空氣對(duì)水平管內(nèi)蒸汽強(qiáng)制對(duì)流冷凝換熱特性的影響

徐慧強(qiáng)，孫中寧，谷海峰，李昊

(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)

新型三、四代核電技術(shù)中為避免在核電站發(fā)生LOCA以及主蒸汽管道破裂等嚴(yán)重事故下，安全殼因超壓而發(fā)生破損的情況出現(xiàn)，設(shè)計(jì)了非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(possive containment cooling system，PCCS)。通過該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的冷凝器使安全殼內(nèi)含不凝性氣體的高溫蒸汽發(fā)生冷凝，從而最終實(shí)現(xiàn)安全殼的減壓降溫，確保其完整性不受破壞［1－2］。目前大多數(shù)PCCS系統(tǒng)主要使用豎直管換熱器，但是由于水平管冷凝器具有更強(qiáng)的換熱能力，更高的耐壓效果［3］，在沸水堆ABER－Ⅱ的PCCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了U型水平管冷凝器，以獲得更好的減溫降壓效果［4］。研究水平管內(nèi)含不凝性氣體的蒸汽冷凝特性對(duì)改進(jìn)PCCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

相對(duì)于豎直管冷凝，水平管內(nèi)的冷凝換熱過程受氣液兩相流型的影響較大。這使得已有的有關(guān)豎直管冷凝換熱特性的研究結(jié)果并不能很好的應(yīng)用于水平管內(nèi)。目前國內(nèi)外針對(duì)含不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱特性研究主要集中于豎直管;有關(guān)水平管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流冷凝的研究相對(duì)較少［5－8］。本文對(duì)含空氣蒸汽在水平管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流冷凝換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了空氣含量及氣相流速對(duì)局部換熱系數(shù)的影響，并對(duì)不同空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，局部換熱系數(shù)和換熱管上、下壁面溫度沿管軸向分布規(guī)律進(jìn)行了研究，以期對(duì)水平管內(nèi)含空氣條件下的蒸汽強(qiáng)制對(duì)流冷凝換熱過程有更完整的認(rèn)識(shí)和了解。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，由蒸汽系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)件組成。飽和蒸汽由電加熱鍋爐產(chǎn)生，與空壓機(jī)供應(yīng)的空氣進(jìn)行充分混合后進(jìn)入換熱管內(nèi)，與管外環(huán)腔內(nèi)的冷卻水進(jìn)行熱量交換，使部分蒸汽凝結(jié)成水。凝液與未被冷凝的混合氣體一同進(jìn)入汽水分離器進(jìn)行汽液分離，分離出的氣體通過汽水分離器上部閥門排放到大氣;凝液向下通過凝液罐排放到地溝。冷卻水由離心泵驅(qū)動(dòng)與換熱管內(nèi)混合氣體呈逆向流動(dòng)，吸收熱量后流回到冷卻水箱內(nèi)。

蒸汽與冷卻水的體積流量分別由渦街流量計(jì)和渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量;空氣質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量;混合氣和冷卻水進(jìn)出口溫度由布置在相應(yīng)位置上的T型鎧裝熱電偶測(cè)量;換熱管進(jìn)出口壓力由壓力傳感器測(cè)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)段由外徑28 mm，壁厚1.5 mm的不銹鋼管插入內(nèi)徑為42 mm，壁厚為3 mm的套管內(nèi)組成，有效換熱長度1 500 mm。為使內(nèi)、外套管間保持良好的同軸度，在沿套管軸向的3個(gè)截面上采用定位螺釘進(jìn)行同心定位。

在實(shí)驗(yàn)段環(huán)腔內(nèi)，沿蒸汽流動(dòng)方向等間距設(shè)置6個(gè)測(cè)量截面，具體位置如圖2(a)所示。每個(gè)測(cè)量截面處上下對(duì)稱地布置2對(duì)熱電偶(如圖2(b)所示)，分別測(cè)量環(huán)腔冷卻水溫度和換熱管外壁面溫度。

圖2 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of test section

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)過程中通過不斷調(diào)節(jié)蒸汽入口閥門，空氣入口閥門及汽水分離器上的排氣閥門，使蒸汽流量，空氣流量及換熱管入口壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，待所測(cè)各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后，通過NI系統(tǒng)采集并記錄數(shù)據(jù)，之后通過調(diào)節(jié)蒸汽與空氣入口流量，改變實(shí)驗(yàn)工況，重復(fù)上述步驟。

由熱平衡關(guān)系式:

可以得到換熱管外壁面?zhèn)染植繜崃髅芏萹為

式中:Mc為冷卻水質(zhì)量流量，kg/s;cp為冷卻水定壓比熱容，kJ/(kg·K);Do為換熱管外徑，m;Tc為截面冷卻水平均溫度，℃;dTc/dL為冷卻水沿軸向溫度梯度。本文通過對(duì)各截面冷卻水平均溫度進(jìn)行擬合得到其沿軸向的分布曲線，再通過求導(dǎo)即求得該溫度梯度。

相應(yīng)的換熱管內(nèi)壁面溫度按下式計(jì)算:

