流動(dòng)沸騰臨界熱流密度的流體模化研究.pdf

1、臨界熱流密度(critical heat flux，CHF)是加熱壁面溫度飛升引起燒毀前所能承受的最大熱流密度。CHF是鍋爐、核反應(yīng)堆等的熱工水力工況研究中的重要課題之一。CHF可分為池沸騰CHF和流動(dòng)沸騰CHF兩種，本文的研究?jī)?nèi)容屬于流動(dòng)沸騰CHF的范疇。與池沸騰CHF不同的是，流動(dòng)沸騰的CHF明顯受到工質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的影響，機(jī)理更為復(fù)雜。由于目前理論模型的局限，還無(wú)法用較精確的數(shù)學(xué)模型對(duì)CHF進(jìn)行描述，實(shí)驗(yàn)是CHF的主要研究方法。以水作

2、為工質(zhì)進(jìn)行CHF的實(shí)驗(yàn)研究，突出的缺點(diǎn)是由于水的高潛熱和高的壓力和溫度，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提出了非?？量痰囊?，且實(shí)驗(yàn)花費(fèi)巨大。運(yùn)用CHF的流體?；夹g(shù)，用實(shí)驗(yàn)壓力、溫度和氣化潛熱都低很多的制冷工質(zhì)代替水進(jìn)行CHF實(shí)驗(yàn)研究，不僅可以克服上述缺點(diǎn)，而且便于使用各種先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備，對(duì)CHF現(xiàn)象展開(kāi)深入系統(tǒng)的研究。由于R134a的綠色環(huán)保品質(zhì)，較低的實(shí)驗(yàn)壓力、溫度及氣化潛熱等，使其成為一種較理想的流體?；べ|(zhì)。本文的主要研究?jī)?nèi)容為:采用?；べ|(zhì)R13

3、4a對(duì)水在目前鍋爐水冷壁、核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器中常見(jiàn)的流道形式，包括豎直管、水平管及螺旋管中的流動(dòng)沸騰CHF進(jìn)行流體模化研究，以加深對(duì)現(xiàn)有CHF流體模化方法在上述不同類型流道中的適用效果的清晰認(rèn)識(shí)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展更高精度的適用于這些流道的基于R134a和水的流動(dòng)沸騰CHF流體模化技術(shù)。
　　 本文首先對(duì)現(xiàn)有的流動(dòng)沸騰CHF流體?；椒ㄟM(jìn)行了綜述，分別闡述了到目前為止比較成功的CHF流體模化模型:Ahmad模型、Katto模型、魯

4、鐘琪模型和Stevens-Kirby模型的發(fā)展過(guò)程，對(duì)這些模型的求解思路進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)各模型需要滿足的?；嗨茥l件包括幾何相似、水力相似、熱力相似及流量相似進(jìn)行了分析比較，進(jìn)而詳細(xì)闡述了運(yùn)用這些模型進(jìn)行流體模化分析的計(jì)算方法。對(duì)R134a和水之間的CHF流體?；镄詤?shù)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，分別得出了Ahmad模型、Katto模型和魯鐘琪模型在不同工況下的流量?；蜃雍虲HF?；蜃樱瑢⒂?jì)算結(jié)果制成了查詢表，為有效利用現(xiàn)有的流動(dòng)沸騰

5、CHF數(shù)據(jù)對(duì)目前的流體模型進(jìn)行模化效果評(píng)價(jià)，以及通過(guò)CHF模化實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有的流體?；椒ㄟM(jìn)行?；Ч?yàn)證等提供了極大的便利。
　　 在對(duì)目前的流動(dòng)沸騰CHF流體?；椒ㄟM(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，獲得準(zhǔn)確的R134a管內(nèi)流動(dòng)沸騰CHF數(shù)據(jù)對(duì)于驗(yàn)證結(jié)果的有效性無(wú)疑具有關(guān)鍵的作用，因而在進(jìn)行R134a的流動(dòng)沸騰CHF實(shí)驗(yàn)時(shí)，確保CHF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本文的實(shí)驗(yàn)研究是在山東大學(xué)制冷與低溫研究所的汽液兩相流動(dòng)與沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。在保證

