臥式螺旋管內(nèi)臨界熱流密度特性及其流體模化方法研究.pdf

1、臨界熱流密度(CHF)是沸騰換熱設(shè)備中極為重要的監(jiān)視參數(shù)，臨界熱流現(xiàn)象的發(fā)生往往會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化，直接關(guān)系到機(jī)組設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，因而成為氣液兩相沸騰傳熱研究的重點(diǎn)課題之一。臥式螺旋管是一種重要的強(qiáng)化換熱管型，其結(jié)構(gòu)緊湊，換熱高效，在換熱器設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，臥式螺旋管內(nèi)的CHF傳熱特性較傳統(tǒng)管型更為復(fù)雜，CHF的發(fā)生機(jī)理尚不明確，需要進(jìn)一步的研究與探討。目前針對(duì)CHF的研究或采用高溫高壓汽水系統(tǒng)或采用低

2、潛熱工質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行，前者對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，投資巨大，后者則可簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件，降低實(shí)驗(yàn)困難和投入，并可將實(shí)驗(yàn)結(jié)論用流體?；椒ㄍ茝V應(yīng)用至高溫高壓汽水系統(tǒng)，具有實(shí)用價(jià)值。本文目的就是用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法開展替代制冷劑R134a在臥式螺旋管內(nèi)的CHF傳熱特性研究，發(fā)展適用于臥式螺旋管型的流體模化新方法，為臥式螺旋管式換熱器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供依據(jù)。
　　 基于相似理論和量綱分析方法，在考慮幾何相似條件的前提下，針對(duì)復(fù)雜流道型式引

3、入了一個(gè)表征流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)CHF影響的廣義影響因子Dn，推導(dǎo)出了含有參數(shù)n的適用于復(fù)雜流道型式CHF流體?；?3個(gè)廣義準(zhǔn)則數(shù)。分析結(jié)果認(rèn)為Ahmad導(dǎo)出的13個(gè)無量綱準(zhǔn)則數(shù)是本文推導(dǎo)結(jié)論n=1時(shí)的特殊情形；針于不同的流道型式n可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同的值以建立Dn與流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體函數(shù)關(guān)系式；也可認(rèn)為理論推導(dǎo)結(jié)果定義了一個(gè)新的包含流道基本特征參數(shù)和流體物性參數(shù)的等效特征尺寸Dn，它能夠集中反映復(fù)雜流道型式對(duì)CHF發(fā)生機(jī)理的影響。

4、>　　 考慮替代工質(zhì)用材和技術(shù)操作規(guī)范，按照熱工性能和環(huán)保性能的雙重要求，設(shè)計(jì)并建造了可用于多種替代制冷劑CHF傳熱研究的試驗(yàn)平臺(tái)，并針對(duì)流型觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改造完成了電熔石英玻璃可視化裝置。調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明，中低壓力系統(tǒng)可選紫銅管作為主體管路用材，電熔石英玻璃適宜作為可視化觀察的材料，保溫使用20㎜厚阻燃型聚乙烯材料時(shí)的熱損失小于5％，替代工質(zhì)密封用材需選用丁腈橡膠、四氟等材質(zhì)。系統(tǒng)密閉性能良好，參數(shù)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，在測(cè)試壓力2.0 M

5、Pa條件下漏率小于0.006 kPa/24h，壓力和流量調(diào)節(jié)平均響應(yīng)時(shí)間分別為0.2 s/kPa和1.5 s/Lh-1。流型實(shí)驗(yàn)拍攝到泡狀流、彈狀流、分層流、波狀分層流和環(huán)狀流等五種典型流型，并觀察到一種波環(huán)狀新流型。
　　 基于三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)圓的原理和螺旋升角的計(jì)算公式提出了一種簡(jiǎn)便易行的螺旋管制作方法，設(shè)計(jì)了一套使用三個(gè)模具靠輪為支點(diǎn)制作螺旋管的裝置，該裝置可準(zhǔn)確確定螺旋管幾何參數(shù)，制作簡(jiǎn)便，精度高。按照實(shí)驗(yàn)用管型和材質(zhì)，借

6、助Agilent BenchLink Data Logger Pro.采集軟件的可編程功能建立了基于事件(CHF發(fā)生時(shí)壁溫突升這一事件)驅(qū)動(dòng)的CHF判定方法，給出了具體的判斷關(guān)系式，極大地提高了實(shí)驗(yàn)精度。
　　 對(duì)15種不同幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)管段在系統(tǒng)流動(dòng)參數(shù)P=0.20-1.15 MPa，G=50-500 kg m-2 s-1，x=-0.32-0.36，q=6.90 kW范圍內(nèi)開展了CHF傳熱特性實(shí)驗(yàn)；研究了臥式螺旋管內(nèi)CHF

