低質(zhì)量流速下環(huán)形通道內(nèi)干涸后傳熱實(shí)驗(yàn)研究.docx

1、第38卷第7期西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.38No72004年7月JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYJul.2004低質(zhì)量流速下環(huán)形通道內(nèi)干】后傳熱實(shí)驗(yàn)研究李志輝I，吳埃敏】，賈斗南】，秋穗正I聶常華(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室71。049.西安：2.空泡物理與自然循環(huán)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.610041.成都摘要：對(duì)以水為工質(zhì)在中壓(1.56.0MPa)、低質(zhì)量流速(52.8984.20kg/(m2s)下的雙面加熱環(huán)形通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰干涸后傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與通用的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)這些關(guān)系式適合于中高壓、高質(zhì)量流速工況.而對(duì)低壓、低質(zhì)量流速

2、工況存在較大的偏差.考慮了蒸汽物性參數(shù)和壁面溫度對(duì)換熱的影響，在Groeneveld公式形式的基礎(chǔ)上，引入Polomik公式中壁面溫度和飽和溫度比值關(guān)系的修正因子，分析了影響壁面溫度的熱流密度、壓力和質(zhì)量流速等因素，得出了一個(gè)適合中壓、低質(zhì)量流速下新的干涸后傳熱計(jì)算關(guān)系式.該關(guān)系式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好.關(guān)鍵詞：環(huán)形通道；干涸后傳熱；壁面溫度；低質(zhì)量流速中圖分類號(hào)：TK214文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0253-987X(2004)07-0698-04ExperimentalInvestigationonPost-DryoutHeatTransferinNarrowAnnuliatLowMassVel

3、ocityLiZhihui1.WuAimin,JiaDounan1,QiuSuizheng1,NieChanghua-(1.StateKeylaboratoryofMultiphaseElowinPowerEngineering.Xi'anjiaotongUniversity,Xi'an710019.Chinaj2.NationalKeylaboratoryofBubblePhysicsandNaturalCirculation.NPIC.Chengdu610041.China)Abstract:Post-dryoutboilingheattransferwithdeioniz

4、edwaterflowingthroughnarrowannularchannelundertheconditionsofmediumpressured.56.0NIPa)andlowmassvelocity(52.8984.20kg/(m2s)wasinvestigatedexperimentally.Comparedtheexperimentaldatawithwell-knownempiricalcorrela-tions»itisfoundthatthesecorrelationsareappropriateforthesituationsofmedium-highpress

5、ureandhighmassvelocityanddeviateseriouslyinlow-mediumpressureandlowmassvelocitycases.ConsideringtheeffectofpropertyparameterofthevaporandwalltemperatureonheattransferwasconsideredandbasedontheGroeneveldequation,amodifiedfactoroftheratioofwalltemperaturetosaturatedtemperaturewasintroduced.Theinfluenc

6、esofheatflux,massvelocity»andpressureonwalltemperaturewereanalyzed,andanewcorrelationforpost-dryoutheattransferofmediumpressureandlowmassvelocityconditionswasdeveloped»whichcorrelatestheexperimentaldataquitewell.Keywords：annularchannel;post-dryoutheattransfer；ivalltemperaturel(numassveloci

7、ty干涸后傳熱在很多的實(shí)際工程中得到應(yīng)用,如制冷、化工、制藥、冶金等工業(yè).國外很多學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究了干涸后傳熱現(xiàn)象.文獻(xiàn)1通過實(shí)驗(yàn)研究得出了隨著流道長度的增加，汽膜厚度增大,換熱系數(shù)降低的結(jié)論.文獻(xiàn)2在常壓T,使用氣水模擬干涸后工況，研究了水平管和傾斜管中的干涸后傳熱，并研究了熱工水力參數(shù)與干涸后的關(guān)系.文獻(xiàn)3對(duì)研究狀況進(jìn)行了一個(gè)總結(jié)綜述，發(fā)現(xiàn)在低壓和低流量方面由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏導(dǎo)致該工況下干涸后傳熱和理論分析模型的不足.文獻(xiàn)4在壓力為1.23.8MPa、含氣率為0.7-0.9的條件F實(shí)驗(yàn)研究了干涸后換熱.收稿日期：2003-10-30.作者簡介：李志輝(】976)，男，碩士生；賈斗南(聯(lián)系人)，

