豎直圓管外含空氣蒸汽冷凝傳熱的實(shí)驗(yàn)研究

宿吉強(qiáng)，孫中寧，范廣銘，侯曉凡

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

豎直圓管外含空氣蒸汽冷凝傳熱的實(shí)驗(yàn)研究

宿吉強(qiáng)，孫中寧，范廣銘，侯曉凡

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

通過對(duì)含空氣蒸汽在豎直圓管外表面冷凝傳熱的實(shí)驗(yàn)研究，分析了空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓力及過冷度對(duì)蒸汽冷凝換熱的影響，給出了含空氣蒸汽的冷凝傳熱過程中的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。結(jié)果表明：在空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)及壓力不變的條件下，壁面過冷度對(duì)冷凝傳熱系數(shù)的影響高于純蒸汽冷凝過程中的Nusselt層流解；所得到的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式具有更廣的適用范圍，且其與實(shí)驗(yàn)值的誤差在±10%以內(nèi)。

含空氣蒸汽；冷凝傳熱系數(shù)；壁面過冷度

新型的三代、四代反應(yīng)堆中采用的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)是依靠含空氣蒸汽在凝結(jié)壁面上的冷凝導(dǎo)出安全殼內(nèi)熱量的?？諝獾拇嬖谠黾恿死淠齻鳠徇^程中的傳熱傳質(zhì)阻力，對(duì)蒸汽的傳熱有著至關(guān)重要的影響［1］。含空氣蒸汽的冷凝同時(shí)受到壁面過冷度、壓力和空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)等諸多參數(shù)的影響，這增加了研究的難度［2-5］。為考察各參數(shù)對(duì)冷凝傳熱的影響，并得到在更大參數(shù)范圍內(nèi)適用的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，本文在壓力為0.2～0.7MPa、空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～95%、壁面過冷度為27～67℃的條件下，對(duì)蒸汽在豎直圓管外壁面的自然對(duì)流冷凝過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，外徑38mm、壁厚2mm的光滑不銹鋼實(shí)驗(yàn)管位于直徑為565mm的圓柱形換熱器的中心位置，實(shí)驗(yàn)管裸露在換熱器內(nèi)的長度為2m，剩余管段被隔熱層包裹。換熱器外壁同樣包裹有隔熱材料，用以降低換熱器對(duì)環(huán)境的散熱。為保證實(shí)驗(yàn)過程導(dǎo)入的蒸汽在換熱器內(nèi)混合均勻，在換熱器蒸汽入口處設(shè)置兩層均氣孔板。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of experiment system

換熱器內(nèi)的壓力通過精度等級(jí)為0.075的壓力傳感器進(jìn)行測量。換熱器內(nèi)的溫度測量采用精度為0.1%的鎳鉻-鎳硅熱電偶，壁面上的測溫?zé)犭娕即怪秉c(diǎn)焊在實(shí)驗(yàn)管段的9個(gè)截面上，9個(gè)截面沿管軸向均勻分布。每一截面的壁面對(duì)稱安裝2對(duì)熱電偶，同時(shí)在每一截面上均裝有1對(duì)熱電偶測量換熱器內(nèi)的主流混合氣體溫度，主流溫度測點(diǎn)距實(shí)驗(yàn)管外壁面80mm。實(shí)驗(yàn)段入口和出口處各安裝1套精度為0.5%的鎧裝式銅-康銅熱電偶，測量冷卻水進(jìn)、出口溫度。溫度及壓力傳感器數(shù)據(jù)用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測，輸入計(jì)算機(jī)處理。

實(shí)驗(yàn)過程中冷卻水入口溫度在30℃左右，通過控制流量，使冷卻水進(jìn)、出口溫升控制在5～8℃的范圍內(nèi)，降低實(shí)驗(yàn)管內(nèi)側(cè)溫度分布不均對(duì)管外冷凝的影響。氣側(cè)主流溫度的測量采用各測點(diǎn)取平均的方法，實(shí)驗(yàn)中各主流測點(diǎn)的最大溫差在3℃以內(nèi)［5］時(shí)，認(rèn)為各組分氣體混合均勻。為消除動(dòng)態(tài)冷凝的影響，實(shí)驗(yàn)中各組數(shù)據(jù)均在調(diào)節(jié)組分并穩(wěn)定100s后進(jìn)行采集，每組數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為10s，通過多次采集在各參數(shù)趨于穩(wěn)定后進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)記錄。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

