內(nèi)壁面0.9 mm處打孔，安裝鍺電阻溫度計，測量與壁面溫度極為接近的壁內(nèi)溫度。實驗結(jié)果表明，氮和氫的冷凝換熱系數(shù)與Nusselt理論預(yù)測的結(jié)果偏差不超過±20%。

空分領(lǐng)域從20世紀(jì)50年代開始應(yīng)用板翅式換熱器，如今管式換熱器已普遍被緊湊高效的板翅式換熱器所取代。學(xué)者們針對板翅式換熱器中的相變換熱進行了很多研究［4-5，11-12］，但多以沸騰換熱為主，專門針對低溫流體冷凝的研究還很少。

圖2 文獻［9］實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of test apparatus in ［9］

劉永忠［4］及陳流芳等［5］研究了板翅式冷凝蒸發(fā)換熱器單元中的沸騰與冷凝傳熱特性。制作了3個通道的板翅式冷凝蒸發(fā)單元試樣，中間為冷凝通道，兩側(cè)為蒸發(fā)通道。實驗結(jié)果表明氮氣在翅片通道內(nèi)的冷凝傳熱系數(shù)比Nusselt理論值高50%左右。另外，實驗結(jié)果顯示冷凝熱阻約為沸騰側(cè)的一半，且隨著熱流密度增大，兩者差別逐漸減小，在這種情況下，冷凝換熱熱阻不可忽視。

3.2 低溫冷凝實驗結(jié)果討論

Nusselt理論運用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出冷凝傳熱問題的解析解，對于一般牛頓流體發(fā)生的冷凝，只要符合液膜平整無波動等假設(shè)條件，那么其實驗結(jié)果就應(yīng)該與理論計算值相吻合。而在蒸汽流速較大、液膜Re較大或液膜波動等情況下的冷凝(如板翅式換熱器通道內(nèi)的冷凝)，不再符合Nusselt理論的假設(shè)條件，故冷凝換熱系數(shù)將大于理論計算值。

低溫冷凝已有的實驗結(jié)果見表2，從實驗結(jié)果來看，氮和氧的實驗結(jié)果與Nusselt理論計算吻合較好。而氫則存在兩種不同的實驗結(jié)果:文獻［9］實驗表明，氫的冷凝換熱系數(shù)整體比理論計算值低20%，并且在低熱流密度下低50%以上;而文獻［10］的實驗表明，氫的冷凝換熱系數(shù)與理論計算值吻合良好，偏差在±20%以內(nèi)，低熱流密度下也依然如此。由于氫的冷凝換熱溫差不易測準(zhǔn)，文獻［9］采用間接方式，通過總傳熱系數(shù)和根據(jù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式估算的核態(tài)沸騰換熱系數(shù)，間接求得冷凝換熱系數(shù)。所用的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式在應(yīng)用于液氫的核態(tài)沸騰時，可能帶入了偏差，使實驗結(jié)果存在較大的不確定性。文獻［10］通過打孔安裝高精度的鍺電阻溫度計測量壁溫，直接根據(jù)熱流密度和冷凝換熱溫差求得冷凝傳熱系數(shù)，實驗結(jié)果相對更可靠。應(yīng)該可以認(rèn)為，氫的冷凝傳熱系數(shù)也是與Nusselt理論相吻合的。

表2 已有的低溫冷凝實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of cryogenic condensation

板翅式換熱器可以明顯地強化低溫流體的冷凝換熱，而目前尚缺乏描述這一過程的精確關(guān)聯(lián)式。其中的一個重要原因是板翅式換熱器翅片通道內(nèi)的冷凝過程屬于微小通道有相變的兩相流動，其傳熱與流動機理復(fù)雜多樣，且與兩相流動的流型直接相關(guān)，不同的流型下傳熱與水力學(xué)特性相差很大。而目前極少見到有對翅片通道內(nèi)低溫流體冷凝的兩相流型進行可視化觀測的研究，導(dǎo)致了空分主冷內(nèi)兩相流動的基礎(chǔ)理論不完善，限制了主冷的優(yōu)化設(shè)計和效率提升。