8、男，教授，博士生導(dǎo)帥.基金項(xiàng)目：空泡物理與自然循環(huán)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目；西安交通大學(xué)多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(50323001).699李志粹.等：低質(zhì)制流速卜壞形通道內(nèi)F涸后傳熱實(shí)豹研究圖2為實(shí)驗(yàn)段示意圖.由014mm、壁厚為2mm的冷拉不銹鋼外管和07.6mm、壁厚為1.5mm的內(nèi)管組成間隙為1.2mm的環(huán)形通道.去離子水從環(huán)形通道內(nèi)流過.整個(gè)實(shí)驗(yàn)段用硅鋁酸纖維包裹，內(nèi)右電熱絲加熱進(jìn)行熱補(bǔ)=實(shí)較段出口(DGroeneveld關(guān)系式(適用于p為3.4-10.0定取壓詼取壓管端£-=-=4第15ftSo實(shí)驗(yàn)段入曰償，大大提高了整個(gè)實(shí)即2實(shí)驗(yàn)段示意圖驗(yàn)段的熱效率.沿實(shí)驗(yàn)段

9、高度方向安排了15個(gè)截面作為研究對(duì)象.1.2參數(shù)測流置采用特制的文丘利管流睛計(jì)測髯系統(tǒng)年力采用1151AP高靜壓電容式變送器進(jìn)行測量:.溫度采用鐐恰鐐硅熱電偶測玷：沿著實(shí)驗(yàn)段高度方向MPaG為800-4100kg/(m2s)的環(huán)形通道)Nuk=0.052(電卜+決(I-"吧6yi.oeY=廣(l_i)。(2)Miropolskiy關(guān)系式(適用于P為4.022.0MPa,G為7002000kg/(m2-s)的圓管)Ny=O.O23x4-dPrY(3)Polomik關(guān)系式(適用于。為4.010.0MPa.G為700-2700kg/(m2-s)的兩根棒束)-(1.87+32)_(1.8孔+

10、32廣1Nur=0.00115班F/HJ.15(4)Slaughterback關(guān)系式(適用于P為6.820.0MPa,G為1050-5300kg/(m2s)的圓管)Nj=1.16X10T辰_司廠.目前，對(duì)干涸后傳熱的實(shí)驗(yàn)仍然存在著很多的矛盾，對(duì)環(huán)形通道內(nèi)的研究更為少見，本文就此展開進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究.1實(shí)驗(yàn)回路裝置與參數(shù)測量1.1實(shí)驗(yàn)回路裝置本實(shí)驗(yàn)是在西安交通大學(xué)核能系高壓熱工水力回路上完成的.回路系統(tǒng)如圖1所示.整個(gè)系統(tǒng)由回路和二回路組成.一回路是主回路,去離子水從循環(huán)主泵流出，進(jìn)入蛇型管預(yù)熱器，用一臺(tái)節(jié)流調(diào)節(jié)閥和一臺(tái)針形閥雙重調(diào)節(jié)流景，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的小流量.去離子水經(jīng)過U型管預(yù)熱器和2段

11、預(yù)熱器后進(jìn)入了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)段,再經(jīng)過冷卻器回到循環(huán)主泵，完成一次循環(huán).圖1實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)流程圖布置了15個(gè)截而，截面間隔25mm,在每個(gè)截面上，外管的外壁徑向?qū)ΨQ布置r2副熱電偶，測晴的是外管的外壁溫度，內(nèi)管內(nèi)壁布置了1副熱電偶，測最的是內(nèi)管的內(nèi)壁溫度.然后，通過有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱方程求得相應(yīng)的外管的內(nèi)壁溫度和內(nèi)管的外壁溫度.內(nèi)、外管均采用單獨(dú)加熱.功率測屆由相應(yīng)的電流表、電壓表得到.所有的測最信號(hào)均經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、分析和處理.在1.2mm間隙的實(shí)驗(yàn)段上共進(jìn)行了126組實(shí)驗(yàn),其中內(nèi)管單面加熱的有42組，外管單面加熱的有33蛆，內(nèi)、外管同時(shí)加熱的有51組.壓力為1.

