豎直環(huán)形流道內(nèi)流動沸騰傳熱研究

孫立成，閻昌琪，曹夏昕

(哈爾濱工程大學 核能科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在進行沸騰傳熱研究過程中，壁面的加熱方式一般有電加熱和流體加熱2種方式.電加熱方式采用電加熱元件對壁面進行加熱，可以等效成等熱流的傳熱過程;流體加熱是利用對流方式對壁面進行加熱，既不能作為等熱流方式來處理，也不能作為等壁溫的傳熱過程.Darabi等［1］對這2種加熱方法對傳熱特性的影響進行了評價，將不同學者得到的實驗數(shù)據(jù)進行分析對比后得到:由于壁面上溫度曲線不同是造成這種差異的主要原因.并闡明邊界條件不同，傳熱特性也必然不同.

關(guān)于環(huán)形流道內(nèi)沸騰傳熱過程、形成機理和計算模型方面，SU［2-3］等進行過較多研究.Hewitt［4］、Wolk［5］和Jayanti等［6］則對于流型的變化機理和判定方法進行了深入研究.本文針對水加熱條件下的流動沸騰傳熱特性進行研究，并在可視化研究結(jié)果基礎上，闡明傳熱機理，構(gòu)建傳熱計算模型.

1 實驗裝置和實驗參數(shù)

1.1 實驗裝置

實驗裝置系統(tǒng)如圖1所示，整個實驗裝置主要由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成.2組實驗元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主體由B30管和石英玻璃管同心套裝構(gòu)成，實驗工質(zhì)——水從下向上流經(jīng)兩管之間環(huán)形通道，并被內(nèi)管反向流動的高溫水加熱.B30管的外徑為16 mm，石英玻璃管的內(nèi)徑有22和26 mm兩種，兩組元件的流道寬度分別為3和5 mm.實驗段的總長為1380 mm，有效換熱長度為1350 mm.

一回路系統(tǒng)的工質(zhì)采用去離子水.水在加熱器內(nèi)加熱后，在水泵的驅(qū)動下流經(jīng)實驗元件的內(nèi)管，同時和二回路水換熱后，回到鍋爐，完成一個循環(huán).實驗元件二回路入口處的預熱器和一個自耦變壓器相聯(lián)，通過調(diào)整變壓器功率，可以保證二回路入口溫度為恒定值.二回路水首先經(jīng)預熱器預熱，而后進入實驗段，被加熱到沸騰，最后在冷凝器冷卻后回到二回路水箱.

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic of the test loop

1.2 實驗參數(shù)

實驗中具體的參數(shù)如下:

1)一回路

壓力:0.8 MPa，

體積流量:0.74～1.41 m3/h，

水溫:90～130℃.

2)二回路

壓力:0.1 MPa，

質(zhì)量流速:5 mm、16.8～55.3 kg/(m2s)，

3 mm、15.3～62.1 kg/(m2s)，

入口溫度:40、50、60℃.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 流型

2種環(huán)隙中出現(xiàn)的流型主要有泡狀流、攪混流和攪混—環(huán)狀流，如圖3所示.泡狀流一般發(fā)生在過冷沸騰區(qū)域，大部分氣泡處在孤立狀態(tài)，氣泡之間互相干涉和聚合現(xiàn)象發(fā)生較少.在氣泡聚集的位置，流型轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚮炝?，主流水溫同時到達飽和點.攪混流是3種流型中最重要的流型，幾乎占據(jù)了整個飽和沸騰區(qū)域.在實驗段的上部，空泡份額較高，環(huán)狀流和攪混流會同時發(fā)生，經(jīng)常交織在一起，因此稱之為攪混－環(huán)狀流.

圖2 實驗元件Fig.2 Test section

需要指出的是，2種環(huán)隙在由泡狀流向攪混流 過渡的位置呈現(xiàn)出一些不同之處.5 mm環(huán)隙，大量氣泡在轉(zhuǎn)變點聚集，并且聚集到一定程度才能發(fā)生流型的轉(zhuǎn)變，因此壁面溫度會出現(xiàn)一個小的峰值，一般在1～3℃范圍內(nèi).3 mm環(huán)隙情況則不同，流型更容易從泡狀流過渡到攪混流，氣泡聚集后，流型立刻會發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此氣泡的運動不易受阻，從而使得壁面的溫度升高幅度很小.一般轉(zhuǎn)變點的峰值不超過0.5℃.這一點可以從圖4上看出來，圖中的兩條曲線分別是2種環(huán)隙內(nèi)典型的壁溫隨熱流的變化曲線.

圖3 環(huán)隙內(nèi)的流型Fig.3 Flow patterns in the annuli

2.2 影響傳熱的幾個因素

圖5反映的是質(zhì)量流速對沸騰傳熱特性的影響，可以看出質(zhì)量流速對飽和沸騰區(qū)域幾乎沒有影響，但對單相和過冷沸騰的傳熱卻有很大的影響.這一點和電加熱時的情況相似，提高流速，可以增強單相對流換熱.

