豎直環(huán)形流道內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱研究

孫立成，閻昌琪，曹夏昕

(哈爾濱工程大學(xué) 核能科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在進(jìn)行沸騰傳熱研究過程中，壁面的加熱方式一般有電加熱和流體加熱2種方式.電加熱方式采用電加熱元件對(duì)壁面進(jìn)行加熱，可以等效成等熱流的傳熱過程;流體加熱是利用對(duì)流方式對(duì)壁面進(jìn)行加熱，既不能作為等熱流方式來處理，也不能作為等壁溫的傳熱過程.Darabi等［1］對(duì)這2種加熱方法對(duì)傳熱特性的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，將不同學(xué)者得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比后得到:由于壁面上溫度曲線不同是造成這種差異的主要原因.并闡明邊界條件不同，傳熱特性也必然不同.

關(guān)于環(huán)形流道內(nèi)沸騰傳熱過程、形成機(jī)理和計(jì)算模型方面，SU［2-3］等進(jìn)行過較多研究.Hewitt［4］、Wolk［5］和Jayanti等［6］則對(duì)于流型的變化機(jī)理和判定方法進(jìn)行了深入研究.本文針對(duì)水加熱條件下的流動(dòng)沸騰傳熱特性進(jìn)行研究，并在可視化研究結(jié)果基礎(chǔ)上，闡明傳熱機(jī)理，構(gòu)建傳熱計(jì)算模型.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成.2組實(shí)驗(yàn)元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主體由B30管和石英玻璃管同心套裝構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)——水從下向上流經(jīng)兩管之間環(huán)形通道，并被內(nèi)管反向流動(dòng)的高溫水加熱.B30管的外徑為16 mm，石英玻璃管的內(nèi)徑有22和26 mm兩種，兩組元件的流道寬度分別為3和5 mm.實(shí)驗(yàn)段的總長(zhǎng)為1380 mm，有效換熱長(zhǎng)度為1350 mm.

一回路系統(tǒng)的工質(zhì)采用去離子水.水在加熱器內(nèi)加熱后，在水泵的驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)實(shí)驗(yàn)元件的內(nèi)管，同時(shí)和二回路水換熱后，回到鍋爐，完成一個(gè)循環(huán).實(shí)驗(yàn)元件二回路入口處的預(yù)熱器和一個(gè)自耦變壓器相聯(lián)，通過調(diào)整變壓器功率，可以保證二回路入口溫度為恒定值.二回路水首先經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱，而后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，被加熱到沸騰，最后在冷凝器冷卻后回到二回路水箱.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic of the test loop

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中具體的參數(shù)如下:

1)一回路

壓力:0.8 MPa，

體積流量:0.74～1.41 m3/h，

水溫:90～130℃.

2)二回路

壓力:0.1 MPa，

質(zhì)量流速:5 mm、16.8～55.3 kg/(m2s)，

3 mm、15.3～62.1 kg/(m2s)，

入口溫度:40、50、60℃.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流型

2種環(huán)隙中出現(xiàn)的流型主要有泡狀流、攪混流和攪混—環(huán)狀流，如圖3所示.泡狀流一般發(fā)生在過冷沸騰區(qū)域，大部分氣泡處在孤立狀態(tài)，氣泡之間互相干涉和聚合現(xiàn)象發(fā)生較少.在氣泡聚集的位置，流型轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚮炝鳎髁魉疁赝瑫r(shí)到達(dá)飽和點(diǎn).攪混流是3種流型中最重要的流型，幾乎占據(jù)了整個(gè)飽和沸騰區(qū)域.在實(shí)驗(yàn)段的上部，空泡份額較高，環(huán)狀流和攪混流會(huì)同時(shí)發(fā)生，經(jīng)常交織在一起，因此稱之為攪混－環(huán)狀流.

圖2 實(shí)驗(yàn)元件Fig.2 Test section

需要指出的是，2種環(huán)隙在由泡狀流向攪混流 過渡的位置呈現(xiàn)出一些不同之處.5 mm環(huán)隙，大量氣泡在轉(zhuǎn)變點(diǎn)聚集，并且聚集到一定程度才能發(fā)生流型的轉(zhuǎn)變，因此壁面溫度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，一般在1～3℃范圍內(nèi).3 mm環(huán)隙情況則不同，流型更容易從泡狀流過渡到攪混流，氣泡聚集后，流型立刻會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此氣泡的運(yùn)動(dòng)不易受阻，從而使得壁面的溫度升高幅度很小.一般轉(zhuǎn)變點(diǎn)的峰值不超過0.5℃.這一點(diǎn)可以從圖4上看出來，圖中的兩條曲線分別是2種環(huán)隙內(nèi)典型的壁溫隨熱流的變化曲線.

圖3 環(huán)隙內(nèi)的流型Fig.3 Flow patterns in the annuli

2.2 影響傳熱的幾個(gè)因素

圖5反映的是質(zhì)量流速對(duì)沸騰傳熱特性的影響，可以看出質(zhì)量流速對(duì)飽和沸騰區(qū)域幾乎沒有影響，但對(duì)單相和過冷沸騰的傳熱卻有很大的影響.這一點(diǎn)和電加熱時(shí)的情況相似，提高流速，可以增強(qiáng)單相對(duì)流換熱.