7、發(fā)生時(shí)的壁溫飛升及分布特性；考察了系統(tǒng)流動(dòng)參數(shù)對(duì)CHF值的影響；分類討論了螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)CHF值的影響規(guī)律。結(jié)果表明：
　　 CHF發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)壁面溫度大幅飛升，表現(xiàn)出與常規(guī)傳熱狀態(tài)的明顯不同，除CHF發(fā)生處截面外沿螺旋管加熱長(zhǎng)度各截面平均溫度差別不大。沿同一截面周向前側(cè)(90°)位置壁溫往往比其它位置先開始飛升，切斷電源的瞬間同一截面上后側(cè)(270°)位置壁溫往往比其它位置下降更快，而且CHF發(fā)生截面上的前后側(cè)(90°和27

8、0°)通常比內(nèi)外側(cè)(180°和0°)維持有較高的溫度水平。CHF值隨質(zhì)量流速增大近似線性增大，隨入口干度的增大近似線性減小，隨臨界干度的增大而減小的趨勢(shì)在質(zhì)量流速較大時(shí)變化較為明顯，且在xcr<0.5范圍內(nèi)變化趨勢(shì)比xcr>0.5范圍內(nèi)更加明顯。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，質(zhì)量流速對(duì)CHF值的影響最大，壓力對(duì)CHF值的影響最小。
　　 CHF值隨加熱管長(zhǎng)L、管內(nèi)徑dt和螺旋直徑Dc的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而且同時(shí)受到質(zhì)量流速和入口干度的影響

9、，螺旋節(jié)距Pt對(duì)CHF的影響并不明顯。在臥式螺旋管CHF的分析中幾何參數(shù)組合螺旋徑與管內(nèi)徑之比Dc/di較加熱管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比L/dt更為重要，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)L/dt>200時(shí)L/dt對(duì)DNB型CHF值已無明顯影響，螺旋徑與螺旋節(jié)距之比Dc/Pt對(duì)CHF值影響很小。
　　 基于理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)展了本實(shí)驗(yàn)條件下R134a在臥式螺旋管內(nèi)的CHF實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；發(fā)展了基于經(jīng)典流體?；Ｐ偷钠骄礐HF?；椒?；在所得廣義準(zhǔn)則數(shù)的基礎(chǔ)上確

10、定了適用于臥式螺旋管型的Dn表達(dá)式，優(yōu)選了適用于臥式螺旋管的準(zhǔn)則數(shù)并發(fā)展了適用于R134a-水在臥式螺旋管內(nèi)的CHF流體?；路椒?；通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)上述實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式和流體?；椒ǖ挠行赃M(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，主要內(nèi)容和結(jié)論包括：
　　 通過CHF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典的Bowring關(guān)聯(lián)式和Shah系統(tǒng)參數(shù)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值比較的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)這兩種關(guān)聯(lián)式不再適用于本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)R134a臥式螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰CHF值的預(yù)測(cè)。根據(jù)DNB型CHF和干涸型CHF

11、發(fā)生機(jī)理的不同，分類發(fā)展了針對(duì)兩種條件下的CHF實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，根據(jù)DNB型CHF主要受當(dāng)?shù)貤l件參數(shù)影響的特性選擇沸騰數(shù)B0、雷諾數(shù)Re、Dean數(shù)Dn、液氣密度比Nd和出口干度x0等準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；而對(duì)于干涸型CHF則選取沸騰數(shù)B0、雷諾數(shù)Re、Dean數(shù)Dn、液氣密度比Nd和入口干度xt等準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值的誤差范圍在±20％左右。
　　 提出了流體?；椒ǖ囊话阈运悸?，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了R134a臥式

12、螺旋管內(nèi)CHF傳熱的兩種流體?；椒??；诮?jīng)典的Ahmad模型和Katto模型，提出了一種CHF流體模化的平均值法，根據(jù)Ahmad流體?；Ｐ秃蚄atto流體?；Ｐ头謩e計(jì)算了R134a-水流體?；谋壤蜃樱岢隽嘶趦煞N經(jīng)典模型的算術(shù)平均值流量?；蜃覨G，進(jìn)而計(jì)算出了平均值條件下的臨界熱流密度?；蜃覨qc，具有一定適用性；在導(dǎo)出復(fù)雜流道內(nèi)CHF流體?；瘡V義準(zhǔn)則數(shù)的基礎(chǔ)上，確定了適用于臥式螺旋管內(nèi)CHF傳熱的廣義因子Dn和準(zhǔn)則數(shù)，