式中:Twi、Two分別為換熱管內(nèi)、外壁面截面平均溫度，℃;λ為換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);Di為換熱管內(nèi)徑，m。

換熱管內(nèi)任一測(cè)量截面處的平均冷凝換熱系數(shù)hi計(jì)算公式為

式中:Ts為換熱管內(nèi)蒸汽－空氣混合氣溫度，℃。實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為蒸汽與空氣溫度保持相同，并且蒸汽始終處于飽和狀態(tài)。因此，Ts即為混合氣中蒸汽分壓下的飽和溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 空氣含量與氣相流速對(duì)局部換熱系數(shù)的影響

固定混合氣入口體積流量，通過改變混合氣中蒸汽與空氣的質(zhì)量配比，得到局部換熱系數(shù)隨軸向空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的情況，典型結(jié)果如圖3所示。

圖3 局部換熱系數(shù)隨軸向空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Variation of local condensation heat transfer coefficient with air mass fraction

從圖3可以看出，在不同空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，局部換熱系數(shù)均隨軸向空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸減小。這是由于當(dāng)混合氣中的蒸汽與冷壁面接觸被凝結(jié)成水時(shí)，主流氣體與凝液交界面上局部壓力下降，這使得空氣在壓差的作用下聚集在凝液表面形成空氣層。此時(shí)蒸汽必須通過擴(kuò)散穿過空氣層才能進(jìn)一步與換熱管壁接觸而被凝結(jié)。這個(gè)過程增加了冷凝換熱的熱阻，因此使得局部換熱系數(shù)隨空氣含量的增加而減小。

從圖3中還可以看到，在局部空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，不同工況下局部換熱系數(shù)并不相同，這說明除局部空氣含量之外，存在其他影響局部換熱能力的因素。考慮到混合氣冷凝過程中，隨著蒸汽不斷凝結(jié)，局部空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化的同時(shí)，氣相流速也會(huì)發(fā)生明顯的改變。這種氣相流速的變化會(huì)對(duì)凝液厚度以及蒸汽穿過氣液界面空氣層的擴(kuò)散過程產(chǎn)生影響。為能夠分析氣相流速對(duì)局部換熱能力的影響，通過計(jì)算得到相應(yīng)工況下，氣相折算速度隨局部空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化結(jié)果，如圖4所示。

在圖4中選擇3種氣相折算速度的變化情況:降流速，定流速和升流速(分別為圖4中線①、②、③)，分析對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)下局部換熱系數(shù)隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律(如圖3中線①、②和③所示)。從結(jié)果中可以清楚地看出，相比定流速條件下局部換熱系數(shù)隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化結(jié)果(w增加0.23，hi減少31.1%)，在降流速條件下，局部換熱系數(shù)的變化幅度較大(w增加0.21，hi減少37.7%);而在升流速條件下，局部換熱系數(shù)的變化幅度較小(w增加0.26，hi減少28.7%)。這說明，氣相流速的增加會(huì)削弱空氣對(duì)局部換熱系數(shù)的影響，反之則會(huì)增強(qiáng)。

解釋氣相流速對(duì)局部換熱能力的影響，可以從冷凝過程的熱阻角度來分析?；旌蠚饫淠龘Q熱過程熱阻主要由2個(gè)部分組成:1)凝液側(cè)熱阻，其大小由凝液層厚度決定;2)空氣側(cè)熱阻，其大小由氣液界面處空氣擴(kuò)散層厚度決定。氣相流速增加會(huì)帶來2個(gè)方面的效果1)主流氣體對(duì)凝液膜表面的粘滯應(yīng)力增大，對(duì)凝液的攜帶作用加強(qiáng)，使得凝液膜厚度減小，相應(yīng)的凝液側(cè)熱阻降低;2)混合氣體內(nèi)部的攪渾更加劇烈，這使得凝液表面的空氣擴(kuò)散層厚度減薄，蒸汽更容易與冷壁面接觸而發(fā)生凝結(jié)，空氣側(cè)熱阻隨之減小。這2個(gè)方面的效果使得冷凝換熱的總熱阻隨主流氣體流速的增加而減小，減弱了局部空氣含量增加對(duì)換熱的抑制效果，促進(jìn)了冷凝換熱過程的進(jìn)行。

2.2 空氣對(duì)換熱管外壁面溫度沿軸向分布的影響

圖5為不同空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)工況下，換熱管外上、下壁面溫度沿?fù)Q熱管軸向的分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在純蒸汽條件下(w=0)，上壁面溫度始終大于下壁面;而在蒸汽中加入空氣后，上壁面溫度會(huì)在換熱管軸向某一位置之前大于下壁面，而在此之后，下壁面溫度則會(huì)大于上壁面，并且該位置隨空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸向換熱管入口移動(dòng)。

圖5 不同空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)下?lián)Q熱管上、下外壁面溫度沿管長分布對(duì)比結(jié)果Fig.5 Axial temperature profiles of the top and bottom of tube for different inlet air mass fractions

