低溫液氮管路預冷實驗研究

施軼煒 王 文 耑 銳 張 亮 金 鑫

（1 上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240）

（2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201108）

1 引言

低溫流體在能源、航天、電子冷卻等領域有廣泛的應用背景。近十幾年來,低溫流體的應用領域得到不斷擴展,不僅用作航天領域發(fā)動機的推進劑以及在軌預冷的制冷劑,還被用來冷卻計算機硬件以增加計算速度[1]。使用低溫流體對輸運管路進行預冷是低溫流體輸運中的一項重要工藝流程。國內(nèi)外學者多以仿真計算和實驗驗證相結合的方式對低溫流體管內(nèi)流動換熱進行研究。

Velat 等[2]以水平管路中的液氮作為實驗對象,通過多工況實驗發(fā)現(xiàn)液氮的質量流量對水平管內(nèi)流型分布具有很大的影響。Hu 等[3]開展了豎直方向的液氮管路冷卻實驗,探究豎直管路冷卻速率與管內(nèi)的流型變化,發(fā)現(xiàn)豎直向上管路的冷卻時間比豎直向下管路更長,臨界熱流密度更小。Hartwig 等[4]通過豎直管路預冷實驗,比較了液氮和液氫在流型轉變和換熱特性上的差距,發(fā)現(xiàn)液氮預冷管路以膜態(tài)沸騰為主,而液氫預冷管路膜態(tài)沸騰持續(xù)時間較短。劉海飛等[5]搭建了低溫水平加注管路系統(tǒng)預冷實驗,并安裝了可視化觀察窗以觀察水平管路流型的瞬態(tài)變化。Jin 等[6]采用液氮作為工質,研究了長距離輸送管的預冷特性,并通過實驗數(shù)據(jù)對經(jīng)驗公式進行了修正。Darr 等[7-8]以不銹鋼管道作為實驗對象,開展不同流向的預冷實驗,發(fā)現(xiàn)豎直方向管路的預冷效率優(yōu)于水平和傾斜管路。

綜上所述,現(xiàn)有實驗多以管內(nèi)流型及整體換熱特性為研究對象,對預冷過程管內(nèi)流型特征及其換熱性能的分析并不充分,而且對預冷流體流動角度影響的討論較少。本文搭建了可調節(jié)角度的管路預冷實驗臺,并在管路上下游不同截面、不同水平高度處布置壁溫測點,以深入討論管路預冷過程的換熱特征。

2 實驗系統(tǒng)介紹

實驗系統(tǒng)的裝置實物圖如圖1 所示,實驗系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。液氮從自增壓液氮罐流出后,先后經(jīng)過截止閥、渦輪流量傳感器、溫度變送器、壓力變送器和安全閥,將上游測試段管路進行預冷,液氮的流量可根據(jù)液氮罐的壓力以及閥門的開度進行調節(jié)。待測試段完成冷卻后,關閉旁路閥門,打開實驗端閥門,保證液氮以單相過冷的狀態(tài)進入不銹鋼實驗管路。不銹鋼管路的壁面溫度由四線制鉑電阻進行測量,并與管道入口的壓力、溫度、流量信號一同由數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34970A）采集儲存到計算機中。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置實物圖Fig.1 Physical picture of experimental system elements

圖2 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of experimental test loop

為研究管路沿程液氮預冷效率的差異,分別選取距離管道入口100 mm、250 mm、550 mm 三個截面為重點數(shù)據(jù)采集截面；為分析液位及液氮流向對管路冷卻及換熱特性的影響,在管路同一截面的上、中、下3個位置均布置鉑電阻,布置位置如圖3 所示。

圖3 壁溫測點位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of wall temperature measuring points

3 實驗結果與討論

3.1 實驗工況介紹

實驗共設計了7 種不同的工況,用于分析管路流向、流量及管路進出口壓差對管內(nèi)液氮預冷沸騰換熱性能的影響。其中3 種工況在水平管路中進行實驗,4 種工況在傾斜30°的工況下進行,通過實驗段支架角度的調節(jié)控制液氮流向,管路實物圖如4 所示。實驗中液氮流量通過液氮罐閥門及截止閥的開度進行調節(jié),通過控制閥門開度來保證液氮流量在趨勢和數(shù)值上近似相同。管路的壓差通過調節(jié)液氮罐的增壓閥進行控制。綜上所述,7 種工況的實驗匯總表如表1 所示。

