0 引言

流动沸腾起始点(onset of nucleate flow boiling,ONB)是指受热管道内流动的液体开始出现汽泡,并脱离管壁进入主流的状态点,通常将受热流道内管壁上最先且持续产生气泡的点定义为沸腾起始点。ONB和传热管壁温的变化特性是流动沸腾换热研究的重要内容之一,对于蒸汽锅炉、核反应堆、蒸汽发生器等动力装置的安全设计和可靠运行具有重要的意义^[1]。国内外专家学者对流动沸腾起始点及壁温变化特性进行了大量的研究。文献^[2]研究高流速下水的流动沸腾起始点特性,研究结果表明,ONB的热流密度主要受工质流速影响,而压力的影响可以忽略。文献^[3]对低压低流速条件下环缝内流动沸腾起始点特性进行研究,研究结果表明,压力、质量流速均对ONB的热流密度有影响。虽然国内外已对流动沸腾起始点及壁温变化特性进行大量的研究,但多数研究是对直管(束)进行的,曲线管内流动沸腾换热过程的研究较少,对螺旋管内流动沸腾起始点及壁温变化特性的研究更少^[4-7]。文献^[8]研究卧式螺旋管内R134a的过冷流动沸腾起始点特性,分析入口过冷度、压力等参数对沸腾起始点热流密度的影响,并发展相关经验关联式。文献^[9]研究卧式螺旋管内水的流动沸腾传热特性,得到管长方向和管截面周向上的换热系数分布及壁温分布规律。已有的研究结果表明,除受到重力的作用外,由于气液两相受到离心力和扭转力的作用,气相还受到浮升力的作用,致使螺旋管内流动沸腾起始点及壁温变化特性与直管有很大不同,针对直管的研究结果和预测关联式也不能适应或推广应用到螺旋管中,因此,对螺旋管内流动沸腾起始点及壁温变化特性的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

本研究以R134a为工质,试验研究质量流速对卧式螺旋管内流动沸腾起始点及壁温变化特性的影响,并对其机理进行分析,为螺旋管式换热器的可靠设计和安全运行提供参考依据。

1 试验系统及方法 1.1 试验装置

本试验是在山东大学汽液两相流动传热试验台上完成的,试验系统的结构见图 1。工质的循环由图 1中1提供动力,具有一定过冷度的循环工质被1泵出后经2进入3被加热,工质在3内发生从单相流动向流动沸腾的转变。3与4均为卧式螺旋管,分别由两个相同的电源加热,3每增加一定的加热量,4就相应地减少相同的加热量,从而保持整个试验系统输入总热量不变,以利于系统的平衡和稳定。从4出来的两相工质进入9被冷凝成为具有一定过冷度的液体,继而进入10,再次被1泵送完成一次循环。9的冷量由冷水机组提供。

1.2 沸腾起始点的确定方法

基于卧式螺旋管内流动沸腾换热的特点,采用逐渐增大加热热流密度的方法,通过考察某一确定位置的壁温变化趋势来确定沸腾起始点。当考察点发生沸腾时,传热条件相比于上一个热流密度下的单相对流换热会发生明显的变化,传热壁面温度会有明显的下降,此时即可确定该热流密度下这一位置发生了流动沸腾^[8]。

由于试验段的内壁温难以通过试验直接测得,因此螺旋管内壁温是由T型热电偶测得外壁温,再通过求解具有均匀内热源的一维稳态导热方程而计算得到的^[8]。数据处理时假设内热源均匀分布:

$\frac{{{\text{d}}^{2}}t}{\text{d}{{r}^{2}}}+\frac{1\text{d}t}{r\text{d}r}+\frac{1\text{d}\lambda }{\lambda \text{d}t}{{\left( \frac{\text{d}t}{\text{d}r} \right)}^{2}}+\frac{Q\eta }{Al\lambda }=0,$

(1)

式中:λ 为管壁的热导率,(W·m^-1·K^-1); A 为试验段管壁横截面积,m²。

试验段外包覆有绝缘材料,可近似认为绝热,所以该导热微分方程的边界条件为r=r_o时,t=t_o,$\frac{\text{d}t}{\text{d}r}$=0。采用Runge-Kutta方法对该方程进行数值求解可以得到管内壁温度t_i。试验时可根据需要调节得到不同的质量流速,按照上述方法即可获得不同质量流速下某一位置发生沸腾时的热流密度。

1.3 不确定度分析

温度测量不确定度:在本试验中,通过T型热电偶和K型热电偶测得温度,其测温误差均为0.3 ℃。数据采集系统存在系统误差,也就是温度补偿误差,大小为0.2 ℃,温度测量的最小值为4.0 ℃,最大相对不确定度为

${{R}_{\text{max}}}\left( T \right)=\frac{\sqrt{\delta T_{s}^{2}+\delta T_{p}^{2}}}{T}=9%$。

(2)

质量流量测量不确定度:采用科式质量流量计测量质量流量,量程范围为10～100 kg/h,测量精度为0.2级,工质流量的最小值为8.5 kg/h,信号精度为0.02％,最大相对不确定度为

${{R}_{\text{max}}}\left( G \right)=\frac{\sqrt{\delta G_{s}^{2}+\delta G_{p}^{2}}}{G}=\frac{90}{8.5}\sqrt{{{\left( \frac{0.2}{100} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{0.02}{100} \right)}^{2}}}=2.13%$