圖6給出的是對應3個入口過冷度的沸騰傳熱特性曲線，入口過冷度分別為 60.38、50.28和40.89℃，入口過冷度為40.89℃時的傳熱強度低于另2種情況.增加過冷度雖然可以提高換熱強度，但是并不是過冷度越高越好，入口過冷度為50.28℃時的傳熱特性略好于入口過冷度60.38℃時的情況.圖7中除了3和5 mm環(huán)2條傳熱曲線外，還包含0.9、1.4和2.4 mm 3種環(huán)隙的傳熱曲線.其中2.4和3 mm環(huán)隙的傳熱特性要好于0.9和5 mm，可以看出適當?shù)臏p少環(huán)隙寬度可以使傳熱增強，但是當環(huán)隙寬度過小時，使強化作用減小.

圖5 質(zhì)量流速對傳熱的影響Fig.5 Effect of mass flux on boiling heat transfer

圖6 入口過冷度對傳熱的影響Fig.6 Effect of subcooling on boiling heat transfer

圖7 環(huán)隙寬度對傳熱的影響Fig.7 Effect of annulus width on boiling heat transfer

3 傳熱模型

3.1 攪混流的形成機理

本文的可視化研究結(jié)果表明，攪混流是環(huán)隙內(nèi)最主要的流型，幾乎占據(jù)了整個飽和沸騰區(qū)域，因此建立傳熱模型前需要確定攪混流的形成機理.Hewitt等［4］的可視化研究結(jié)果表明:攪混流在本質(zhì)上和環(huán)狀流具有相似的本質(zhì)，在流道中心有連續(xù)的氣芯，在壁面上存在流動的液膜.Levy［7］將攪混流歸結(jié)為環(huán)狀流的一種;Wolk［5］和Jayanti等［6］根據(jù)液泛原理給出了比較準確描述從彈狀流向攪混流過渡的判定公式.Su等［2-3］對于窄環(huán)形通道內(nèi)的流動沸騰計算也是以環(huán)狀流為基礎.可以看出，一方面可以看出攪混流具有環(huán)狀流的特點，另一方面液泛現(xiàn)象是其形成的機理.因此，本文的傳熱模型結(jié)合環(huán)狀流模型、液泛原理和紊流理論建立.

穩(wěn)流液膜的傳熱方程［8］可以寫為

其中渦熱擴散率εh可以由下面的公式計算［9］:

環(huán)狀流液膜動量方程:

不考慮液體夾帶的情況下，氣相的動量方程:

由式(4)得到液膜內(nèi)某一位置的切應力為

根據(jù)

由式(6)和式(7)得到

對于壁面切應力，Sawai等［10］根據(jù)液泛原理得到

液體夾帶率的計算:

3.2 模型計算結(jié)果分析

圖8 5 mm流道實驗結(jié)果和計算結(jié)果對比Fig.8 Comparison of 5 mm annulus between model results and experimental data

圖9 3 mm流道實驗結(jié)果和計算結(jié)果對比Fig.9 Comparison of 3 mm annulus between model results and experimental data

根據(jù)上節(jié)的模型，編制程序進行了求解.式(9)～(12)計算壁面切應力，式(11)計算液膜內(nèi)的速度梯度，式(2)、(3)計算渦熱擴散率.圖8和圖9分別是5 mm和3 mm環(huán)形流道的模型的計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的對比情況，可以看出，5 mm流道的實驗數(shù)據(jù)和模型計算結(jié)果之間相差幾倍之多，但是在變化趨勢上卻非常相似;3 mm流道模型與計算結(jié)果之間相差更大.造成這些偏差的原因主要因為模型中壁面切應力和液膜厚度的計算公式都是從普通圓管中得到的經(jīng)驗公式，當用于尺度相對較小的環(huán)型流道時的適用性不好，另一方面攪混流本身是一個非常復雜的不穩(wěn)定過程，對其發(fā)生機理的認識還需要進一步深入研究.

4 結(jié)束語

可視化研究表明:在3 mm和5 mm流道內(nèi)的流型主要有泡狀流、攪混流和攪混-環(huán)狀流3種，而其中攪混流是最重要的一種流型，幾乎占據(jù)了整個飽和沸騰區(qū)域;在流型從彈狀流向攪混流轉(zhuǎn)變時，3 mm流道內(nèi)氣泡運動不易受阻，更容易發(fā)生流型的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變點位置的壁溫峰值低于5mm流道;攪混流具有環(huán)狀流的本質(zhì)特征，其形成機理可以由液泛原理來解釋，因此在傳熱模型中引入此模型，可以使模型更加合理.

附錄

Cpl比熱，J·kg－1·℃－1;u*摩擦速度，m·s－1;

tw壁溫，℃; tb氣泡周期，s;

tl水溫，℃;

jg氣相折算速度，m·s－1;

jl液相折算速度，m·s－1;

kl水的導熱系數(shù)，W·m－1·℃－1;

FwL由壁面切應力導致的壓降體度，Pa·m－1;

β液體夾帶率; τ切應力Pa;

τw壁面切應力，Pa; ρl水密度，kg·m－3;

ρg氣密度，kg·m－3; υ運動黏度，m2·s－1.

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