管翅式换热器表面凝结水析出和运动有何特性？

    

    为了解管翅式换热器翅片表面凝结水析出和运动特性，本文我们选取三种翅片材质形式的管翅式换热器，从凝结水脱落直径和冲刷周期两个角度对翅片表面凝结水的析出特性进行分析。为析湿工况下的管翅式换热器设计入口空气流速提供参考。

 

 

 

 

1、翅片表面凝结水的几何形貌及运动特性

           

利用换热通道测试实验台，结合研究内容，对三种不同翅片材质的典型翅片表面凝结水的几何形貌及运动特性进行了研究。

图 4.1 为入口空气相对湿度 50% ，入口空气流速 2.0m/s ，入口空气温度 27 ℃，进口水温 12 ℃条件下，铜翅片管翅式换热器翅片表面凝结水的几何形貌特性以及凝结水在翅片表面的运动轨迹特性。

从图中可以看出，在给定实验工况条件下，铜翅片表面凝结水首先出现在空气绕流圆管的翅片区（见图 4.1.a-b ），来流空气中的水蒸汽逐渐在翅片表面析出成微小珠状水滴。随着接触时间加长，微小的珠状水滴逐渐增大（见图 4.1.c ），当水珠体积逐渐增大时，该珠状水滴与邻近的水珠逐渐融合为一体（见图 4.1.d ），又因翅片表面水蒸汽的分压力小于来流空气中水蒸汽的分压力，从而提供了水蒸汽继续凝结的驱动力，使水珠的体积进一步增大。

当析出的水滴受翅片的附着力大于空气外扰产生的拖曳力和水滴的重力作用时，凝结的水滴仍能完好的附着在翅片表面，逐渐形成扁平半球状（见图 4.1.e-g ）。当翅片表面析出的凝结水在重力与拖曳力的合力大于凝结水在翅片上的附着力时，凝结水会逐渐在翅片表面滑动，在下滑过程中逐渐融合与其相接触的水滴，排出翅片（见图 4.1.h ）。随后，排出凝结水滴的翅片区域又将进行新一轮的凝结水析出过程。

图 4.2 为入口空气相对湿度 50% ，入口空气流速 2.0m/s ，入口空气温度 27 ℃，进口水温 12 ℃条件下，铝翅片管翅式换热器翅片表面凝结水的几何形貌特性以及凝结水在翅片表面的运动轨迹特性。通过实验发现相同实验工况下铝翅片管翅式换热器和铜翅片管翅式换热器具有类似的凝结水析出过程，同样经历了核化、生长、合并和排出翅片表面的过程（如图 4.2.a-h ），并呈现为珠状凝结。

图 4.3 为入口空气相对湿度 50% ，入口空气流速 2.0m/s ，入口空气温度 27 ℃，进口水温 12 ℃条件下，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器翅片表面凝结水的几何形貌特性以及凝结水在翅片表面的运动轨迹特性。

从图中可以看出，附带亲水层的铜翅片表面凝结水也是首先出现在空气绕流圆管的翅片区域（见图 4.3.a-c ），来流空气中的水蒸汽逐渐在翅片表面析出，并呈现膜状（见图 4.3.d ）。随着接触时间加长，微小的凝结水膜逐渐增大并与邻近的凝结水膜逐渐融合为一体，使凝结水膜的面积逐渐增大（见图 4.3.e ），且凝结水膜的厚度逐渐增大，当翅片表面析出的凝结水在重力与拖曳力的合力大于凝结水在翅片上的附着力时，凝结的水膜会逐渐在翅片表面滑动（见图 4.3.f-g ），并逐渐融合与其相接触的水膜，排出翅片（见图 4.3.h ）。随后，排出凝结水的翅片区域又将进行新一轮的凝结水析出过程。

通过以上三种不同翅片材质的典型翅片表面凝结水的几何形貌及运动特性，我们发现铜翅片管翅式换热器和铝翅片管翅式换热器翅片表面析出的凝结水呈现为珠状凝结，整个析出过程主要呈现核化、生长、合并和脱落的周期性变化。

