空氣對水平管內蒸汽強制對流冷凝換熱特性的影響

徐慧強，孫中寧，谷海峰，李昊

(哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

新型三、四代核電技術中為避免在核電站發生LOCA以及主蒸汽管道破裂等嚴重事故下，安全殼因超壓而發生破損的情況出現，設計了非能動安全殼冷卻系統(possive containment cooling system，PCCS)。通過該系統內設置的冷凝器使安全殼內含不凝性氣體的高溫蒸汽發生冷凝，從而最終實現安全殼的減壓降溫，確保其完整性不受破壞［1－2］。目前大多數PCCS系統主要使用豎直管換熱器，但是由于水平管冷凝器具有更強的換熱能力，更高的耐壓效果［3］，在沸水堆ABER－Ⅱ的PCCS系統設計中采用了U型水平管冷凝器，以獲得更好的減溫降壓效果［4］。研究水平管內含不凝性氣體的蒸汽冷凝特性對改進PCCS系統的設計具有重要意義。

相對于豎直管冷凝，水平管內的冷凝換熱過程受氣液兩相流型的影響較大。這使得已有的有關豎直管冷凝換熱特性的研究結果并不能很好的應用于水平管內。目前國內外針對含不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱特性研究主要集中于豎直管;有關水平管內強制對流冷凝的研究相對較少［5－8］。本文對含空氣蒸汽在水平管內強制對流冷凝換熱進行了實驗研究，分析了空氣含量及氣相流速對局部換熱系數的影響，并對不同空氣入口質量分數條件下，局部換熱系數和換熱管上、下壁面溫度沿管軸向分布規律進行了研究，以期對水平管內含空氣條件下的蒸汽強制對流冷凝換熱過程有更完整的認識和了解。

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1，由蒸汽系統，空氣系統，冷卻水系統及實驗件組成。飽和蒸汽由電加熱鍋爐產生，與空壓機供應的空氣進行充分混合后進入換熱管內，與管外環腔內的冷卻水進行熱量交換，使部分蒸汽凝結成水。凝液與未被冷凝的混合氣體一同進入汽水分離器進行汽液分離，分離出的氣體通過汽水分離器上部閥門排放到大氣;凝液向下通過凝液罐排放到地溝。冷卻水由離心泵驅動與換熱管內混合氣體呈逆向流動，吸收熱量后流回到冷卻水箱內。

蒸汽與冷卻水的體積流量分別由渦街流量計和渦輪流量計進行測量;空氣質量流量由質量流量計進行測量;混合氣和冷卻水進出口溫度由布置在相應位置上的T型鎧裝熱電偶測量;換熱管進出口壓力由壓力傳感器測量。

圖1 實驗系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 實驗段

實驗段由外徑28 mm，壁厚1.5 mm的不銹鋼管插入內徑為42 mm，壁厚為3 mm的套管內組成，有效換熱長度1 500 mm。為使內、外套管間保持良好的同軸度，在沿套管軸向的3個截面上采用定位螺釘進行同心定位。

在實驗段環腔內，沿蒸汽流動方向等間距設置6個測量截面，具體位置如圖2(a)所示。每個測量截面處上下對稱地布置2對熱電偶(如圖2(b)所示)，分別測量環腔冷卻水溫度和換熱管外壁面溫度。

圖2 實驗段結構圖Fig.2 Structure diagram of test section

1.3 實驗方法及實驗數據處理

實驗過程中通過不斷調節蒸汽入口閥門，空氣入口閥門及汽水分離器上的排氣閥門，使蒸汽流量，空氣流量及換熱管入口壓力達到預設值，待所測各項參數穩定后，通過NI系統采集并記錄數據，之后通過調節蒸汽與空氣入口流量，改變實驗工況，重復上述步驟。

由熱平衡關系式:

可以得到換熱管外壁面側局部熱流密度q為

式中:Mc為冷卻水質量流量，kg/s;cp為冷卻水定壓比熱容，kJ/(kg·K);Do為換熱管外徑，m;Tc為截面冷卻水平均溫度，℃;dTc/dL為冷卻水沿軸向溫度梯度。本文通過對各截面冷卻水平均溫度進行擬合得到其沿軸向的分布曲線，再通過求導即求得該溫度梯度。

相應的換熱管內壁面溫度按下式計算:

