水平布置蒸發(fā)段內(nèi)自然循環(huán)流動(dòng)沸騰特性及調(diào)控機(jī)理研究.pdf

1、自然循環(huán)換熱系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活且循環(huán)動(dòng)力僅來自于工質(zhì)本身的密度差等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核電站核島內(nèi)部換熱、電子器件的散熱、太陽能槽式集熱系統(tǒng)等領(lǐng)域。在自然循環(huán)槽式太陽能集熱系統(tǒng)中，由于蒸發(fā)段水平布置，且系統(tǒng)熱流密度、質(zhì)量流量較低，管內(nèi)出現(xiàn)諸如逆流、氣液分層、流型轉(zhuǎn)換等過程，導(dǎo)致自然循環(huán)換熱系統(tǒng)換熱能力遠(yuǎn)不如預(yù)期。本文針對(duì)槽式集熱系統(tǒng)出現(xiàn)的此類問題，通過搭建水平布置蒸發(fā)段自然循環(huán)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)蒸發(fā)段內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)沸騰特性進(jìn)行了可視

2、化實(shí)驗(yàn)研究。在獲得其在不同加熱功率條件下的流動(dòng)沸騰特性的基礎(chǔ)上，制備了三種不同親水程度的表面并將其應(yīng)用于蒸發(fā)段流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)中，這三種對(duì)應(yīng)的改性表面和未處理原始銅表面的平均接觸角分別為5°，30°，60°和80°左右。通過對(duì)蒸發(fā)段內(nèi)表面進(jìn)行不同浸潤性和不同區(qū)域的修飾后，管內(nèi)流動(dòng)沸騰特性得到了改善，換熱效果得到了強(qiáng)化。本實(shí)驗(yàn)中工作介質(zhì)為去離子水，系統(tǒng)壓力維持在0.15MPa。
　　自然循環(huán)水平布置蒸發(fā)段內(nèi)主要發(fā)生了彈狀流、分層流、波狀

3、分層流和霧狀分層流的變化，每個(gè)截面上的流型變化均要經(jīng)歷六個(gè)階段：流動(dòng)循環(huán)啟動(dòng)階段、氣相流動(dòng)加速階段、流型轉(zhuǎn)變開始階段、流型轉(zhuǎn)變階段、流動(dòng)不穩(wěn)定性階段和回流階段。隨著加熱功率的變化，分層流時(shí)間占比和整個(gè)循環(huán)周期的時(shí)長會(huì)因?yàn)楣軆?nèi)發(fā)生的不同流型的變化而變化。蒸發(fā)段出口存在的逆流現(xiàn)象抑制了分層流向霧狀流發(fā)展的趨勢。這種逆流現(xiàn)象的存在還抑制了氣液界面高度的降低并延長了循環(huán)周期中分層流所占的時(shí)長比例。
　　蒸發(fā)段內(nèi)平均溫度隨著流動(dòng)方向先上升后

4、下降，C截面溫度最高，但平均溫差卻是各截面中最小的。蒸發(fā)段表面平均溫度隨加熱功率的上升而上升，蒸發(fā)段內(nèi)的換熱系數(shù)隨著加熱功率的上升而下降。本文考慮到自然循環(huán)系統(tǒng)蒸發(fā)段的流型轉(zhuǎn)換等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，在Thome的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和修正，提出了新的基于流型的流動(dòng)沸騰換熱模型。當(dāng)管內(nèi)主體流型為彈狀流時(shí)，Cooper的池沸騰模型即能獲得較好的管內(nèi)換熱系數(shù)預(yù)測精度。當(dāng)管內(nèi)主體流型為氣液分層流時(shí)，本文提出了形如：htp=tstrat/tcycleht

5、p-strat+(1-tstrat/tcycle)htp-nonstrat的換熱計(jì)算方法，該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較小。
　　當(dāng)加熱功率為500W時(shí)，此時(shí)管內(nèi)主體流型為彈狀流，管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的波動(dòng)由低干度密度波不穩(wěn)定性主導(dǎo)。而當(dāng)加熱功率上升后，管內(nèi)主體流型變?yōu)榉謱恿鲿r(shí)，管內(nèi)同時(shí)存在三種流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象。流型轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定性與管內(nèi)換熱狀況直接相關(guān)，其周期最小，大致與流型轉(zhuǎn)換的周期相當(dāng)，波動(dòng)的幅度也相對(duì)最小；壓降型不穩(wěn)定性振幅與周期最大，密度波

6、不穩(wěn)定性其次。壁面溫度的波動(dòng)隨著加熱功率的上升經(jīng)歷了從穩(wěn)定到不穩(wěn)定最后又趨于穩(wěn)定的過程。當(dāng)加熱功率為1500W時(shí)，壓降型不穩(wěn)定性已經(jīng)被小幅高頻的密度波不穩(wěn)定性取代。在采用了超親水表面之后，蒸發(fā)段內(nèi)壓降型不穩(wěn)定性的強(qiáng)度增大，而且不穩(wěn)定向穩(wěn)定轉(zhuǎn)換的趨勢被延遲。超親水表面的采用還會(huì)增大密度波不穩(wěn)定性的強(qiáng)度，這種強(qiáng)度的增大在低功率下更為明顯。兩種不同表面上的流型轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定性之間并無明顯差異。
　　在采用了超親水表面之后，在相同功率下，管內(nèi)

7、潤濕性變好，霧狀流出現(xiàn)的頻率要低于未處理原始銅表面上情況，且霧狀流維持的時(shí)間也較短。不同表面親水程度對(duì)蒸發(fā)段的壁面過熱度帶來了不同程度的降低，同時(shí)也對(duì)蒸發(fā)段內(nèi)換熱系數(shù)帶來了強(qiáng)化。超親水表面對(duì)于蒸發(fā)段整體平均換熱系數(shù)的強(qiáng)化倍率在2.0左右波動(dòng)。30°浸潤性表面上的換熱系數(shù)強(qiáng)化最多。60°浸潤性表面上換熱系數(shù)的強(qiáng)化是這三種表面上最小的，強(qiáng)化倍率在1.19~1.39這樣的小范圍內(nèi)波動(dòng)，受加熱功率的影響不大。
　　通過對(duì)蒸發(fā)段內(nèi)不同區(qū)域、

8、不同長度的浸潤性改性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了局部改性可以對(duì)蒸發(fā)段內(nèi)全局換熱進(jìn)行優(yōu)化。修飾區(qū)域的長度決定了優(yōu)化效果的好壞：長度越長，管內(nèi)換熱的提升就越明顯。而局部修飾區(qū)域所處系統(tǒng)蒸發(fā)段內(nèi)不同的位置也會(huì)對(duì)管內(nèi)換熱會(huì)產(chǎn)生影響：將局部修飾區(qū)域布置在蒸發(fā)段的前段能得到比布置在后段更好的強(qiáng)化換熱效果，但這兩種優(yōu)化效果之間的差距會(huì)隨著加熱功率的上升而逐漸減小。
　　通過本課題的研究，可以為新型太陽能槽式集熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，具有積極的學(xué)術(shù)意義和