(3)

2 试验结果及分析 2.1 沸腾起始点特性

本部分选取卧式螺旋管流动方向上的下降截面(位置1)、底部截面(位置2)、上升截面(位置3)、顶部截面(位置4)4个截面,在系统压力p=0.48 MPa和入口过冷度T_sub=6.0 K的条件下,试验研究R134a流动沸腾起始点热流密度随质量流速变化的情况。

由图 3～6可以看到,螺旋管内R134a流动沸腾起始点热流密度均随质量流速的增大而增大。随着质量流速的增加,气液两相流动的温度边界层和速度边界层均变薄,使气液两相的换热得到了一定程度的强化,增加管子壁面达到流体产生汽泡所必需的过热度^[10],致使液体达到泡点温度的热量占总供给热量的比例相对下降。因而,只有在更高的热流密度条件下液相才能达到形成汽泡的热力学条件,所以导致达到ONB的热流密度增大。

根据文献^[11-18]的研究结果,依据汽泡行为特性的不同可将流动沸腾分为低密度汽泡产生区、独立汽泡行为区、汽泡合并区等不同区域。在低密度汽泡产生区域内,近似球形的汽泡沿管壁面滑行,而汽泡的形状与尺寸无明显改变,偶尔会从壁面脱离但很快又会返回重新粘附在壁面上。独立汽泡行为区是汽泡产生的主要区域,该区域内新产生的汽泡呈扁平型,汽泡直径长到最大后又变成狭长的形状,汽泡一般沿壁面滑行一段距离后会沿壁面法线方向伸长,接着进入液相中心区并很快破裂,且汽泡从壁面脱离时的直径要比生长过程中的最大直径小,说明汽泡脱离前在壁面上经历了较明显的冷凝过程。汽泡合并区的主要特点是由于汽泡的不断合并,汽泡的形状和尺寸均不断变化。该区域的汽泡动力学特性与另外两个区域不同,通常该区域在高压低流速工况下发生。根据本研究的结果,质量流速对第一区域到第二区域的过渡有一定的影响。质量流速越高,第一区域内汽泡脱离后越不容易再返回重新粘附在壁面上,也就是汽泡越容易从壁面脱离而带走更多的热量。由于汽泡的相对快速脱离,该位置具备持续不断产生新汽泡的条件,从而导致ONB的热流密度下降。

卧式螺旋管流体重力和离心力的周期性变化也会影响汽泡的脱离和粘附行为^[19]。图 5和6分别给出底部截面和顶部截面流动沸腾起始点随质量流速的变化趋势。从图 5可以看出,当质量流速为1 151 kg·m^-2·s^-1时,发生沸腾起始的热流密度比质量流速为1 060 kg·m^-2·s^-1时的热流密度要低,图 6中的情况与图 5类似。这两个位置截面与其他位置截面的主要区别是,这两个位置的重力和离心力方向处在同一条直线上,即同向或反向。由于重力与质量流速呈正比关系,而离心力与质量流速的平方呈正比关系,这两种力的合力变化是非线性的,导致汽泡的脱离和粘附行为更为复杂,ONB的热流密度随质量流速也不是单调变化。这有待于进一步的包括可视化等试验研究和深入的机理探索。

2.2 壁温特性

图 7给出卧式螺旋管流动方向上的一个上升截面,在试验系统参数为压力p=0.48 MPa和入口过冷度T_sub=6.0 K的条件下,试验得到的单相对流换热阶段和流动沸腾换热阶段壁温随质量流速变化的试验结果。

由图 7可以看出,在热流密度为1 000 W/m²的工况下,该截面位置处于单相对流换热区。壁温随质量流速的增大而单调降低,反映在单相对流换热阶段,质量流速的大小对换热有明显的影响。在压力、入口过冷度等其他参数相同的情况下,质量流速越大,流动的温度边界层和速度边界层受到的拉扯和撕裂作用越强,这两种边界层越薄,热量穿过边界层与管子中心流体的换热越容易进行,热量从壁面上被带走的更快,也就是对流换热强度更高,因而管壁温度更低。

在热流密度为3 800 W/m²的工况下,该截面位置处于流动沸腾换热区,工质与管壁换热的方式是泡核沸腾和单相对流换热的耦合,且前者占据主导地位。质量流速通过影响边界层厚度进而影响换热强度的作用已相对微弱,壁温受质量流速变化的影响比较小,汽泡数量和汽泡的行为特性对换热强度起决定性作用。图 8是在上升截面的上游随机选取的一个截面,可以看到与图 7显示的规律相似。

3 结论

以R134a为工质,试验研究质量流速对卧式螺旋管内流动沸腾起始点及壁温变化特性的影响,得到的主要结论如下:

(1) 流动沸腾起始点的热流密度随工质质量流速的增大而增大,但某些质量流速工况下会出现与这一趋势不同的情况,这主要是由于除了质量流速对汽泡粘附和脱离行为的影响之外,重力和离心力的周期性变化也影响卧式螺旋管内的汽泡脱离和粘附行为。

(2) 由于单相对流换热和流动沸腾换热的机理不同,在单相对流换热阶段,质量流速的大小对换热有明显的影响,试验点的壁温随质量流速的增大而降低,而流动沸腾换热阶段壁温变化受质量流速的影响较小。