 

2、入口空气流速对翅片表面凝结水析出特性的影响

           

2.1 凝结水的脱落直径

图 4.4 为入口空气相对湿度 50% ，入口空气温度 27 ℃，进水温度 12 ℃，工况稳定 300s 时间内，不同入口空气流速条件下的三种不同材质的管翅式换热器翅片表面冷凝液滴几何形貌图片。

从图片中我们可以直观的发现：不同材质的换热器翅片表面产生的凝结水脱落直径的大小各不相同，且铜和铝材质翅片表面凝结水呈现为扁平椭球型，而附带亲水层的铜翅片表面凝结水呈现为不规则的液膜。

从图中可以看出，随着入口空气流速的增加，三种不同材质的换热器翅片表面的凝结水脱落直径逐渐减小。具体脱落直径的大小见图 4.5 ，并对其进行分析。

为了保证凝结水脱落直径的准确性，从实验所拍摄的大量图片中，每个工况在拍摄区域内选取十个临界状态的凝结液进行测量并进行统计分析。不同入口空气流速条件下的铜翅片、铝翅片和附带亲水层的铜翅片表面凝结水脱落直径统计分别如表 4.1 、 4.2 和 4.3 所示。

图 4.5 为入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，入口相对湿度为 50% 时，入口空气流速变化对不同材质管翅式换热器翅片表面凝结水脱落直径的影响。

由图 4.5 可知，随着入口空气流速的增加，三种不同翅片材质的管翅式换热器翅片表面的凝结水脱落直径皆呈逐渐减小的趋势。在相同的入口空气流速条件下，附带亲水层的铜翅片表面凝结水的脱落直径最大，铝翅片表面凝结水的脱落直径次之，铜翅片表面凝结水的脱落直径最小。

2.2 翅片表面凝结水的冲刷周期

图 4.6 为入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，入口相对湿度为 50% 时，入口空气流速变化对不同翅片材质管翅式换热器冲刷周期的影响。

由图 4.6 可知，随着入口空气流速的增加，三种不同材质的换热器翅片表面凝结水的冲刷周期逐渐变长，在相同的入口空气流速条件下，附带亲水层的铜翅片表面凝结水的冲刷周期最长，铝翅片表面凝结水的冲刷周期次之，铜翅片表面凝结水的冲刷周期最短。

当凝结水达到脱落直径时会脱落并冲刷翅片表面，促使冷凝表面的更新循环，加速冷凝过程的进程，从而增加冷凝传热的效果，所以冲刷周期越短，冷凝表面更新循环的速度越快，冷凝传热的效果越好。由此可见在相同的入口空气流速条件下，铜翅片管翅式换热器的传热效果最好，铝翅片管翅式换热器传热效果次之，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器传热效果最差。

 

3、入口相对湿度对翅片表面凝结水析出特性影响

           

3.1 凝结水的脱落直径

图 4.7 为入口空气流速为 2.0m/s ，入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，工况稳定为 300s 时间内，不同入口相对湿度条件下选取的三种不同翅片材质的管翅式换热器翅片表面凝结水的几何形貌图片。从图中我们可以直观的发现，随着入口相对湿度的增加，两种不同材质的换热器翅片表面的凝结水直径几乎没有变化。具体凝结水直径的大小见图 4.8 ，并对其进行分析。

不同入口相对湿度条件下的铜翅片、铝翅片和附带亲水层的铜翅片凝结水脱落直径统计分别如表 4.4 、 4.5 和 4.6 所示。

图 4.8 为入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，入口空气流速为 2.0m/s 时，入口相对湿度变化对不同材质管翅式换热器翅片表面凝结水脱落直径的影响。由图 4.8 可知，随着入口相对湿度的增加，三种不同翅片材质的管翅式换热器翅片表面的凝结水直径大小几乎没有变化。

