水下航行器小通道內(nèi)蒸汽換熱實驗研究

白　超，韓勇軍，伊　寅，史小鋒，郭兆元，封啟璽（. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七O五研究所，陜西 西安，70077；2. 水下信息與控制重點(diǎn)實驗室，陜西　西安 70077）

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水下航行器小通道內(nèi)蒸汽換熱實驗研究

白超1,2，韓勇軍1，伊寅1，史小鋒1，郭兆元1，封啟璽1
（1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七O五研究所，陜西 西安，710077；2. 水下信息與控制重點(diǎn)實驗室，陜西西安 710077）

摘要:為研究水下航行器小通道內(nèi)的蒸汽換熱特性，對采用矩形通道設(shè)計的冷凝通道進(jìn)行實驗研究，分析不同蒸汽入口溫度對通道換熱特性的影響。實驗結(jié)果表明：矩形小通道具有較好的冷凝換熱效果，通道總平均換熱量、熱流密度以及通道出口冷凝液溫度均隨通道入口蒸汽溫度升高而升高。但總傳熱系數(shù)和蒸汽側(cè)換熱系數(shù)隨通道入口蒸汽溫度升高而降低。最后在實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將實驗值與仿真值進(jìn)行對比分析，修正仿真模型，確定過熱蒸汽冷凝成水的過程中相變點(diǎn)位置，為后續(xù)閉式循環(huán)動力系統(tǒng)殼體冷凝器的設(shè)計提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：水下航行器；小通道；換熱；實驗研究

0　引　言

在采用閉式循環(huán)動力系統(tǒng)的水下航行器中，由于沒有尾氣排放，系統(tǒng)與外界只有熱量交換而無物質(zhì)交換，做功后的乏汽必須經(jīng)殼體冷凝器冷凝成水后才能供給系統(tǒng)作為循環(huán)工質(zhì)使用，所以殼體冷凝器是閉式循環(huán)系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵組件。

由于閉式循環(huán)水下航行器的殼體冷凝器結(jié)構(gòu)限制，其內(nèi)部用于冷凝換熱的管路是毫米級別的小流徑通道，而且小流徑通道內(nèi)伴隨凝結(jié)的兩相流動是非定常的且是不穩(wěn)定的，這就使得整個換熱過程的流動傳熱特性和能量變化規(guī)律變得極其復(fù)雜。

目前國內(nèi)外學(xué)者主要針對工業(yè)用制冷行業(yè)中的冷凝換熱的小通道進(jìn)行了大量理論和實驗研究，但對閉式循環(huán)動力系統(tǒng)殼體冷凝器中的小通道研究尤其是相關(guān)的實驗研究卻很少。

本文對小通道冷凝換熱進(jìn)行實驗研究，分析蒸汽入口溫度對水下航行器小通道換熱的影響。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定相變點(diǎn)位置，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，修正了仿真計算模型，為閉式循環(huán)動力系統(tǒng)殼體冷凝器的設(shè)計提供參考。

1　實驗系統(tǒng)及實驗方法

1.1實驗裝置

根據(jù)殼體冷凝器中小通道具有的通流面積小，軸向長度長的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且針對冷凝器實際工作狀態(tài)設(shè)計實驗裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中實驗件為雙層板式結(jié)構(gòu)，上層為冷卻水通道，下層為 20 條蒸汽冷卻通道。根據(jù)殼體冷凝器結(jié)構(gòu)限制，蒸汽通道截面尺寸為 5 mm × 6 mm。過熱蒸汽經(jīng)導(dǎo)流板流入水平布置的 20 條矩形小通道，在小通道內(nèi)過熱蒸汽與上層的冷卻水進(jìn)行換熱凝結(jié)成冷凝水從冷凝水出口排出。由于現(xiàn)場實驗條件的限制，冷卻水流量達(dá)不到水下航行器真實的使用環(huán)境，因此采用縮比實驗方式；根據(jù)相似準(zhǔn)則中的幾何相似條件，實驗件的蒸汽通道結(jié)構(gòu)、幾何尺寸（寬度、高度）與真實使用的冷凝器保持一致。此外在冷卻水通道內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)流槽，盡量使冷卻水均勻流動。