4 低溫冷凝可視化實驗系統(tǒng)設(shè)計

4.1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了研究低溫流體在翅片通道內(nèi)的冷凝過程，掌握其冷凝兩相流動的流型等可視化信息，以得到精確描述該過程的數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式，本文初步建立了一套可用于研究平壁表面及各種型號翅片通道內(nèi)冷凝過程的可視化實驗系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 低溫可視化實驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of cryogenic visual system

系統(tǒng)的冷量由液氮提供，液氮儲存在液氮儲池內(nèi)，通過吸收相鄰冷凝實驗段內(nèi)高壓氮氣的熱量使之冷凝。冷凝實驗段與真空罩上對應(yīng)位置均設(shè)置可視窗口，整個過程可用高速攝像機拍攝，同時采集相關(guān)溫度及壓力數(shù)據(jù)。

真空杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，液氮上儲池與液氮下儲池通過管道連接，通過充液管補充液氮。液氮下儲池與冷凝實驗段焊接成一體，其中的液氮為冷凝實驗段中的高壓氮氣冷凝提供冷量。冷凝實驗段與再沸器通過管路連接成封閉的冷凝回路，再沸器底部安裝加熱棒加熱液氮產(chǎn)生氮蒸氣，蒸氣進入冷凝實驗段內(nèi)，在翅片表面冷凝成液氮，冷凝液下流返回再沸器中，實現(xiàn)自然循環(huán)。

圖4 杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of cryostat

系統(tǒng)運行時冷凝實驗段處于低溫環(huán)境下，玻璃光窗與金屬之間的密封存在一定難度。在液氮溫度附近兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差一個數(shù)量級以上，從室溫冷卻到低溫過程中將產(chǎn)生很大的收縮量差異。采用膠結(jié)的方式密封，裝置很容易產(chǎn)生局部破裂和泄露，并且不能密封太大的壓力;直接采用法蘭壓緊玻璃密封，玻璃易碎且不易進行表面加工，螺栓預(yù)緊力太大容易壓碎玻璃，太小會導(dǎo)致泄露;使用可閥合金作為過渡金屬焊接玻璃與不銹鋼的方式密封效果較好，但對技術(shù)要求很高，不易獲得，并且焊后不可拆，無法更換。本裝置的冷凝實驗段在結(jié)構(gòu)上采用可伐合金焊接與法蘭密封結(jié)合的方式，在不銹鋼法蘭蓋上加工出窗座，光窗玻璃通過可伐合金焊接在窗座上，法蘭蓋與基座采用刀口密封方式將整個冷凝通道密封起來，以無氧銅做密封墊，既實現(xiàn)了低溫下的可靠密封，又滿足了拆卸更換內(nèi)部翅片的需要。

由于存在直達試驗段的光學(xué)通路，從室溫環(huán)境到杜瓦內(nèi)部的輻射漏熱較大。為減小輻射漏熱，實驗裝置采用帶防輻射屏的真空多層絕熱方式，在布置防輻射屏和包覆多層絕熱材料時只留出必要的光學(xué)通路，并在玻璃表面覆蓋反紅外輻射涂層。內(nèi)部各部件采用真空套管和G10桿懸掛固定于法蘭上，以減小內(nèi)部部件向法蘭的導(dǎo)熱漏熱。

4.2 實驗數(shù)據(jù)采集

實驗時調(diào)節(jié)再沸器中加熱器的加熱量，等待試件回路中壓力保持穩(wěn)定，即再沸器中液位保持不變后，系統(tǒng)達到穩(wěn)定工況。此時加熱器的加熱量Qh減去系統(tǒng)漏熱量Ql即等于冷凝通道內(nèi)的冷凝換熱量Qc。