式中:Twi、Two分別為換熱管內、外壁面截面平均溫度，℃;λ為換熱管導熱系數，W/(m·K);Di為換熱管內徑，m。

換熱管內任一測量截面處的平均冷凝換熱系數hi計算公式為

式中:Ts為換熱管內蒸汽－空氣混合氣溫度，℃。實驗中認為蒸汽與空氣溫度保持相同，并且蒸汽始終處于飽和狀態。因此，Ts即為混合氣中蒸汽分壓下的飽和溫度。

2 實驗結果分析

2.1 空氣含量與氣相流速對局部換熱系數的影響

固定混合氣入口體積流量，通過改變混合氣中蒸汽與空氣的質量配比，得到局部換熱系數隨軸向空氣質量分數變化的情況，典型結果如圖3所示。

圖3 局部換熱系數隨軸向空氣質量分數的變化Fig.3 Variation of local condensation heat transfer coefficient with air mass fraction

從圖3可以看出，在不同空氣入口質量分數下，局部換熱系數均隨軸向空氣質量分數的增加逐漸減小。這是由于當混合氣中的蒸汽與冷壁面接觸被凝結成水時，主流氣體與凝液交界面上局部壓力下降，這使得空氣在壓差的作用下聚集在凝液表面形成空氣層。此時蒸汽必須通過擴散穿過空氣層才能進一步與換熱管壁接觸而被凝結。這個過程增加了冷凝換熱的熱阻，因此使得局部換熱系數隨空氣含量的增加而減小。

從圖3中還可以看到，在局部空氣質量分數相同時，不同工況下局部換熱系數并不相同，這說明除局部空氣含量之外，存在其他影響局部換熱能力的因素。考慮到混合氣冷凝過程中，隨著蒸汽不斷凝結，局部空氣質量分數發生變化的同時，氣相流速也會發生明顯的改變。這種氣相流速的變化會對凝液厚度以及蒸汽穿過氣液界面空氣層的擴散過程產生影響。為能夠分析氣相流速對局部換熱能力的影響，通過計算得到相應工況下，氣相折算速度隨局部空氣質量分數變化結果，如圖4所示。

在圖4中選擇3種氣相折算速度的變化情況:降流速，定流速和升流速(分別為圖4中線①、②、③)，分析對應工況點下局部換熱系數隨空氣質量分數的變化規律(如圖3中線①、②和③所示)。從結果中可以清楚地看出，相比定流速條件下局部換熱系數隨空氣質量分數的變化結果(w增加0.23，hi減少31.1%)，在降流速條件下，局部換熱系數的變化幅度較大(w增加0.21，hi減少37.7%);而在升流速條件下，局部換熱系數的變化幅度較小(w增加0.26，hi減少28.7%)。這說明，氣相流速的增加會削弱空氣對局部換熱系數的影響，反之則會增強。

解釋氣相流速對局部換熱能力的影響，可以從冷凝過程的熱阻角度來分析。混合氣冷凝換熱過程熱阻主要由2個部分組成:1)凝液側熱阻，其大小由凝液層厚度決定;2)空氣側熱阻，其大小由氣液界面處空氣擴散層厚度決定。氣相流速增加會帶來2個方面的效果1)主流氣體對凝液膜表面的粘滯應力增大，對凝液的攜帶作用加強，使得凝液膜厚度減小，相應的凝液側熱阻降低;2)混合氣體內部的攪渾更加劇烈，這使得凝液表面的空氣擴散層厚度減薄，蒸汽更容易與冷壁面接觸而發生凝結，空氣側熱阻隨之減小。這2個方面的效果使得冷凝換熱的總熱阻隨主流氣體流速的增加而減小，減弱了局部空氣含量增加對換熱的抑制效果，促進了冷凝換熱過程的進行。

2.2 空氣對換熱管外壁面溫度沿軸向分布的影響

圖5為不同空氣入口質量分數工況下，換熱管外上、下壁面溫度沿換熱管軸向的分布。可以發現，在純蒸汽條件下(w=0)，上壁面溫度始終大于下壁面;而在蒸汽中加入空氣后，上壁面溫度會在換熱管軸向某一位置之前大于下壁面，而在此之后，下壁面溫度則會大于上壁面，并且該位置隨空氣入口質量分數的增加逐漸向換熱管入口移動。