在相同的入口相对湿度条件下，附带亲水层的铜翅片表面凝结水的脱落直径最大，铝翅片表面凝结水的脱落直径次之，铜翅片表面凝结水的脱落直径最小。这是由于附带亲水层的铜翅片表面产生的凝结水为膜状凝结，在相同的实验工况条件下，其铺展面积较大，使凝结水的脱落直径变大。

3.2 翅片表面凝结水的冲刷周期     

图 4.9 为入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，入口空气流速为 2.0m/s 时，入口相对湿度变化对不同材质管翅式换热器冲刷周期的影响。由图 4.9 可知，随着入口相对湿度的增加，三种不同材质的换热器翅片表面凝结水的冲刷周期逐渐变短。

在相同的入口相对湿度条件下，铜翅片管翅式换热器的传热效果最好，铝翅片管翅式换热器传热效果次之，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器传热效果最差。

4、入口空气温度及相对湿度对临界空气流速的影响

           

析湿工况下，翅片表面析出的凝结水与空气流之间会产生相对运动，当空气流速足够大时，翅片表面上凝结的水滴还会被空气带走，产生凝结水夹带（如图 4.10 所示）。

根据本课题的研究内容，在实验中着重考察了入口空气温度和空气相对湿度对凝结水脱离翅片表面临界空气流速的影响。三种翅片形式不同参数条件下凝结水脱离翅片表面的临界空气流速如表 4.7 所示。

在相同的入口空气温度和相对湿度条件下，附带亲水层的铜翅片表面的临界空气流速＞铝翅片表面的临界空气流速＞铜翅片表面的临界空气流速。

提高入口空气相对湿度增加了管翅式换热器翅片表面的阻力，使凝结水脱离翅片表面的临界空气流速增加。从表中可以发现，在不同参数条件下凝结水脱离翅片表面的临界空气流速都不超过 4.00m/s 。

 

5、本章小结

           

本章主要利用换热通道测试实验台，结合研究内容，对三种不同翅片材质的典型翅片表面凝结水的几何形貌及运动特性进行了研究并对不同参数条件下凝结水脱离翅片表面的临界空气流速进行研究。对于三种不同翅片材质的典型翅片表面凝结水的几何形貌及运动特性，通过拍摄大量可视化凝结水图像，分别从凝结水的脱落直径和冲刷周期两个角度进行分析发现：

（ 1 ）随着入口空气流速的增加，翅片表面凝结水的脱落直径逐渐减小。当入口空气流速为 4.0m/s 时，凝结水的脱落直径最小，铜翅片、铝翅片和附带亲水层的铜翅片表面凝结水的脱落直径分别为 0.18mm 、 0.2mm 和 0.239mm 。

（ 2 ）随着入口空气流速的增加，翅片表面凝结水的冲刷周期逐渐变长。入口空气流速为 4.0m/s 时的冲刷周期与 1.0m/s 时相比，铜翅片、铝翅片和附带亲水层的铜翅片表面的冲刷周期分别增加了 111s 、 190s 和 207s 。

（ 3 ）随着入口相对湿度的增加，翅片表面凝结水直径变化很小。铜翅片、铝翅片和附带亲水层的铜翅片表面凝结水的脱落直径平均值分别为 0.274mm 、 0.298mm 和 0.324mm 。

（ 4 ）随着入口相对湿度的增加，翅片表面凝结水的冲刷周期逐渐变短。入口相对湿度为 80% 时的冲刷周期与 40% 时相比，铜翅片、铝翅片和附带亲水层的铜翅片表面凝结水的冲刷周期分别减小了 350s 、 376s 和 354s 。

（ 5 ）通过对不同参数条件下凝结水脱离翅片表面的临界空气流速研究发现，入口空气流速和入口相对湿度增加都会使临界空气流速增加，最大临界空气流速出现在入口空气温度为 35 ℃，入口相对湿度为 80% 时附带亲水层的铜翅片表面，最大临界空气流速为 3.87m/s ，即在给定工况下，临界空气流速不超过 4.00m/s 。

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