文獻(xiàn)［5］認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中換熱器內(nèi)部的含空氣蒸汽為飽和狀態(tài)，且將空氣及蒸汽均視作理想氣體，由理想氣體狀態(tài)方程可對(duì)不同空氣含量下的蒸汽溫度進(jìn)行計(jì)算。忽略換熱器對(duì)環(huán)境的散熱，則換熱器內(nèi)氣體冷凝放出的熱量等于管側(cè)冷卻水吸收的熱量，在計(jì)算冷凝傳熱系數(shù)h時(shí)有：

式中：M為冷卻水的質(zhì)量流量；h2、h1分別為冷卻水出口及入口的焓；A為實(shí)驗(yàn)管的外表面積；tb、tw分別為換熱器內(nèi)混合氣體的主流溫度及實(shí)驗(yàn)管的外壁面溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壁面過冷度的影響

冷凝過程中，壓力及空氣含量會(huì)對(duì)壁面過冷度產(chǎn)生較大的影響，在這兩個(gè)參數(shù)變化的條件下無法準(zhǔn)確考察壁面過冷度對(duì)h的單一影響。為此，實(shí)驗(yàn)在管外壓力p＝0.5MPa、空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wa＝25%和60%的條件下，通過調(diào)節(jié)管內(nèi)冷卻水流量，改變冷凝換熱量，對(duì)壁面過冷度進(jìn)行研究。

采用多元線性回歸得到的Liu關(guān)聯(lián)式認(rèn)為壁面過冷度同h正相關(guān)，而從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2）中可看出，壁面過冷度的增加對(duì)h的影響是負(fù)面的，與Dehbi關(guān)聯(lián)式的趨勢相近。參考文獻(xiàn)［5］的觀點(diǎn)，認(rèn)為壁面過冷度對(duì)h的影響呈指數(shù)規(guī)律，結(jié)合壓力及空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，有：

圖2 壁面過冷度對(duì)冷凝傳熱系數(shù)的影響Fig.2 Effect of wall subcooling on condensation heat transfer coefficient

式中：α為過冷度的指數(shù)項(xiàng)；F（Wa，p）為Wa及p的函數(shù)。

通過對(duì)壁面過冷度的指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行線性回歸，可得到α為-0.6。在得到α的條件下，由實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到F（Wa，p），同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合值的相對(duì)偏差在±5%以內(nèi)，如圖3所示。

圖3 過冷度影響修正后的F（Wa，p）Fig.3 F（Wa，p）based on revised subcooling

實(shí)驗(yàn)中得到α為-0.6，Nusselt［6］純蒸汽冷凝的層流解中過冷度的指數(shù)為-0.25，這一方面說明了含空氣蒸汽冷凝過程中壁面過冷度的增加會(huì)使h降低，不利于高效換熱；另一方面也說明了相對(duì)于純蒸汽的冷凝過程，空氣的存在，使h受壁面過冷度的影響更加明顯。

2.2 壓力及空氣含量的影響

在壓力、空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的條件下，對(duì)蒸汽的冷凝傳熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果示于圖4。由圖4可看出：固定壓力條件下，h隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，且隨空氣含量的增加，h降低的速度下降；相同空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，h隨壓力的增加而增大，在空氣含量較高的條件下，壓力影響同樣減弱。

圖4 空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與冷凝傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4 Air mass fraction vs.condensation heat transfer coefficient

根據(jù)壓力及空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，可擬合出F（Wa，p）的變化曲線，如圖5所示。進(jìn)一步結(jié)合對(duì)過冷度影響的分析，可得到h隨壁面過冷度、空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)及壓力變化的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

