螺旋管內(nèi)過冷沸騰換熱特性及氣泡行為研究.pdf

1、作為一種高效的換熱方式，過冷沸騰已被廣泛的應(yīng)用于核反應(yīng)堆、Tokamak核聚變裝置、高集成芯片冷卻通道和內(nèi)燃機等各種高熱流密度裝置中。由于螺旋管具有結(jié)構(gòu)緊湊和強化傳熱等特點，所以螺旋管換熱器已在食品加工、空調(diào)及低溫系統(tǒng)以及核反應(yīng)堆中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，在螺旋管內(nèi)采用過冷沸騰傳熱方式將會極大的強化其傳熱。目前，對過冷沸騰的實驗研究已經(jīng)涉及了截面為圓形、矩形、環(huán)形、正方形的直管、微通道及各種結(jié)構(gòu)的管束。由于受到重力場和和離心力場的雙重作

2、用，螺旋管內(nèi)過冷流動沸騰的流動和傳熱特性更加復(fù)雜。因此，開展螺旋管內(nèi)過冷沸騰流動和傳熱特性的研究，對于螺旋管內(nèi)兩相流動的理論研究、螺旋管換熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計與高效安全運行都具有重要意義。
　　本文針對螺旋管內(nèi)過冷沸騰實驗條件，考慮R134a的綜合性能，通過增加再冷器等實驗裝置對實驗系統(tǒng)的冷凝裝置進行升級，從而使其可以完成不同實驗參數(shù)范圍內(nèi)的過冷沸騰傳熱實驗。在實驗系統(tǒng)經(jīng)過氣密性、保溫性能等測試后，開展了質(zhì)量流量G=147.5～443

3、.7 kgm-2-1，過冷度△Tsub=4.7～15.1℃和壓力P=412.1～850.3 kPa條件下的過冷沸騰實驗。另外，為了考察螺旋管內(nèi)氣泡行為對傳熱的影響，選取相關(guān)實驗設(shè)備搭建了螺旋管內(nèi)空氣氣泡可視化研究系統(tǒng)。將PVC透明管彎制并固定成螺旋管，并以齒輪泵驅(qū)動去離子水在管內(nèi)流動。采用注射泵使空氣以恒定流速在管內(nèi)形成氣泡，并完成了螺旋管內(nèi)不同位置氣泡脫離和運動軌跡的實驗研究。
　　在過冷沸騰傳熱特性實驗中，首先對螺旋管內(nèi)單相對

4、流傳熱條件下壁面溫度分布以及各實驗參數(shù)對單相對流傳熱系數(shù)的影響進行了研究。實驗結(jié)果表明單相對流傳熱對過冷沸騰起始點(ONB)的特性產(chǎn)生了很大的影響。通過實驗研究了過冷沸騰起始點壁面溫度的變化規(guī)律，并將首先脫離壁面溫度線性增長趨勢的點定義為過冷沸騰起始點。分析了螺旋管圓心角α、截面圓心角β、質(zhì)量流量、過冷度、壓力和螺旋管幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等對過冷沸騰起始點過熱度和熱流密度的影響。實驗結(jié)果表明:過冷沸騰起始點的熱流密度、壁面過熱度隨著過冷度和質(zhì)量

5、流量的增大而增大，但是隨著壓力、螺旋直徑的增大而減小，螺旋管節(jié)距和放置方式對過冷沸騰起始點特性無明顯影響。
　　基于立式和臥式螺旋管內(nèi)過冷沸騰的實驗數(shù)據(jù)，分析了兩種不同放置方式的螺旋管內(nèi)壁面溫度的分布特性，并研究了各實驗參數(shù)對過冷沸騰平均傳熱系數(shù)的影響。在二次流、主流速度分布和氣泡行為的共同影響下，立式和臥式螺旋管過冷沸騰截面溫度均呈現(xiàn)不均勻分布。但是二者的分布情況并不相同:在立式螺旋管內(nèi)，截面溫度的最高點和最低點則分別為下側(cè)(β

6、=90°)和上側(cè)(β=270°）;而臥式螺旋管內(nèi)，截面溫度的最高點和最低點則分別為內(nèi)側(cè)（β=0°）和外側(cè)(β=180°)。分析其原因認為:立式螺旋管上側(cè)（β=270°）產(chǎn)生的氣泡在浮力和主流曳力的作用下，沿上側(cè)壁面滑移從而使該側(cè)壁面溫度成為螺旋管截面溫度的最低點，從而造成了不同形式的不均勻分布。以標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式引入不均勻度的概念，對過冷沸騰傳熱條件下螺旋管截面溫度的不均勻分布進行了定量分析。同時，對比螺旋管內(nèi)傳熱系數(shù)可知，各參數(shù)對立式和

7、臥式螺旋管內(nèi)過冷沸騰傳熱系數(shù)的影響趨于一致。螺旋管截面的平均傳熱系數(shù)隨熱流密度和壓力的增大而增大，隨著過冷度和螺旋直徑的增大而減小，同時工質(zhì)的質(zhì)量流量和螺旋管節(jié)距對傳熱系數(shù)的影響較小。通過各實驗參數(shù)對過冷沸騰起始點熱流密度和傳熱系數(shù)的影響趨勢分析，采用量綱分析法確定了螺旋管內(nèi)過冷沸騰起始點熱流密度和傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式模型，并對實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合得到了對應(yīng)關(guān)聯(lián)式，實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式預(yù)測值的誤差均在±20％范圍內(nèi)，關(guān)聯(lián)式的計算值與實驗值吻合較

8、好。
　　在水流速度Vl=0.13～1.13ms-1和空氣流速Vg=0.2～1.0mls-1的工況下，對臥式螺旋管內(nèi)的氣泡行為進行了可視化研究。根據(jù)氣泡的受力情況，建立了由主流曳力、二次流曳力、凈離心力和凈重力組成的臥式螺旋管內(nèi)氣泡動力學(xué)模型，并將上述作用力沿螺旋管切線和法線方向分解為切向力和徑向力。采用此模型對水流速度、空氣流速和截面位置對氣泡的脫離和運行軌跡的影響進行了理論分析。實驗結(jié)果表明，切向力是氣泡脫離的主要影響因素，徑

9、向力對氣泡脫離的影響體現(xiàn)在α=0°和α=180°兩個截面位置上。隨著水流速度、空氣流速和脫離位置的變化切向和徑向作用力的大小和方向也發(fā)生了變化，從而影響了各實驗條件下的氣泡脫離頻率。
　　在氣泡運行軌跡實驗中發(fā)現(xiàn):氣泡脫離后，會隨著主流向通道向下游流動并在螺旋管的內(nèi)、外側(cè)之間產(chǎn)生徑向位移。在0°＜α＜90°和270°＜α＜360°范圍內(nèi)，由于徑向力為負值，氣泡會沿螺旋管內(nèi)側(cè)(β=0°）管壁向下游滑移。在90°＜α＜180°和180