张威

摘 要：介紹了凝结流动的研究现状，对两相流动的处理方法，以及目前国内外采用的管内外的凝结换热强化方法，为热交换器凝结换热强化方法的研究提供技术支撑。

关键词：凝结流动 强化方法

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中，经常可以看到各种换热器，且它们说上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强，特别是对换热器的研究必须满足各种特殊情况和苛刻条件的要求，对它的研究就显得更为重要。

在海水淡化、空调制冷等领域中，有大量管内蒸汽的冷凝换热设备，其投资占总投资的比例很大，因此强化凝结换热有着重要的意义。蒸汽在物体表面凝结主要有两种形式：膜状凝结和珠状凝结。由于膜状凝结在壁面上形成完整的液膜，此时凝结是放出的潜热必须通过液膜才能传给温度较低的壁面；珠状凝结时，换热是蒸汽与液珠表面和蒸汽与冷壁间进行的，所以膜状凝结要比珠状凝结传热系数低。

由此可见，凝结换热的热阻主要是凝结液膜的表面，为了提高换热效率，关键是设法减薄液膜层的厚度，加速它的排泄，促进珠状凝结。提高凝结换热系数的主要措施有：采用粗糙表面、采用各种形式的强化传热管。近几年，我国研制出了螺纹管、螺旋槽管、波纹管、翅片管、管内插入扰流子等形式的强化传热元件。

1、凝结流动的研究现状

在能源、制冷、化工、航天、冶金等行业中，气液两相流及其相变传热都是一门重要的学科。同时，在两相流中，气液两相流也是最复杂的流动，气液两相流体在绝热或受热管道中流动时，因压力、流量、热流密度和管道几何形状的不同会形成各种流动结构形式，简称流型，因此研究气液两相流首先要研究其流型。气液两相流体在水平管中流动时流型分为6种：细泡状流型、气塞状流型、分层流型、波状分层流型、气弹分层流型、环状流型。

管道中气液流动的流动形态是根据实验得到的流型图来判别的。目前运动最多的是Baker流型图及对Baker流型图来判别水平管道流型[1]。气液两相流动最基本的流动模型有两种：一种是分相流动模型，一种是均相流动模型。

对两相流动的处理方法有三种：理论分析法、半经验法、经验法。理论分析法是根据各种流动形态的特点，利用流体力学方法将其流动特性进行理论分析，进而建立起描述这一流动过程的关系式。半经验方法是从两相流动的基本方程出发，根据所研究的两相流动过程的特点，采用适当假设和简化，求得描述这一流动的函数式，然后利用实验方法确定出式中的经验系数。经验方法是通过实验研究，将采集的数据拟合成经验关系式。目前，大部分采用的是半经验法和经验法。

2、凝结换热的强化方法

2.1管外的凝结换热强化

强化管外凝结换热的方法有很多，主要有：粗糙表面法、采用各种形式的强化传热管、静电场法、表面振动法、抽压法等，其中采用强化传热管应用最广，低肋管是应用最早的一种冷凝传热强化管。随着技术的不断发展，异形管的开发和应用已走向成熟。比如常用的异形管主要有：螺旋槽管、花瓣形翅片管、螺旋扁管、锯齿形翅片管等，许多专家学者对异形管的管外凝结换热进行了研究。

许多学者对肋管上冷凝传热系数的计算模型进行了对比分析[2～3]。计算相同工质在不同模型下的冷凝换热系数，其中Sardesia模型的计算最精确，Beatty-Katz模型次之。

Belghazi M.等[4]在Rudy-Webb模型基础上，建立了适用于3D肋管的经验模型。Yun R、Nguyen T.N.等学者研究了3D肋管的凝结换热特性。对三种典型的三维肋管进行管外凝结换热实验，实验结果表明三维肋管的强化凝结换热效果更好。

Belghazi等对Gewa-C管的冷凝传热特性进行了实验分析，实验测试了R134a和R23/R134a混合物在Gewa-C管外的冷凝传热系数，实验结果表明Gewa-C管相比于翅片管冷凝传热系数提高了30%。

螺旋槽管对管内外凝结传热均能起到显著的强化效果。螺旋槽管的凹凸曲面使得凝结液在表面张力的作用下易于排泄。中国海洋大学王欣[5]对水平螺旋槽管壁面液膜的形成机理及流动特性进行了研究。结果表明，与光管相比，螺旋槽管表面的液膜变薄且分布变均匀，且随着螺旋角的增大，壁面上各处的液膜分布越均匀。在浅槽范围内，槽道越深，槽道跨度越小，液膜分布越均匀，分布特性越好。当螺旋槽管表面为多槽道时，各槽道间发生流体相互掺混，因此液膜分布特性比单槽道好。