圖4 不同流向實物圖Fig.4 Photos of different flow directions in experiments

表1 實驗工況匯總表Table 1 Conditions for experiments

3.2 各工況壓力與流量變化分析

鑒于管路預冷過程受復雜兩相流動的影響,流體的壓力和流量均會對管壁的溫降和換熱產(chǎn)生影響,因此對工況1—7 的瞬態(tài)入口壓強和流量進行記錄,結果如圖5 所示。由圖5 可知,管內(nèi)液氮壓力和流量總體呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象,在實驗開始后一段時間內(nèi)均發(fā)生了波動的情況。此外,通過流量的變化也可以發(fā)現(xiàn),在控制其他因素不變的情況下,控制閥門開度可以對流量起到有效的調節(jié)和控制作用。當閥門的開度較大時,流量最后會趨于2.0 m3/h,當閥門的開度適中或者較小時,流量會分別趨于1.5 m3/h 和1.0 m3/h。

圖5 壓強和流量記錄Fig.5 Records of pressure and flow rate

3.3 水平預冷管路溫降分析

以工況2 為參考工況,管壁面的監(jiān)測位置以圖3為標準,討論水平輸運管路的預冷情況,分析管路沿程方向不同位置處的壁面溫度變化,結果如圖6所示。

圖6 水平管路壁面溫度隨時間變化規(guī)律Fig.6 Wall temperature traces for horizontal pipe

結合實驗數(shù)據(jù)特征和現(xiàn)有研究,管路的預冷換熱過程可劃分為以下5 個階段:氣相強制對流換熱階段、膜態(tài)沸騰階段、過渡沸騰階段、核態(tài)沸騰階段以及液相強制對流換熱階段。當液氮進入管路后,巨大的溫差使得液氮發(fā)生沸騰劇烈汽化,管壁面汽化的速度遠大于氣體被帶走的速度,因此會在壁面和液氮之間產(chǎn)生一層氣膜,從而發(fā)生膜態(tài)沸騰,阻礙了壁面的冷卻。此時管路后段由于沒有液氮的介入,仍處于氣相強制對流換熱階段。隨著液氮的不斷注入,氣膜逐漸產(chǎn)生破裂,液氮開始接觸壁面,沸騰模式開始由膜態(tài)沸騰向過渡沸騰和核態(tài)沸騰轉變,管壁面溫度發(fā)生驟降,直至管內(nèi)充滿液氮完成預冷。從圖中還可以看出:離管道入口最近的截面1 處壁面并沒有明顯的沸騰模式轉變現(xiàn)象,管壁面的溫度下降趨勢全程近似相同,而管道前段的截面2 與后段的截面3 均可觀察到壁面溫度發(fā)生驟降的情況,可視為膜態(tài)沸騰結束的標志。現(xiàn)將截面2、3 的6 個觀測點膜態(tài)沸騰結束時間和壁面溫度數(shù)據(jù)重點討論,如圖7 所示。

圖7 各測點膜態(tài)沸騰結束情況Fig.7 End situation of film boiling for observation points

由圖7 可知,水平管路同一截面的頂部、中部以及底部,膜態(tài)沸騰持續(xù)的時間幾乎相同,底部會略微優(yōu)先開始向過渡沸騰轉變,原因可能是因為在重力的作用下,液氮往管路底部沉積導致氣膜更早發(fā)生破裂；管路下游膜態(tài)沸騰持續(xù)時間看起來更長,但鑒于產(chǎn)生氣膜的速率不同,膜態(tài)沸騰的起始時間也不同,因此無法作橫向對比,需要進行進一步的可視化實驗以觀察氣膜的演化；同一截面底部的再濕潤溫度最低,其次是中部,頂部的再濕潤溫度最高,這點可能是因為液氮的堆積導致管路底部的溫度更低；管路下游的再濕潤溫度明顯比上游低；液氮最低膜態(tài)沸騰溫度大致范圍為120—140 K。

為驗證實驗的可信度,曾對水平管的預冷過程進行了仿真計算,管路尺寸及壁溫監(jiān)測位置與實驗保持一致,膜態(tài)沸騰及核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)采用Darr[8]提出的經(jīng)驗公式,預冷沸騰特征點的計算則分別采用Jin[6]和Darr[9]提出的公式,Wang 等[10]證明了上述公式在水平管路預冷計算中的適用性。計算與實驗結果的對比如圖8 所示。從圖8 可以看出,二者總體上吻合較好,也從一方面說明上述針對實驗的定性分析合理。鑒于數(shù)值計算根據(jù)壁面溫度決定沸騰模式和傳熱系數(shù),而實際實驗中管路上游沸騰模式的轉變不如下游明顯,因此下游的計算結果與實驗數(shù)據(jù)更加吻合。

