板壳式冷凝器在冰水冷却条件下的热真空响应、运行边界特性及冰堵塞恢复情况

《International Journal of Refrigeration》：Thermal–vacuum response, operating boundary, and ice-blockage recovery of a shell-and-tube condenser under ice–water cooling

　　

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  在蒸汽-冷却水耦合冷凝器中测试了冰-水冷却效果。
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  为了评估冷凝器的稳定性，定义了一个临界稳定流速。
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  当提供足够的流量时，冰-水冷却保持稳定。
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  管子堵塞导致热真空性能明显下降。
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  利用回流辅助的疏通方法比局部加热效果更好。

引言

壳管式冷凝器在制冷和热系统中被广泛使用，其中稳定的冷凝和真空维持与冷却介质的温度、流量以及传热状态密切相关（Laskowski等人，2020年）。冰浆或冰-水混合物被认为是一种具有高冷却能力、潜热吸收量以及良好传热潜力的二次冷却介质（Ayel等人，2003年；Kauffeld和Gund，2019年；Wang等人，2019年）。这些特性为在高热负荷条件下改进冷凝器冷却提供了可能。然而，冰颗粒的引入也使得冷却过程不同于单相水冷却过程。当冰-水混合物通过壳管式冷凝器的进口集管和并行管束时，可能会发生颗粒传输、融化、相分布重新调整和局部积聚（Yang等人，2025年；Zhou等人，2024年）。这种局部颗粒积聚可能在冷凝器进口集管中形成易堵塞的条件，如图1所示。因此，在冷凝器中使用冰-水冷却时，必须同时考虑其传热潜力以及由此带来的颗粒引起的流量限制风险。

现有的冰浆研究主要集中在流动阻力、融化传热以及管道和典型冷却系统组件中的热液行为上。早期的实验研究了冰浆在管流中的传热和动量传递（Lee等人，2006年；Niezgoda-?elasko和Zalewski，2006a，2006b年），后来的研究进一步探讨了冰填充比例、流速和颗粒分布对传热特性的影响（Grozdek等人，2009年；Zhang和Shi，2015年）。数值研究也被用来描述水平管道和弯曲通道中的相变、颗粒传输和非均匀分布（Cai等人，2022年；Onokoko等人，2019年；Rezaei和Pakravan，2023年）。这些研究为冰浆传输和传热提供了重要的理解，但它们的研究对象主要是管道级或组件级的流动系统。

与此同时，关于冷凝器和壳管式换热器的研究通常评估冷却水侧的操作、冷凝传热、压降和结构效应（Kücük，2023年；Kücük等人，2019年；Pai和Yeh，2022年）。这些工作阐明了流量、通道尺寸和结构布置对常规工作流体条件下换热器性能的影响。然而，常规冷凝器研究中通常不涉及冰颗粒传输和局部富集现象。对于采用冰-水冷却的壳管式冷凝器，进口集管和并行管束结构可能会改变颗粒分布，进而影响真空度、内部温度和稳定运行。

尽管上述研究提供了有用的参考，但对于采用冰-水冷却的壳管式冷凝器来说，仍有几个问题尚未解决。真空度、内部冷凝器温度和表观传热响应的耦合变化尚未得到充分量化。仍然缺乏一个同时考虑真空和内部温度稳定性的系统级稳定流动边界。此外，冰颗粒积聚和部分管侧堵塞对冷凝器热真空性能下降的影响需要直接的实验证据。在本研究中，实验探讨了在不同入口水温、冰填充比例和部分管堵塞条件下壳管式冷凝器的热真空响应、稳定运行边界以及冰堵塞引起的性能下降。定义了一个临界稳定流速Q_cr,sys，并计算了表观传热率和表观总传热系数以量化稳定区域的响应。研究结果为在保持传热增强和堵塞风险平衡的同时将冰-水冷却应用于冷凝器系统提供了实验指导。为了明确起见，表1总结了代表性先前研究与本工作的主要区别。

章节摘录

实验装置

为了研究在不同冷却条件下的热真空响应和堵塞引起的冷凝器性能下降，开发了一个蒸汽-冷却水耦合测试系统。该系统包括一个蒸汽供应单元、一个减温降压单元、一个壳管式冷凝器、一个冷却水循环回路以及一个数据采集和控制单元。系统的示意图和物理布局分别如图2和图3所示。

在实验过程中，蒸汽流动...

纯水冷却下的基线响应

图5显示了在入口温度为0 °C、5 °C和22 °C时的纯水基线响应。如图5(a)所示，真空度随冷却水流量的增加而增加，并在高流量时达到一个稳定的平台值。在低流量下，冷却侧的散热不足限制了蒸汽的冷凝，导致真空度降低。表6显示，从真空响应中确定的临界稳定流速Q_cr,V分别为39.2、42.3和44.5吨/小时（对应0 °C、5 °C和22 °C的情况）。

结论

开发了一个蒸汽-冷却水耦合冷凝器测试系统，用于研究在纯水、冰-水和管堵塞条件下的热真空响应及堵塞引起的性能下降，并记录了观察到的冰堵塞事件期间的恢复响应。主要结论如下：

(1)

在纯水冷却下，冷凝器的真空度随冷却水流量的增加而增加，而内部冷凝器温度和冷却水进出口温度...

CRediT作者贡献声明

杨晓欣：撰写——原始草稿、验证、方法论、概念化。钱佐勤：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调。王强：撰写——审阅与编辑、资源协调、正式分析。周梅：软件开发、资源协调、数据管理。

Xiaoxin Yang|Zuoqin Qian|Qiang Wang|Mei Zhou