垂直矩形窄通道啟動過程壁溫變化特性研究

戴楊洋，陶樂仁，渠慎玄

（上海理工大學 能源與動力工程學院/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

板式升膜蒸發器具有優良的換熱性能，是目前國內外廣泛應用的一種新型換熱器［1-4］。蒸發器在其工作過程中不僅僅包括持續正常運行過程，還包括其運行前的啟動狀態和停止運行狀態。渠慎玄等［5］設計搭建的熱泵廢堿液回收系統以板式換熱器作為蒸發器。吳東根等［6］的研究表明，大容量鍋爐再熱器在啟動過程中會產生瞬間溫度過沖突變，嚴重時直接影響再熱器的安全運行。李興培等［7］研究了鍋爐設備在啟動過程中汽包壁面溫度差過大的問題，并通過采取一定的改進措施，有效地將汽包壁面溫度差控制在安全運行范圍內。孫中寧等［8］在常壓下對豎直環隙窄流道及光滑管內沸騰換熱啟動階段的壁面溫度變化規律進行了大量實驗研究，結果表明，熱流密度、水入口過冷度、初始水溫、不凝性氣體都會影響壁面溫度的變化特性。Allen 等［9］采用外加電場的方法消除了沸騰滯后現象，使R-114 在翅片管上的沸騰傳熱系數增加了一個數量級。

本文以去離子水為工質，對豎直矩形窄通道在啟動過程中的壁面溫度變化進行研究，對比一次啟動和二次啟動時壁面溫度的變化，并研究入口水溫對啟動壁面溫度的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示。水箱中的去離子水經過恒壓泵后再經過恒溫水浴達到實驗所需入口溫度，在實驗段中與鍋爐產生的蒸汽換熱，后經冷凝器冷凝回到水箱，完成循環。水流量由浮子流量計測量，蒸汽質量流量由稱重法測量。

實驗在常溫常壓下進行，實驗段整體由螺栓及固定支架固定。實驗段結構示意圖如圖2 所示。實驗段形狀為兩側矩形窄縫，由鋼化玻璃、矩形聚四氟乙烯密封圈、保溫層、實驗段銅板等組成。加熱側鋼板長800 mm、寬300 mm、厚20 mm，可視化側鋼板中間做鏤空處理。實驗段為銅板與鋼化玻璃組成的矩形窄通道，尺寸為720 mm × 250 mm × 3.5 mm。銅板上的熱電偶分布如圖3 所示，4 組熱電偶均勻布置在兩側壁面上用于測量通道中的壁面溫度。

1.2 實驗參數范圍

實驗段壓力為0.101～0.201 MPa，水的質量流量為7～11 kg·h-1，水入口溫度為27～60 ℃，加熱功率為0～20 kW·m-2。

1.3 實驗數據處理

由于實驗段與環境有溫差，實驗段與環境會存在對流換熱，造成熱損失。根據水單相流動時的能量守恒可以確定熱損失，即

式中：Cp為定壓比熱容，kJ·kg-1·K-1；G為工質質量流量，kg·s-1；ti、to分別為工質側通道進口和出口水溫，K。

根據實驗所得數據，通過計算得到本實驗系統約有14%的熱損失。

圖 1 實驗裝置Fig. 1 Experimental device

圖 2 實驗段結構示意圖Fig. 2 Structure of the test segment

圖 3 熱電偶布置示意圖Fig. 3 Arrangement of the thermocouples

鍋爐產生的飽和蒸汽經窄通道冷凝為飽和液體，其顯熱相對于潛熱可以忽略。其中蒸汽加熱量Q為

式中：Gv為蒸汽質量流量，kg·s-1，hi、ho分別為蒸汽流道進口、出口時流體對應的焓值，kJ·kg-1。

計入熱損失后的平均熱流密度q為

式中，A為加熱面積，A= 0.18 m2。

2 實驗結果分析

為使溫度的測量值更加準確，在實驗段設置了4 個溫度測點，編號為1、2、3、4，記錄0～700 s 內一次啟動與二次啟動時各測點溫度隨時間的變化情況，結果如圖4 所示。鍋爐加熱功率為1.83 kW，實驗段工質質量流量為9 kg·h-1，平均熱流密度為10.18 kW·m-2，入口溫度為27 ℃。