圖6給出的是對(duì)應(yīng)3個(gè)入口過冷度的沸騰傳熱特性曲線，入口過冷度分別為 60.38、50.28和40.89℃，入口過冷度為40.89℃時(shí)的傳熱強(qiáng)度低于另2種情況.增加過冷度雖然可以提高換熱強(qiáng)度，但是并不是過冷度越高越好，入口過冷度為50.28℃時(shí)的傳熱特性略好于入口過冷度60.38℃時(shí)的情況.圖7中除了3和5 mm環(huán)2條傳熱曲線外，還包含0.9、1.4和2.4 mm 3種環(huán)隙的傳熱曲線.其中2.4和3 mm環(huán)隙的傳熱特性要好于0.9和5 mm，可以看出適當(dāng)?shù)臏p少環(huán)隙寬度可以使傳熱增強(qiáng)，但是當(dāng)環(huán)隙寬度過小時(shí)，使強(qiáng)化作用減小.

圖5 質(zhì)量流速對(duì)傳熱的影響Fig.5 Effect of mass flux on boiling heat transfer

圖6 入口過冷度對(duì)傳熱的影響Fig.6 Effect of subcooling on boiling heat transfer

圖7 環(huán)隙寬度對(duì)傳熱的影響Fig.7 Effect of annulus width on boiling heat transfer

3 傳熱模型

3.1 攪混流的形成機(jī)理

本文的可視化研究結(jié)果表明，攪混流是環(huán)隙內(nèi)最主要的流型，幾乎占據(jù)了整個(gè)飽和沸騰區(qū)域，因此建立傳熱模型前需要確定攪混流的形成機(jī)理.Hewitt等［4］的可視化研究結(jié)果表明:攪混流在本質(zhì)上和環(huán)狀流具有相似的本質(zhì)，在流道中心有連續(xù)的氣芯，在壁面上存在流動(dòng)的液膜.Levy［7］將攪混流歸結(jié)為環(huán)狀流的一種;Wolk［5］和Jayanti等［6］根據(jù)液泛原理給出了比較準(zhǔn)確描述從彈狀流向攪混流過渡的判定公式.Su等［2-3］對(duì)于窄環(huán)形通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰計(jì)算也是以環(huán)狀流為基礎(chǔ).可以看出，一方面可以看出攪混流具有環(huán)狀流的特點(diǎn)，另一方面液泛現(xiàn)象是其形成的機(jī)理.因此，本文的傳熱模型結(jié)合環(huán)狀流模型、液泛原理和紊流理論建立.

穩(wěn)流液膜的傳熱方程［8］可以寫為

其中渦熱擴(kuò)散率εh可以由下面的公式計(jì)算［9］:

環(huán)狀流液膜動(dòng)量方程:

不考慮液體夾帶的情況下，氣相的動(dòng)量方程:

由式(4)得到液膜內(nèi)某一位置的切應(yīng)力為

根據(jù)

由式(6)和式(7)得到

對(duì)于壁面切應(yīng)力，Sawai等［10］根據(jù)液泛原理得到

液體夾帶率的計(jì)算:

3.2 模型計(jì)算結(jié)果分析

圖8 5 mm流道實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of 5 mm annulus between model results and experimental data

圖9 3 mm流道實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of 3 mm annulus between model results and experimental data

根據(jù)上節(jié)的模型，編制程序進(jìn)行了求解.式(9)～(12)計(jì)算壁面切應(yīng)力，式(11)計(jì)算液膜內(nèi)的速度梯度，式(2)、(3)計(jì)算渦熱擴(kuò)散率.圖8和圖9分別是5 mm和3 mm環(huán)形流道的模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，可以看出，5 mm流道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算結(jié)果之間相差幾倍之多，但是在變化趨勢(shì)上卻非常相似;3 mm流道模型與計(jì)算結(jié)果之間相差更大.造成這些偏差的原因主要因?yàn)槟Ｐ椭斜诿媲袘?yīng)力和液膜厚度的計(jì)算公式都是從普通圓管中得到的經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)用于尺度相對(duì)較小的環(huán)型流道時(shí)的適用性不好，另一方面攪混流本身是一個(gè)非常復(fù)雜的不穩(wěn)定過程，對(duì)其發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)還需要進(jìn)一步深入研究.

4 結(jié)束語

可視化研究表明:在3 mm和5 mm流道內(nèi)的流型主要有泡狀流、攪混流和攪混-環(huán)狀流3種，而其中攪混流是最重要的一種流型，幾乎占據(jù)了整個(gè)飽和沸騰區(qū)域;在流型從彈狀流向攪混流轉(zhuǎn)變時(shí)，3 mm流道內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)不易受阻，更容易發(fā)生流型的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變點(diǎn)位置的壁溫峰值低于5mm流道;攪混流具有環(huán)狀流的本質(zhì)特征，其形成機(jī)理可以由液泛原理來解釋，因此在傳熱模型中引入此模型，可以使模型更加合理.

附錄

Cpl比熱，J·kg－1·℃－1;u*摩擦速度，m·s－1;

tw壁溫，℃; tb氣泡周期，s;

tl水溫，℃;

jg氣相折算速度，m·s－1;

jl液相折算速度，m·s－1;

kl水的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m－1·℃－1;

FwL由壁面切應(yīng)力導(dǎo)致的壓降體度，Pa·m－1;

β液體夾帶率; τ切應(yīng)力Pa;

τw壁面切應(yīng)力，Pa; ρl水密度，kg·m－3;

ρg氣密度，kg·m－3; υ運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s－1.

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