如圖4所示，實驗中的溫度測量包括4部分:(1)在冷凝壁背面開孔，孔中布置溫度傳感器來測量冷凝壁面溫度Tw。使用Apiezon真空酯填充孔與溫度計之間的縫隙，減小熱阻;(2)在液氮下儲池內(nèi)壁上布置溫度傳感器來測量液氮儲池的溫度TN;(3)在冷凝實驗段入口處通過環(huán)氧樹脂桿懸掛溫度傳感器，測量蒸氣溫度Tv;(4)在液氮上儲池筒體外壁布置兩個溫度計測得溫度Tr1、Tr2，以監(jiān)測液氮上儲池中液位。以上所用的溫度傳感器均為Pt100鉑電阻溫度計，經(jīng)過精確標(biāo)定，在液氮溫區(qū)精度為±0.1 K，溫度數(shù)據(jù)使用Keithley 2700數(shù)據(jù)采集器進行采集。

冷凝實驗段入口的蒸氣壓力Pv通過管路引出至杜瓦外進行測量，如圖4所示。壓力變化范圍0.1—1 MPa，壓力傳感器型號為UNIK5000，測量精度為±0.04%FS。使用差壓變送器測量再沸器頂部與底部的壓差△P來計算液位，如圖4所示。差壓變送器型號為 CS3351，測量精度為 ±0.25%FS。

綜上所述，已經(jīng)得到了冷凝壁面的壁溫Tw、蒸氣溫度Tv以及冷凝換熱量Qc，而冷凝溫度Tsat可通過蒸氣壓力Pv得到，因此，低溫流體在平壁表面或翅片通道內(nèi)冷凝的平均傳熱系數(shù)可以表示為:

5 試驗臺初步測試

對試驗臺進行了測試運行。使用分子泵抽真空后，真空度可達 2.3×10-6Pa，漏率保持 10-10Pa·m3/s。當(dāng)壓力高于0.5 MPa時，刀口法蘭的密封性能下降，漏率會有所上升，但仍可保持在10-7Pa·m3/s以下。充液氮后經(jīng)過5 h預(yù)冷降溫，試驗臺內(nèi)部各測點溫度接近液氮溫度并保持穩(wěn)定。啟動加熱器后，冷凝側(cè)回路內(nèi)部壓力升高，并逐漸平穩(wěn)，液位計示數(shù)先下降后穩(wěn)定，表明達到穩(wěn)定工況。調(diào)試發(fā)現(xiàn)，在冷凝通道內(nèi)氮氣壓力達到0.5 MPa左右時可觀察到大量的冷凝液下流，并可用高速攝像儀拍攝記錄。幾組典型的數(shù)據(jù)見表3，可以看出冷凝通道入口的氮氣有一定的過熱度，這是因為飽和蒸氣從再沸器出口到冷凝通道入口經(jīng)過約0.5 m長的管路，被管壁加熱所致。通過上述測試試驗，證明試驗臺運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了預(yù)期功能，為下一步開展翅片微小通道內(nèi)氮氣冷凝過程的研究創(chuàng)造了條件。

表3 試驗臺的典型運行參數(shù)Table 3 Typical operation parameters of experimental device

6 結(jié)論

(1)空分主冷中低溫流體冷凝的熱阻較大，影響了主冷效率的提升。與常溫流體冷凝相比，低溫流體冷凝具有其特殊性，需要進行專門研究。已有的低溫冷凝實驗大多研究光管壁面的冷凝，缺少對主冷翅片通道內(nèi)冷凝的研究。為準(zhǔn)確描述翅片通道內(nèi)冷凝側(cè)低溫流體的兩相流動，需借助可視化的手段獲得不同的流型下傳熱與水力學(xué)特性。

(2)初步建立了一套可用于研究平壁表面及各種型號翅片通道內(nèi)冷凝過程的可視化實驗系統(tǒng)。重點解決了低溫高壓條件下的裝置密封以及漏熱問題。經(jīng)測試，實驗裝置運行穩(wěn)定，刀口法蘭密封良好，輻射漏熱較小，可以清楚地拍攝到壁面冷凝液氮的流動，并準(zhǔn)確采集相關(guān)數(shù)據(jù)，為進一步研究微小通道內(nèi)氮的冷凝兩相流動提供了參考。

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