實驗裝置在工作時，過熱蒸汽通過對流換熱的方式將熱量傳遞給蒸汽通道的上端面，然后蒸汽通道上端面經(jīng)熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到冷卻水通道下端面，最終冷卻水和下端面進(jìn)行對流換熱將熱量帶走。

圖1　實驗裝置結(jié)構(gòu)總圖Fig. 1　The general structure of the experimental device

圖2　小通道截面圖Fig. 2　The sectional view of the small channels

1.2實驗測量系統(tǒng)

小通道實驗測量系統(tǒng)如圖3 所示，從鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽，進(jìn)入實驗系統(tǒng)內(nèi)。同時，冷卻水從管道內(nèi)進(jìn)入實驗系統(tǒng)與小通道內(nèi)的過熱蒸汽進(jìn)行換熱。高溫的過熱蒸汽冷凝換熱后凝結(jié)成水從實驗系統(tǒng)的出口流出。通過安裝在蒸汽通道進(jìn)出口及沿程的溫度壓力傳感器研究蒸汽通道內(nèi)的溫度壓力變化。根據(jù)安裝在蒸汽通道進(jìn)出口的流量計監(jiān)測通道進(jìn)口蒸汽流量和出口的冷凝液流量。通過以上溫度壓力以及流量數(shù)據(jù)可以求出過熱蒸汽沿管道方向的焓降、熱流密度。通過測量冷卻水通道內(nèi)的溫度和流量，可以計算出蒸汽凝結(jié)換熱的對流換熱系數(shù)。

圖3　實驗測試系統(tǒng)圖Fig. 3　The diagram of the test system

蒸汽流量由精度等級為 0.5 FS 的文丘里差壓式流量儀測量，蒸汽進(jìn)出口及沿程溫度和冷卻水沿程溫度由 Ω 牌 T 型溫度傳感器測量，測量精度為 0.5% FS。蒸汽進(jìn)口和沿程壓力由麥克 MPM 480 型壓力變送器測量。冷卻水流量和蒸汽通道出口凝結(jié)水流量由精度等級為 0.5 級的渦輪流量計測量。測量數(shù)據(jù)由德威創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

其中要考慮實驗件測點(diǎn)布置情況，根據(jù)仿真結(jié)果的研究，在蒸汽的冷凝換熱過程中，過熱段和凝結(jié)段的對流換熱效果最強(qiáng)，因此在測點(diǎn)的布置上要重點(diǎn)考慮這2個區(qū)域，在相對于蒸汽進(jìn)口靠前的位置，溫度壓力測點(diǎn)布置得密一些，在過冷段，測點(diǎn)可布置得相對稀疏些。本次實驗溫度測點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4　蒸汽通道測點(diǎn)布置圖Fig. 4　The measuring point of the steam channel

在實驗件及其測控系統(tǒng)搭建調(diào)試完畢后進(jìn)行實驗研究，所要研究的實驗工況為：蒸汽入口雷諾數(shù) Re = 15 000～50 000，蒸汽進(jìn)口壓力為 0.15～0.25 MPa，溫度為 110 ℃～190 ℃，通道蒸汽流量為 3～5 g/s。

1.3實驗數(shù)據(jù)處理

1.3.1熱平衡和質(zhì)平衡

1）熱平衡

由于蒸汽管路與外界不可能完全絕熱，實驗過程中蒸汽經(jīng)過系統(tǒng)管路和實驗裝置時會與外部環(huán)境進(jìn)行熱量交換，產(chǎn)生的熱量損失可用相對熱平衡率進(jìn)行衡量。

冷卻水吸收熱量：

蒸汽釋放熱量：

式中： hcd,in為蒸汽通道入口的蒸汽焓值； hcd,out為蒸汽通道出口凝結(jié)液焓值。

相對熱平衡率：

2）質(zhì)平衡

蒸汽通道進(jìn)出口的質(zhì)量平衡關(guān)系可用相對質(zhì)平衡率進(jìn)行衡量。

相對質(zhì)平衡率：

1.3.2換熱系數(shù)

在蒸汽側(cè)與冷卻水側(cè)，沿流動方向?qū)?yīng)節(jié)點(diǎn)分為5段，每段節(jié)點(diǎn)均布置溫度傳感器，可測得蒸汽及冷卻水沿程的溫度分布。分別為：tcd1，tcd2，…，tcd11以及tsw1，tsw2，…，tsw11。在每個微元段內(nèi)部，溫度按照前后2個節(jié)點(diǎn)平均值計算：

