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钢螺旋槽管冷凝换热的研究与应用
江海1，曾东平1，邓东海2，梁平2，龙新峰3，庄礼贤3，陈广怀3
螺旋槽管具有轧制方便、传热系数高、流速大于1．5 m／s时抗结垢能力强等优点，被广泛应用于各种工业领域。纵观螺旋槽管强化传热的研究成果可以看到，螺旋槽管单相强化传热的研究和应用已日趋成熟，但涉及相变的强化传热机理和工业应用仍需进一步研究。
为防止锅炉中换热材料碳钢发生腐蚀而影响机组的安全运行，锅炉给水pH值不应小于9.5，目前普遍采用的方法是在锅炉给水中加氨和联氨［1］。当pH值在8.5～8.8时，对铜的腐蚀率最低。为了兼顾锅炉给水系统中的铜材和锅炉中的钢质材料的防腐，锅炉给水系统的pH值一般控制在8.5～9.3之间（目标值为9）。但在此条件下运行仍有少量的铜离子和铁离子从该系统中析出，这些离子会在锅炉给水系统和锅炉水冷壁管子内沉淀结垢，造成阴阳极电解腐蚀。如果实现锅炉给水无铜化运行，可以提高pH值，从而有效地控制铁离子析出，消除电解腐蚀，降低锅炉给水系统结垢速度，提高机组安全运行的可靠率［2，3］。
钢管的导热系数比铜管低，改用钢光滑管后，不增加换热面积就无法达到原有热负荷。如1台传热面积为340m2的铜质低压加热器，换用钢管后，要维持原有热负荷，传热面积需增加至390 m2。因此，如不采用强化传热技术，回热加热器就无法利用钢质管替代铜质管来达到现有的换热能力，并且，回热加热器管内给水对流换热系数与管外蒸汽凝结换热系数相当，因此单纯地强化任一侧的换热，其强化效果不佳。钢质螺旋槽管是目前能够加工的、可同时强化管外凝结换热和管内对流换热的一种优秀强化管型。
本文对钢螺旋槽管、铜螺旋槽管、铜光滑管和钢光滑管进行了传热性能的基础实验和工业试验，论证了在高压加热器上采用钢质螺旋槽管替代铜光滑管是完全可行的。这不仅能保证原有热负荷，其换热强度还有所提高。因此，可以采用钢螺旋槽管替代高压加热器的铜光滑管，以实现锅炉给水系统无铜化运行的要求。
1 试验装置和方法
试验装置如图1所示，主要包括蒸汽回路、冷却水回路、锅炉和恒温冷却水浴加热控温系统、测量与监视系统。其中温度的测量采用0．3 mm的铜－康铜热电偶，由石英温度计在水浴中进行标定，精度可达到0．02℃，并以精密数字电压表显示。冷却水流量由转子流量计测量，流量计量程为100～1 000 L／h。试验管管内流体压降采用水银压差计测量，误差不超过133．3 Pa。通过凝结液计量筒测量凝结液体积，再查表获取对应凝结温度下凝结液的密度和汽化焓，进一步计算出凝结热作为总传热量的参考值。
恒温电热水槽的冷却水由离心清水泵输送并经转子流量计测定其流量，铜－康铜热电偶测定其入口温度后由下进入试验管的管程，使管外水蒸气凝结，然后经出口铜－康铜热电偶测定其温度后回流到恒温槽继续循环使用。
锅炉产生的水蒸汽经进口的铜－康铜热电偶测定蒸汽温度后由上进入试管的壳程，在壳程内凝结换热后变成热水，然后经疏水器进入凝结液计量筒。锅炉的蒸汽温度由恒温控制仪控制，凝结液的液态由视镜观察。
为了便于比较，本研究对钢光滑管、钢螺旋槽管、铜光滑管和铜螺旋槽管进行了传热性能的基础试验。试验的结构参数如表1所示。
2 试验结果及分析
2．1 钢质光滑管与铜质光滑管换热特性的差别
由于钢的导热系数36 W／（m·K）－1比铜的导热系数111 W／（m·K）－1低得多，用于加工钢螺旋槽的钢光滑管管壁比铜光滑管管壁厚，所以钢光滑管的总换热系数比铜光滑管低得多。图2给出了这两种管子总换热系数K与管内雷诺数Re的关系曲线。
管内流体的雷诺数Re由以下方程计算：
Re＝ρDivi／η．
式中 ρ———物性密度；
η———动力粘度；
vi———管内流速。
ρ和η通过查冷却水进出口对数平均温差表求取。
总传热系数K由传热方程求出：
K＝Q／（AiΔtm）．
式中 Ai———内表面积；
Q———总传热量；
Δtm———对数平均温差。
Ai作为计算总传热系数的基准；Q以管内冷却水吸热量来计算，并以管外蒸汽凝结放热量考察其可靠性；Δtm由测量的蒸汽温度与冷却水的进出口温度计算。
由图2可看出，钢光滑管总换热系数只有铜光滑管的85％～90％。所以，如果采用钢质材料替代电站高压加热器原有的铜质换热材料，唯有采用强化换热技术才能保证其原有的换热能力。
2．2 钢螺旋槽管换热特性及管内压降
图3给出了各试验管总换热系数与管内雷诺数的关系曲线，用来评价钢螺旋槽管的换热特性。由图3可知，钢螺旋槽管总换热系数略高于铜光滑管，所以采用钢螺旋槽管替代电站高压加热器原有铜光滑管是可行的。定量比较表明，钢螺旋槽管总换热系数比钢光滑管提高10％～17％。
强化管的另一个重要特性参数是管内流动压降，如果强化管管内压降比其光滑管大得多，即使具有较大的换热系数，也难有工业应用基础。图4给出了管内压降与管内雷诺数的关系，螺旋槽管管内压降大约为光滑管的1．35～1．75倍，这在电站是可以接受的。