圖8 計算結果和實驗數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison of calculation and experiment

3.4 不同流向對管路預冷的影響

鑒于工況2、7 的液氮壓力和流量變化比較相似,選取工況2、7 作為討論流向對管路預冷影響的參考對比工況,工況2 為水平管路,工況7 為傾斜30°管路。將兩組工況的管壁面溫度變化情況作圖,如圖9 所示。由圖9 可知,針對管道預冷過程的同一截面位置,水平管路和傾斜管路的溫降趨勢有所差異。在管道的前段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)時間比水平管道更短,也更早完成預冷,而再潤濕溫度相差不大；在管道的后段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)的時間則更長,再潤濕溫度比水平管道高,管路整體完成冷卻的時間也更長。以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是在重力作用下,液氮在傾斜管道具有沿程加速度,從而對氣膜形成更大的沖擊力。另一方面,傾斜管道的氣膜會在管壁面產(chǎn)生滑移現(xiàn)象,逐漸往管道下游移動,從而在管道下游形成更穩(wěn)定的氣膜。

3.5 壓降對管路預冷的影響

在控制流向和閥門開度一致的情況下調節(jié)自增壓液氮罐的增壓閥,可以對入口液氮實現(xiàn)加壓。由于實驗出口為開放的環(huán)境壓力,因此可以分析管路進出口壓降對管路預冷的影響。對比分析工況5和7 的壓力及流量,如圖10 所示,在控制閥門開度一致的情況下,液氮的流量均在1.5 m3/h 左右浮動,此時增加液氮罐的壓力,液氮流量會在1.0—1.5 m3/h 區(qū)間內(nèi)發(fā)生小范圍的振蕩。在此條件下,分析對比管路壁面溫降情況,如圖11 所示。由圖11 可知,在改變?nèi)肟谝旱獕毫Φ那闆r下,管路最終預冷達到的溫度也不同,且壓力越大,預冷溫度越高。這是因為液氮罐內(nèi)存儲的液氮過冷度比較低,在增大壓力的情況下,液氮的飽和溫度會相應上升,使得管路最終完成預冷的溫度變高。此外,增大進出口壓差可以提高管路預冷效率,液氮壓力的增大會使管道壁面溫度更快下降,并且管路下游更為明顯,甚至可以節(jié)省約一半時間。進一步分析溫降曲線,在增大液氮壓力的情況下,壁面的再潤濕溫度會略微上升,但影響不大,過渡沸騰和核態(tài)沸騰階段溫降趨勢也較為相似。因此可以推測增大液氮壓力可以增大氣相強制對流以及膜態(tài)沸騰階段的傳熱系數(shù)。

圖10 工況5 和7 壓力和流量對比Fig.10 Comparison of pressure and flow rate for case 5 and 7

圖11 不同入口壓力下管路的壁面溫度變化情況Fig.11 Wall temperature traces for different inlet pressure

如圖10 所示,在液氮流量趨近1.5 m3/h 的工況下,保持閥門開度不變,增大液氮罐的壓力會使液氮流量在1.0—1.5 m3/h 區(qū)間內(nèi)發(fā)生小范圍震蕩,因此管路完成預冷過程中液氮的總消耗量更低。在一定范圍內(nèi)增大液氮的壓力不僅可以加快管路預冷的效率,還可以減少制冷劑的消耗量。

4 結 論

建立了內(nèi)徑為20 mm,長度為700 mm 的不銹鋼輸運管路液氮預冷沸騰實驗,探究了水平管路預冷過程中沿程不同截面的溫降特點,討論了上游預冷情況、管道流向以及入口液氮壓力對管路預冷的影響。根據(jù)實驗結果得到以下結論:

針對管路上游進行預冷,可以避免液氮在進入管路后壓力和流量發(fā)生劇烈的波動,因此在實際工程應用中,有必要針對管路上游進行預冷；管路預冷沿程方向的沸騰換熱模式會略有差異,管路前段并無明顯的膜態(tài)沸騰向過渡沸騰轉變的特征變化,同一截面管路底部的再潤濕溫度更低,同一水平面管路后段的再潤濕溫度更低；對于管道前段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)時間比水平管道短,對于管道后段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)的時間則更長,再潤濕溫度比水平管道高；增大管路進出口壓降不僅可以加快管路預冷的效率,還可以減少制冷劑的消耗量。