6、盡量小的溫度、壓力、質(zhì)量流量、電流、電壓等參數(shù)測(cè)量誤差的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較精確的熱平衡實(shí)驗(yàn)，利用純液相水的加熱循環(huán)來(lái)進(jìn)行熱損失的精確標(biāo)定，避開(kāi)了復(fù)雜且誤差較高的兩相流參數(shù)計(jì)算，保證實(shí)驗(yàn)獲得的流動(dòng)沸騰CHF數(shù)據(jù)更加可靠;利用Agilent3498數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合計(jì)算機(jī)編程的方法制定了判斷CHF發(fā)生的控制程序，對(duì)CHF的發(fā)生進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和記錄。本文的實(shí)驗(yàn)研究獲得了大量R134a在豎直圓管、水平圓管以及臥式螺旋管內(nèi)的流動(dòng)沸騰CHF數(shù)據(jù)，

7、為對(duì)現(xiàn)有的流動(dòng)沸騰CHF流體模化技術(shù)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，提供了較準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。
　　 進(jìn)行豎直圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰的CHF流體模化研究，對(duì)豎直管內(nèi)的CHF參數(shù)趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，得出了實(shí)驗(yàn)工況下豎直管內(nèi)CHF的主要影響因素。在進(jìn)行現(xiàn)有CHF流體?；椒▽?duì)于豎直圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰CHF流體?；Ч姆治鲈u(píng)價(jià)時(shí)，用來(lái)與本實(shí)驗(yàn)R134a的CHF數(shù)據(jù)進(jìn)行?；瘜?duì)比分析的水的CHF數(shù)據(jù)，一部分直接來(lái)自現(xiàn)有水的CHF實(shí)驗(yàn)，另一部分由Bowring的經(jīng)

8、典CHF預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式計(jì)算得出。本文給出了滿足CHF流體?；嗨茥l件下沸騰數(shù)隨各模型流量模化參數(shù)變化的趨勢(shì)圖，研究結(jié)果表明目前比較成功的CHF流體?；椒ɑ旧线m用于豎直圓管內(nèi)R134a與水之間的CHF流體?；?。
　　 進(jìn)行水平圓管內(nèi)的CHF流體?；芯浚治鎏接懥怂綀A管內(nèi)CHF的參數(shù)趨勢(shì)，對(duì)Ahmad模型、Katto模型、魯鐘琪模型和Stevens-Kirby模型應(yīng)用于水平圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰CHF的流體模化效果進(jìn)行檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)，分析探

9、討了質(zhì)量流速、液氣密度比、入口干度等參數(shù)的變化對(duì)各模型計(jì)算精度的影響規(guī)律。在分析各模型流體?；Ч幕A(chǔ)上，結(jié)合水平圓管內(nèi)的分層現(xiàn)象對(duì)CHF的影響，重點(diǎn)論述了水平圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰CHF流體?；路椒ǖ陌l(fā)展思路，新方法在Katto模型的基礎(chǔ)上，引入反映水平圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰分層現(xiàn)象的修正的弗雷德數(shù)，提出了CHF流體?；男铝髁肯嗨茰?zhǔn)則數(shù)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，應(yīng)用新方法對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)水平圓管流動(dòng)沸騰CHF的?；仍凇?5％左右。
　　

10、同直管相比，以螺旋管為代表的曲線管具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展的新型換熱設(shè)備。分別運(yùn)用Ahmad模型、Katto模型、魯鐘琪模型和Stevens-Kirby模型對(duì)臥式螺旋管內(nèi)R134a與水的CHF數(shù)據(jù)進(jìn)行流體模化分析，給出了不同CHF?；嗨茥l件下R134a與水在“沸騰數(shù)—CHF流量?；瘏?shù)”坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)對(duì)比，得出了不同參數(shù)范圍內(nèi)各模型對(duì)于臥式螺旋管CHF的流體模化計(jì)算偏差。分析發(fā)現(xiàn)臥式螺旋管CHF的流量?；蜃邮苜|(zhì)量流

11、量、壓力及入口干度等參數(shù)的影響比較明顯，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，本研究提出了臥式螺旋管CHF流量?；蜃拥慕?jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，發(fā)展了臥式螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰CHF的流體?；路椒?。計(jì)算結(jié)果表明，采用新?；椒▽?duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)臥式螺旋管CHF的流體?；?jì)算偏差在±20％以內(nèi)。
　　 總之，本文在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)目前的流動(dòng)沸騰CHF流體模化方法應(yīng)用于豎直圓管、水平圓管和臥式螺旋管的CHF流體模化效果進(jìn)行了綜合分析與評(píng)價(jià)，發(fā)展了新的分別適用