1）冷卻水側(cè)換熱系數(shù)

根據(jù)冷卻水側(cè)的 D–B 試驗關(guān)聯(lián)式，可獲得冷卻水對流換熱系數(shù)：

式中：usw為冷卻水流速；dsw為冷卻水當(dāng)量直徑；vsw為冷卻水側(cè)努賽爾數(shù)；Nusw為冷卻水側(cè)努賽爾數(shù)；Resw為冷卻水側(cè)雷諾數(shù)；Prsw為冷卻水側(cè)普朗特數(shù)；ηsw和 ηswo分別為按照冷卻水平均溫度和壁面溫度所計算的冷卻水動力粘性系數(shù)；λsw為冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)；hsw為冷卻水側(cè)局部換熱系數(shù)。

2）蒸汽側(cè)局部換熱系數(shù)

由能量守恒定律可得到每個微元段內(nèi)的換熱量，并導(dǎo)出冷卻水側(cè)壁面溫度：

其中：λ 為殼體材料導(dǎo)熱系數(shù)；δ 為殼體壁厚。

由蒸汽能力守恒定律可得蒸汽側(cè)局部對流換熱系數(shù)hcd,i：

3）小通道總傳熱系數(shù)

蒸汽通道側(cè)熱流密度：

對數(shù)平均溫差：

式中：tcd,in為蒸汽入口溫度；tcd,out為凝結(jié)水出口溫度；tsw,in為冷卻水入口溫度；tsw,out為冷卻水出口溫度。

通道換熱系統(tǒng)總傳熱系數(shù)：

4）蒸汽側(cè)換熱系數(shù)

通過熱阻的串聯(lián)，可得：

式中：hsw為冷卻水側(cè)換熱系數(shù)；Rswo為管壁導(dǎo)熱熱阻；hcd為蒸汽側(cè)換熱系數(shù)。

其中，冷卻水側(cè)換熱系數(shù)可表達(dá)為

通道壁面導(dǎo)熱熱阻可表達(dá)為

式中：δ 為通道換熱面厚度；λcd為通道壁面導(dǎo)熱系數(shù)；已知冷卻水側(cè)換熱系數(shù)和通道壁面導(dǎo)熱熱阻后，蒸汽側(cè)換熱系數(shù)可表達(dá)為

2　實驗結(jié)果分析

根據(jù)既定工況進(jìn)行實驗研究并按照上述實驗數(shù)據(jù)處理方法處理實驗數(shù)據(jù)，得到相對熱平衡、質(zhì)平衡率以及相關(guān)參數(shù)的變化曲線如圖5 所示。

本次實驗共進(jìn)行5組實驗，根據(jù)每組實驗數(shù)據(jù)處理可看出，相對熱平衡率在 1%～8% 之間，相對質(zhì)平衡率在–5%～9% 之間，說明實驗系統(tǒng)散熱損失基本在合理范圍內(nèi)，而實驗系統(tǒng)進(jìn)出口工質(zhì)質(zhì)量基本守恒。

圖5　相對熱平衡率與相對質(zhì)平衡率Fig. 5　The relative heat balance rate and the relative mass balance rate

根據(jù)入口蒸汽溫度的不同得到5組工況下通道內(nèi)的各參數(shù)如圖6 和圖7 所示。

從圖6～圖7 可以看出通道總平均換熱量、熱流密度以及凝結(jié)水出口溫度均隨冷凝器入口蒸汽溫度升高而升高。但通道總傳熱系數(shù)和蒸汽側(cè)平均換熱系數(shù)隨蒸汽入口溫度升高而降低。

將實驗工況（蒸汽入口溫度 183.1 ℃，入口壓力0.24 MPa）的沿程溫度分布與仿真曲線進(jìn)行對比，如圖6～圖8 所示。

圖6　不同蒸汽進(jìn)口溫度通道內(nèi)各參數(shù)Fig. 6　The various parameters of the channel in different steam inlet temperature

圖7　不同蒸汽進(jìn)口溫度通道內(nèi)傳熱系數(shù)Fig. 7　The heat transfer coefficient of the channel in different steam inlet temperature