圖5 F（Wa，P）與空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.5 F（Wa，P）vs.air mass fraction

適用范圍為：0.20≤Wa≤0.80；0.2MPa≤ p≤0.7MPa；27℃≤tb-tw≤67℃。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的F（Wa，p）與關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果的對(duì)比顯示，關(guān)聯(lián)式的誤差范圍為±10%，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.6 Comparison of correlation and experimental data

2.3 對(duì)比分析與評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步考察實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的適用性，將數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)式與其他關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對(duì)比。需說明的是，Dehbi的關(guān)聯(lián)式為了與平板參數(shù)對(duì)比而乘以0.8的修正系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)管徑參數(shù)與Dehbi的相同，為在圓管條件下與其對(duì)比，將其關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圓管下的值。而Uchida的關(guān)聯(lián)式過于保守，參考文獻(xiàn)［4］的意見，將其乘以2.2的修正系數(shù)。圖7示出在不同壓力下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與各關(guān)聯(lián)式的對(duì)比。

圖7 不同壓力條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與各關(guān)聯(lián)式的對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental data and different correlations

Uchida關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果雖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢一致，但其不能顯示壓力及壁面過冷度對(duì)h的影響，對(duì)于壓力變化大的冷凝工況，Uchida的預(yù)測結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大偏差。

在較小過冷度范圍內(nèi)通過多元線性回歸得到的Liu關(guān)聯(lián)式的預(yù)測結(jié)果明顯高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而除壁面過冷度之外，本文的實(shí)驗(yàn)范圍可涵蓋其工況，這一方面說明壁面過冷度對(duì)冷凝傳熱系數(shù)影響的重要性，另一方面也說明Liu關(guān)聯(lián)式在超出其適用范圍的擴(kuò)展性較差。

Dehbi關(guān)聯(lián)式在其適用范圍內(nèi)的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近，在不考慮過冷度影響的前提下，僅在0.7MPa壓力下其預(yù)測值偏小，其參數(shù)范圍具有較好的擴(kuò)展性。

本實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式由于是在對(duì)過冷度進(jìn)行單獨(dú)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的，且參考了更大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，使其在各參數(shù)的范圍內(nèi)均具有很好的適用性。

3 結(jié)論

1）含空氣蒸汽冷凝過程中，受液膜及空氣層的影響，壁面過冷度對(duì)h的影響大于Nusselt純蒸汽冷凝的層流解。2）實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，固定壓力條件下，h隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，且隨空氣含量的增加，h降低的速度下降；相同空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，h隨壓力的增加而增大，在空氣含量較高的條件下，壓力影響同樣減弱。3）在分析各參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到了h與壁面過冷度、空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)及壓力變化的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，誤差范圍小于±10%。4）與其他關(guān)聯(lián)式相比，本文所得到的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式具有更大的適用范圍，且能更好地反映過冷度的變化對(duì)h的影響。

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Experimental Study on Condensation of Steam With Air on Outer Wall of Vertical Pipe

SU Ji-qiang，SUN Zhong-ning，F(xiàn)AN Guang-ming，HOU Xiao-fan
（National Key Discipline Laboratory of Nuclear Safety and Simulation Technology，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

By carrying out experimental study on the condensation of steam with air on the outer wall of a vertical pipe，the effects of mass fraction of air，pressure and subcooling on steam condensation were analyzed，and the empirical correlations of condensation heat transfer of steam with the air were given.The results show that under the same air mass fraction and pressure conditions，the effect of wall subcooling on condensation heat transfer coefficient is greater than that of the pure steam condensation given by Nusselt laminar solution.The empirical correlation obtained is suitable for a wider application region and the correlation error associated with the experimental value is within±10%.

steam with air；condensation heat transfer coefficient；wall subcooling

TL332

A

1000-6931（2014）02-0263-04

10.7538／yzk.2014.48.02.0263

2012-11-07；

2012-12-12

宿吉強(qiáng)（1987—），男，山東煙臺(tái)人，博士研究生，從事反應(yīng)堆熱工水力研究