純蒸汽冷凝時(shí)，換熱熱阻主要為凝液熱阻，凝液層厚度大小直接決定換熱能力的強(qiáng)弱，從而影響外壁面溫度的高低。由于受重力作用，換熱管內(nèi)上壁面處的凝液厚度始終小于下壁面，使得上壁面處局部換熱能力強(qiáng)于下壁面，最終出現(xiàn)上壁面溫度始終大于下壁面的結(jié)果。

與純蒸汽冷凝不同，當(dāng)加入空氣后，即使含量較小，也會(huì)對(duì)冷凝換熱產(chǎn)生較大的抑制作用［9］。此時(shí)冷凝換熱過程的主導(dǎo)熱阻由凝液熱阻變化為氣液界面上的空氣側(cè)熱阻，凝液表面空氣層厚度將決定局部換熱的強(qiáng)弱?？紤]到氣液兩相流型可能會(huì)對(duì)氣液界面處空氣層內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生影響，間接地影響空氣側(cè)熱阻，使用Breber流型圖［10］對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行流型判斷。結(jié)果表明:對(duì)于所有實(shí)驗(yàn)工況，管內(nèi)處于均環(huán)狀流向波狀流的轉(zhuǎn)變區(qū)域。在此流型條件下，換熱管底部凝液表面上會(huì)出現(xiàn)明顯的波浪。這種波浪會(huì)帶動(dòng)氣液界面上空氣產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，增加了空氣擴(kuò)散層內(nèi)部的擾動(dòng)，減小蒸汽擴(kuò)散過程的阻力，從而降低了空氣側(cè)熱阻。當(dāng)波浪起伏到達(dá)一定程度后，由于換熱管底部凝液表面波浪幅度遠(yuǎn)強(qiáng)于換熱管頂部，會(huì)使得下壁面處局部空氣熱阻從換熱管軸向某一位置處之后小于上壁面，此時(shí)下壁面的局部換熱強(qiáng)度將大于上壁面，其對(duì)應(yīng)溫度也將高于上壁面。并且，當(dāng)空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，相同軸向位置上氣相速度增加，凝液表面的波浪幅度增大，使得空氣側(cè)熱阻削弱效果的更為明顯，相應(yīng)的下壁面處的局部換熱能力更強(qiáng)，最終上、下壁面溫度交叉點(diǎn)的位置向換熱管入口移動(dòng)。

2.3 空氣對(duì)局部換熱系數(shù)沿軸向分布的影響

圖6為純蒸汽和不同空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)工況下，局部換熱系數(shù)沿?fù)Q熱管軸向的分布情況。結(jié)合流型判斷結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):管內(nèi)處于波狀流時(shí)，局部換熱系數(shù)沿軸向的變化趨勢(shì)基本保持不變，大致呈線性變化;在環(huán)狀流范圍內(nèi)，局部換熱系數(shù)沿軸向下降相對(duì)較快，隨著空氣入口含量增加，局部換熱系數(shù)變化幅度逐漸減小，并向逐漸接近波狀流條件下的變化趨勢(shì)。這種結(jié)果說明流型變化對(duì)局部換熱沿軸向分布的影響會(huì)隨空氣含量的增加逐漸減弱。3)局部換熱系數(shù)沿軸向分布規(guī)律在波狀流和分層流下存在一定的差異;當(dāng)空氣入口含量逐漸增加時(shí)，波狀流內(nèi)換熱系數(shù)沿管長的變化會(huì)逐漸趨近于分層流。

圖6 不同空氣入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，局部換熱系數(shù)沿?fù)Q熱管軸向的分布Fig.6 Axial profile of local condensation heat transfer coefficient for different inlet air mass fractions

眾所周知，管內(nèi)氣液兩相流型通過影響凝液在換熱管橫截面上的周向分布，改變凝液測(cè)熱阻，最終令不同流型條件下局部換熱系數(shù)軸向變化存在差異。根據(jù)前文所述，蒸汽－空氣混合氣冷凝換熱的熱阻集中于空氣側(cè)，凝液側(cè)熱阻對(duì)換熱的影響會(huì)隨著空氣入口含量的增加逐漸減弱，由于流型不同所造成的凝液熱阻改變對(duì)局部換熱系數(shù)的影響也會(huì)相應(yīng)減小，使得不同流型下冷凝過程的局部換熱系數(shù)沿軸向變化規(guī)律差異減小，總體變化趨勢(shì)趨于一致。

3 結(jié)論

1)含空氣蒸汽冷凝條件下，換熱管內(nèi)局部換熱系數(shù)隨空氣含量的增加逐漸減小;氣相流速的增加會(huì)從增強(qiáng)混合氣內(nèi)部擾動(dòng)和減薄凝結(jié)液膜兩方面，減小空氣對(duì)冷凝換熱的抑制效果。

2)由于主導(dǎo)熱阻的變化，對(duì)于純蒸汽冷凝，換熱管上壁面溫度始終大于下壁面;加入空氣后，下壁面溫度會(huì)在軸向某一位置后大于上壁面，并且隨著空氣入口含量的增加，該位置逐漸向混合氣入口位置移動(dòng)。

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