2.2管内的凝结换热强化

与管外凝结换热一样，强化管内凝结的方法多种多样，采用强化管也是强化管内凝结的有效手段，因此许多学者对不同形式的内表面强化管进行了大量的研究。强化管内冷凝传热的管型主要有：内螺纹管、内螺旋翅片管、螺旋槽管等。除了高效强化管，管内插入物也是强化管内凝结的常用技术之一。管内插入物的类型有很多，主要有：螺旋线圈、螺旋片、麻花铁、螺旋带、扭带和静态混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可有四种：（1）形成旋转流；（2）破坏边界层；（3）中心流体与管壁流体产生置换作用；（4）产生二次流。

J.C.Chato等在特定条件下，对比分析了光管、轴向槽管、螺旋槽管和18°螺旋角管的传热特性和压降特性。当蒸汽流量较小时，换热特性为：18°螺旋角管>轴向槽管>光管；当蒸汽流量较大时，换热特性为：轴向槽管大于光管和螺旋槽管。同时分析了不同流量状态下不同管子的适用性，大流量时微肋管更适用，小流量时交叉管更适用。同时还分析比较了不同管子的换热特性，扁平管与18°螺旋角管的换热特性最好，光滑管和轴向微肋管的换热特性水平相似。

交叉沟槽管也是一种高效冷凝换热管，它是在原内螺纹管内又开出一条鱼原抓旋沟槽旋向垂直的螺纹沟槽。与内螺纹管相比交叉沟槽管的换热系数提高40%，而阻力仅仅增加6%～10%[6]。endprint

清华大學的谢旭斌[7]等开发出一种新型强化管。新型强化管分别为DAE-2管和DAEC管，该管具有阻力小、质量请、传热性能好等特点，DAE-2管目前已被广泛用于制造国产冷水机组的换热器。DAE-2管为波纹状单螺旋内槽管。管内表面加工有螺旋微槽，且在管外轧有一条大螺纹，DAEC管为波纹状交叉螺旋内槽管。

综上所述，在气液两相沸腾实验方面，国内外学者主要从换热机理出发，通过改变管束结构尺寸、流量、入口干度、雷诺数、温度、压力等参数进行比对实验，在实验数据分析的基础上提出相应实验范围内的准则关联式和修正关联式。同样为工业换热器的设计、制造、运营等提供理论支撑。

3、小结

从气液两相流凝结换热的强化研究来看，国内外学者都通过实验和计算两方面，基于流动和沸腾机理进行实验或理论研究。通过改变一系列可能影响实验特性的基本参数质量含气率、系统压力、质量流量、换热器结构、温度、孔隙率、换热器径向距离进行实验，进行分析对比得到相应的变化规律和理论。但是彼此之间存在着许多不同意和误差，所得的结论或者计算公式也有一定的局限性，这很大一部分是由于实验条件的限制以及实验数据库的匮乏造成的，所以继续扩张实验基本参数范围，研究分析更多可能的影响因子，才能推动整个两相流领域的发展。

参考文献

[1]M Acikgoz，F Franca，RT Lahey.An experimental study of three-phase flow regimes[J].International Journal of Multiphase Flow，1992，18（3）：327-336.

[2] A Cavallini，G Censi，DD Col，et al. Condensation inside and outside smooth and enhanced tubes -a review of recent research[J].International Journal of Refrigeration，2003，26（4）：373-392.

[3] Duane L，Randall，Steven J. Eckels.Effect of Inundation Upon the Condensation Heat Transfer Performance of R-134a： Part II—Results （RP-984）[J].HVAC&R Research，2005，11（4）：543-562.

[4] M Belghazi，ABontemps，C Marvillet.Condensation Heat Transfer on Enhanced Surface Tubes： Experimental Results and Predictive Theory[J].Journal of Heat Transfer，2002，124（4）：754-761.

[5]王欣，梅宁，陆建辉.水平螺旋槽管壁面液膜特性的研究[J].热科学与技术，2004，3（1）：29-33.

[6] Cavallini A，Del Col D， Doretti L，et al.Heat transfer and pressure and pressure drop during condensation of refrigerants inside horizontal enhanced tubes[J].International Journal of Refrigeration，2000，23（1）：4-25.

[7] 谢旭斌，王维成.高效传热管内凝结换热性能及阻力性能的实验研究[J].工程热物理学报，2000，21（6）：742-745.endprint