從圖8 可以看出，蒸汽進(jìn)入小通道后與冷卻水進(jìn)行對流換熱，在入口氣相過熱段，過熱蒸汽迅速與外部冷卻水換熱并降溫，當(dāng)蒸汽溫度降低到飽和溫度時進(jìn)入兩相區(qū)進(jìn)行相變換熱，兩相區(qū)的溫度維持在飽和溫度附近。但由于流動阻力以致兩相區(qū)的溫度并不完全恒定，而是有略微下降。在小流徑通道后段，通道內(nèi)溫度又開始逐漸下降，說明已經(jīng)進(jìn)入液相區(qū)，此時蒸汽處于過冷狀態(tài)，直至冷卻通道出口。

從誤差百分比圖9 中可知，過熱段和兩相段溫度誤差較小，在 ± 10% 以內(nèi)，而過冷段溫度誤差較大，對應(yīng)點(diǎn)誤差最大達(dá)到 38%。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行修正，對修正后的模型計算出來的仿真值與實驗值進(jìn)行對比如圖10 所示。

圖8　仿真與實驗溫度對比Fig. 8　The temperature comparison between thesimulation and the experiment

圖9　仿真與實驗誤差百分比Fig. 9　The error percentage of simulation and experiment

圖10　修正后的仿真與實驗誤差百分比Fig. 10　The error percentage of the simulation and the experiment after revised

由圖10 可以看出，仿真值與實驗值的誤差最大范圍縮小到 14.16%，達(dá)到合理范圍。

此外由圖8 可知，在整個換熱過程中，通道內(nèi)蒸汽過熱段和兩相段的相變分界點(diǎn)距離蒸汽入口 500 mm測點(diǎn) 4 和測點(diǎn) 5 之間附近，而兩相段與過冷段的相變分界點(diǎn)在測點(diǎn) 8 和測點(diǎn) 9 之間距離進(jìn)口 1 200 mm 附近。采用線性插值進(jìn)行計算可知：過熱段到兩相段的分界點(diǎn)在距離進(jìn)口 482 mm 附近，兩相段到過冷段的分界點(diǎn)在距離進(jìn)口 1 288 mm 附近。經(jīng)過計算可知，過熱段、兩相段、過冷段的蒸汽側(cè)平均凝結(jié)換熱系數(shù)如表 1 所示。

表1　蒸汽凝結(jié)過程各段平均傳熱系數(shù)Tab. 1　The average heat transfer coefficient of different stages of the steam condensation

3　結(jié)　語

本文通過對不同蒸汽進(jìn)口溫度的矩形小通道冷凝器換熱特性進(jìn)行實驗研究，得出進(jìn)口溫度對冷凝器換熱特性的影響，并且在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上修正了仿真模型，使得仿真模型的最大誤差 38% 下降到 15% 以內(nèi)，并且確定了過熱段、兩相段以及過冷段的相變點(diǎn)位置，可以為后續(xù)設(shè)計閉式循環(huán)動力系統(tǒng)殼體冷凝器提供支撐和參考。

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Experimental investigation of the heat transfer in small channels of the underwater vehicle

BAI Chao1,2, HAN Yong-jun1, YI Yin1, SHI Xiao-feng1, GUO Zhao-yuan1, FENG Qi-xi1
(1. The 705 Research Institute of CSIC, Xi’an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

Abstract:In order to study the characteristics of steam heat transfer in a small channel of the underwater vehicle. This article researched the experimental investigation of the condensation heart transfer in small channels, and analyzed the different steam inlet temperatures on heat transfer characteristics of channels. The experimental results show that the small rectangular channel has good condensing heat transfer effect, the channel overall average heat transfer, heat flux and export condensate temperature were increased with the channel inlet steam temperature become high, but the total heat transfer coefficient and steam side heat transfer coefficient were decreasedwith the channel inlet steam temperature were increased. Finally, the paper compared the experimental value and simulation analysison the basis of experimental data, and verified the simulation model, and the superheated steam condensation water was determined in the process of phase transformation point location, being provided for the design of power system shell condenser of the subsequent closed cycle power system shell condenser.

Key words:underwater vehicle；small channels；heat transfer；experimentalinvestigation

作者簡介：白超(1990–)，男，碩士研究生，研究方向為能源動力推進(jìn)技術(shù)。

收稿日期：2016–01–06； 修回日期：2016–01–15

文章編號：1672–7619(2016)03–0050–05

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.011

中圖分類號：U6T4.T6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A