圖 4 啟動過程壁面溫度變化Fig. 4 Wall temperature evolution during the start-up process

圖4（a）為實驗段由開始啟動加熱到整個流道內處于熱平衡狀態時壁面溫度的變化。從圖中可以明顯看到，壁面溫度的上升可以分為三個階段：

（1）壁面溫度急劇上升階段。此時最先升溫的是測點1、2，這是因為加熱壁面與工質間主要以導熱方式進行換熱，各局部壁面溫差較大，壁面溫度急劇上升。

（2）壁面溫度緩慢升高階段。該階段加熱壁面與工質間的換熱形式由導熱逐漸過渡到單相對流換熱。隨著對流換熱的進行，加熱腔內蒸汽溫度和壓力緩慢上升，壁面溫度緩慢升高，但由于主流溫度低于飽和溫度，加熱腔內仍有少量氣泡出現，且氣泡呈彌散狀，出現了過冷沸騰現象。但過冷沸騰對壁面溫度的影響不大，過冷沸騰中汽泡吸收的熱量略大于壁面傳遞給汽泡的熱量，在此階段壁面溫差有小幅降低，但對壁面溫度的影響不大，該過程可近似為等壁面溫度換熱過程。

（3）壁面溫度緩慢上升至最高溫度后又緩慢降至穩態飽和沸騰階段。在此階段500～600 s時工質與加熱壁面的換熱形式是過冷沸騰向飽和沸騰的過渡階段即飽和核態沸騰階段。在飽和核態沸騰起始點區域，壁面溫度出現一個最大值。這是因為飽和核態沸騰的產生條件就是需要足夠的過熱度，此時汽泡吸收的熱量大于壁面傳遞給汽泡的熱量，從而導致飽和核態沸騰階段有較高的換熱系數。此后沸騰產生并迅速達到飽和沸騰，此時壁面溫度略有小幅下降。

在一次啟動達到穩態沸騰后，為了去除壁面不凝性氣體，再加熱0.5 h，然后冷卻至室溫后，再以相同的加熱功率重新啟動，此時去離子水中不凝性氣體含量大大減少，得到的壁面溫度變化如圖4（b）所示。對比圖4（a）、（b）發現，圖4（a）中表現出的沸騰熱滯后現象不是很明顯，而圖4（b）產生了明顯的沸騰熱滯后現象。沸騰熱滯后現象是指沸騰起始時壁面溫度過度升高的現象。一次啟動時，工質在流道出口處劇烈沸騰，飽和壓力為0.112 MPa，出口溫度為101 ℃；二次啟動時，流道出口處沸騰壓力為0.112 MPa，出口溫度為103 ℃。熱電偶的測量誤差遠小于兩次實驗溫差，并且兩次實驗工況相同，流體波動對實驗影響很小，所以兩次實驗溫度變化的差別可能是由于一次啟動時吸附于加熱壁面上的不凝性氣體受熱膨脹，從而在汽化核心處形成的大量汽泡覆蓋在壁面上所導致。隨著加熱的進行，小汽泡不斷長大、脫落、上浮，最后在工質表面破裂。這些小汽泡一方面自身帶走熱量，另一方面又增加了壁面附近的擾動和工質循環，從而降低了核化溫度。但當去除不凝性氣體后再以相同加熱功率重新啟動時，在產生過冷沸騰之前，可以觀察到壁面上有一些零星的小汽泡產生，但數量很少，減少了壁面擾動及工質循環，因而產生了明顯的沸騰熱滯后現象。因此，在換熱器啟動時為了消除壁面溫度過沖帶來的危險，可以采用相對粗糙的表面、設置人字形槽道或在壁面附近引入不凝性氣體，這樣可以使壁面溫度上升比較平穩。

在工質流量、平均熱流密度均不變的情況下，改變工質側進口溫度，得到的啟動壁面溫度變化如圖5 所示，圖中入口溫度分別為27、60 ℃，加熱功率均為8.49 kW·m-2。

圖 5 不同入口溫度時啟動壁面溫度的變化Fig. 5 Wall temperature evolution at different inlet temperatures

對比圖5（a）、（b）發現，同樣的平均熱流密度下，入口溫度為27 ℃時測點1、3 的溫度波動大于入口溫度為60 ℃時的波動，基本上相差3～5 ℃。這說明初始入口溫度對壁面溫度波動有一定的影響。適當提高入口溫度可增加飽和沸騰段，減少壁面溫度的波動，使得壁面溫度上升較平緩，在一定程度上可避免壁面溫度過沖對換熱器的損壞。

3 結 論

（1）矩形窄通道啟動過程中壁面溫度變化經歷三個階段，即急劇上升階段、緩慢升高階段、緩慢上升至最高壁面溫度并產生小幅回落后又緩慢降至穩態飽和沸騰階段。

（2）在換熱器啟動時為了消除壁面溫度過沖帶來的危險，采用相對粗糙的表面、設置人字形槽道或在壁面附近引入不凝性氣體，可以使壁面溫度上升較平穩。

（3）適當提高入口溫度可增加飽和沸騰段，減少壁面溫度的波動，使得壁面溫度上升較平緩，在一定程度上可避免壁面溫度過沖對換熱器的損害。