2．3 螺旋槽管换热机理
钢螺旋槽管具有同时强化管内对流换热与管外冷凝换热的功能。作为一种强化管型，其管内对流换热的强化已被广泛研究。Newson指出：流体沿着螺旋槽流动，管壁的相对速度将会提高，其与管壁的换热速率将会加大［4］。另外，李向明利用氢气泡示踪实验观察到：在螺旋肋之间将会发生边界层分离流［5］。根据以上作者的研究，螺旋槽管管内发生的螺旋流与边界层分离流是其管内对流换热强化的机理。
由于螺旋槽管管外蒸汽凝结过程是膜状凝结，凝结传热热阻主要来自于壁面上的凝结液膜。螺旋槽管能使冷凝液表面张力在螺旋肋峰和肋谷之间形成一定的压力梯度，把肋峰上的冷凝液引向肋谷，再因重力的作用沿螺旋槽下落。这样，在肋峰两侧上的冷凝液膜就会变得极薄，使这些表面的传热热阻明显降低，因此这种减小厚度或消除冷凝液膜的方法可使膜状凝结接近于珠状凝结，显著提高管外的凝结换热系数。
由此可见，表面张力的大小对螺旋槽管凝结换热有相当重要的影响，尤其是当凝结热负荷不很大，或当下排螺旋槽管未被凝液淹没时。为表示这种影响，在螺旋槽管管外凝结换热的拟合式中引入了以单位重力为基准的表面张力作用系数βσ：
式中 Δp———槽顶至槽谷之间的压力差；
γ———液膜重度；
l———槽顶至槽谷之间螺旋槽管的表面长度；
σ———液膜表面张力系数；
r1———槽顶的曲率半径；
r2———槽谷的曲率半径。
文献［6］根据E．Bukingham定律，由π定理拟合得到已考虑表面张力作用系数βσ的螺旋槽管管外蒸汽凝结换热准则方程：
式中 C0———凝结准数；
Res———膜层雷诺准数；
Pr———普朗特准数；
Ga———伽利略准数；
h———螺旋槽深度；
p———凝结蒸汽压力；
di———螺旋槽管内径。
该式适用范围：2×104≤Re≤4×104，0．455≤p／di≤0．909，0．018≤h／di≤0．045，误差为±10％，且当130≤Re≤300时，误差为±20％。
3 工业试验
我们在1台12．5 MW机组的高压加热器上，采用钢螺旋槽管替代了原有的铜光滑管，其结构参数和试验结果如表2、表3所示，其中铜光滑管的数据是根据过去运行记录整理的。
由表2可以看出，在1．5 h的6次测试中，钢螺旋槽高压加热器总传热系数的值在3～3．75 k W／（m2·K）之间，并随抽汽压力的波动而波动，其总传热系数的平均值为3．623 k W／（m2·K），是铜光滑管总传热系数3．342 k W／（m2·K）的1．08倍。照此计算，钢螺旋槽管高压加热器不仅能保证原有热负荷，并能进一步提高给水出口温度，降低煤耗，节约能量。
4 结论
a）由传热特性试验与管内压降基础试验可知，钢螺旋槽管总换热系数略高于铜光滑管，且管内流体压降可被电站接受。
b）工业现场试验结果表明，在高压加热器中用钢螺旋槽管替代原有的铜光滑管，其总传热系数提高约8％。这不仅保证了原有热负荷，实现了锅炉给水系统无铜化运行的要求，还能进一步提高给水出口温度，提高机组效率，降低煤耗。
c）螺旋槽管管内的螺旋流与边界层分离流是其管内对流换热强化的机理，管外表面张力促使冷凝液膜在管外换热表面的重新分布是其冷凝换热的强化机理。
参考文献：
［1］ 梁平．小螺旋角的内外三角翅片管强化电站高压加热器的实验研究［J］．动力工程，1998，15（1）：48—54．
［2］ 梁平，庄礼贤．带有小螺旋角的内外螺旋翅片管高压加热器的工业实验［J］．热能动力工程，1998，13（2）：104—107．
［3］ 梁平．内外螺旋三角翅片管强化电站立式高压加热器的实验及理论研究：［学位论文］［D］．广州：华南理工大学，1998．
［4］ Ne wson I H，Hodgson T K．The develop ment of enhancedheat transfer tubing［A］．Fresh Water fro m the Sea［C］．［s．l．］：［s．n．］，1973．69—94．
［5］ Li X M．Investigation on tube－side flo w visualization，fric－tion factors and heat transfer characteristics of helical－ridging tubes［A］．Proceedings of the 7th International Heat Transfer Conference［C］．Grigull：［s．n．］，1982．75—80．
［6］ 吴慧英，帅志明．螺旋槽管凝结换热器的研究与应用［J］．热能动力工程，1997，12（5）：327—329．
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