圖5 不同空氣入口質量分數下換熱管上、下外壁面溫度沿管長分布對比結果Fig.5 Axial temperature profiles of the top and bottom of tube for different inlet air mass fractions

純蒸汽冷凝時，換熱熱阻主要為凝液熱阻，凝液層厚度大小直接決定換熱能力的強弱，從而影響外壁面溫度的高低。由于受重力作用，換熱管內上壁面處的凝液厚度始終小于下壁面，使得上壁面處局部換熱能力強于下壁面，最終出現上壁面溫度始終大于下壁面的結果。

與純蒸汽冷凝不同，當加入空氣后，即使含量較小，也會對冷凝換熱產生較大的抑制作用［9］。此時冷凝換熱過程的主導熱阻由凝液熱阻變化為氣液界面上的空氣側熱阻，凝液表面空氣層厚度將決定局部換熱的強弱。考慮到氣液兩相流型可能會對氣液界面處空氣層內部流動產生影響，間接地影響空氣側熱阻，使用Breber流型圖［10］對實驗結果進行流型判斷。結果表明:對于所有實驗工況，管內處于均環狀流向波狀流的轉變區域。在此流型條件下，換熱管底部凝液表面上會出現明顯的波浪。這種波浪會帶動氣液界面上空氣產生徑向運動，增加了空氣擴散層內部的擾動，減小蒸汽擴散過程的阻力，從而降低了空氣側熱阻。當波浪起伏到達一定程度后，由于換熱管底部凝液表面波浪幅度遠強于換熱管頂部，會使得下壁面處局部空氣熱阻從換熱管軸向某一位置處之后小于上壁面，此時下壁面的局部換熱強度將大于上壁面，其對應溫度也將高于上壁面。并且，當空氣入口質量分數增加時，相同軸向位置上氣相速度增加，凝液表面的波浪幅度增大，使得空氣側熱阻削弱效果的更為明顯，相應的下壁面處的局部換熱能力更強，最終上、下壁面溫度交叉點的位置向換熱管入口移動。

2.3 空氣對局部換熱系數沿軸向分布的影響

圖6為純蒸汽和不同空氣入口質量分數工況下，局部換熱系數沿換熱管軸向的分布情況。結合流型判斷結果可以發現:管內處于波狀流時，局部換熱系數沿軸向的變化趨勢基本保持不變，大致呈線性變化;在環狀流范圍內，局部換熱系數沿軸向下降相對較快，隨著空氣入口含量增加，局部換熱系數變化幅度逐漸減小，并向逐漸接近波狀流條件下的變化趨勢。這種結果說明流型變化對局部換熱沿軸向分布的影響會隨空氣含量的增加逐漸減弱。3)局部換熱系數沿軸向分布規律在波狀流和分層流下存在一定的差異;當空氣入口含量逐漸增加時，波狀流內換熱系數沿管長的變化會逐漸趨近于分層流。

圖6 不同空氣入口質量分數下，局部換熱系數沿換熱管軸向的分布Fig.6 Axial profile of local condensation heat transfer coefficient for different inlet air mass fractions

眾所周知，管內氣液兩相流型通過影響凝液在換熱管橫截面上的周向分布，改變凝液測熱阻，最終令不同流型條件下局部換熱系數軸向變化存在差異。根據前文所述，蒸汽－空氣混合氣冷凝換熱的熱阻集中于空氣側，凝液側熱阻對換熱的影響會隨著空氣入口含量的增加逐漸減弱，由于流型不同所造成的凝液熱阻改變對局部換熱系數的影響也會相應減小，使得不同流型下冷凝過程的局部換熱系數沿軸向變化規律差異減小，總體變化趨勢趨于一致。

3 結論

1)含空氣蒸汽冷凝條件下，換熱管內局部換熱系數隨空氣含量的增加逐漸減小;氣相流速的增加會從增強混合氣內部擾動和減薄凝結液膜兩方面，減小空氣對冷凝換熱的抑制效果。

2)由于主導熱阻的變化，對于純蒸汽冷凝，換熱管上壁面溫度始終大于下壁面;加入空氣后，下壁面溫度會在軸向某一位置后大于上壁面，并且隨著空氣入口含量的增加，該位置逐漸向混合氣入口位置移動。

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