12、..0MPa等5個(gè)范圍.實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化范圍如表1所示.表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化范圍參數(shù)變化范圍壓力pMPa1.38-5.90質(zhì)量流速Gkg(m2s)l52.8984.20雷諾數(shù)Re4415.207339.06外管熱流密度qjkwm-24.0721.30內(nèi)管熱流密度Q/kWm"3.9025.20質(zhì)鈾含氣率40.690.972實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析2.1經(jīng)驗(yàn)公式說明PAW"?)'式中：如為臨界狀態(tài)下蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)；q的單位為Wm2.2.2數(shù)據(jù)處理在5040:本文的全筋實(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)126組:用Grocnvcld公式進(jìn)行的線性擬合N,=0.028x:Gr

13、ocnvcld公式，N”0.052x數(shù)擁平均相對(duì)誤差：30.8%0.550600.650.700.750.800.850.90I0?x采用上述4個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納，對(duì)關(guān)系式中的系數(shù)C進(jìn)行了修正，得到了相應(yīng)的公式，如圖3圖5所示.限于篇幅.Slaughter-back公式未給出圖，僅給出了結(jié)論.新擬合系數(shù)L的數(shù)據(jù)見表2所示.圖號(hào)采用的公式C（3Groeneveld0.0520.0284Miropolskiy0.0230.025Polomik0.001150.0052Slaughterback0.0001160.0001882表2各個(gè)公式的比較結(jié)果90807060圖3與Groeneve

14、ld公式的比較結(jié)果10圖4與Miropolskiy公式的比較結(jié)果2.3數(shù)據(jù)分析Groeneveld公式考慮壓力與含氣率對(duì)換熱系數(shù)的影響，不足之處是該公式對(duì)壁面溫度估計(jì)過低，從而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)有所增大，同時(shí)可以看出，Groeneveld公式對(duì)低質(zhì)量流速工況的應(yīng)用有較大90rM0-:本文的全部實(shí)羚數(shù)據(jù)點(diǎn),126織70：用Polomik公式進(jìn)行的線性擬合60(_叫廣0.0052x90rM0-:本文的全部實(shí)羚數(shù)據(jù)點(diǎn),126織70：用Polomik公式進(jìn)行的線性擬合60(_叫廣0.0052xu50-Polomik公式，M,=0.(>0115jt2.53.03.54.04.55.0圖5與Polomik

15、公式的比較結(jié)果的偏差.Miropolskiy公式考慮了壓力與含氣率對(duì)換熱系數(shù)的影響，當(dāng)X1或p=臨界壓力)時(shí)，它同單相氣體換熱公式的形式非常接近，這是可信的.其公式的適用范圍和本實(shí)驗(yàn)的差別較大，且用在圓形管道.從得出的換熱系數(shù)來看,環(huán)形通道要比圓形管道的小一些.同時(shí).從數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差來看，Miropolskiy公式用在環(huán)形通道，相對(duì)誤差仍然較大.Polomik公式適用于兩棒束工況，由于考慮了真實(shí)壁面溫度的影響.這對(duì)低質(zhì)量流速干涸后工況起若很重要的作用，但沒有考慮含氣率的影響，而這個(gè)因素會(huì)影響到主流蒸汽和液滴的多少，進(jìn)而影響到蒸汽和壁面的換熱.從得出的換熱系數(shù)來看，環(huán)形通道內(nèi)的換熱系數(shù)比兩棒束

16、之間的換熱系數(shù)大一些.Slaughterback公式考慮了熱流密度對(duì)換熱的影響但沒有考慮壁面溫度的影響.通過以上比較說明，在低質(zhì)量流速工況下的干涸后傳熱,一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的壁面溫度尤其重要.3影響壁面溫度的因素分析下面以內(nèi)管加熱為例(外管加熱時(shí)的趨勢相同)，分析r熱流密度、壓力和質(zhì)量流速對(duì)壁面溫度的影響.3.1熱流密度的影響在低質(zhì)量流速情況下，隨著熱流密度的增加，熱力學(xué)不平衡狀態(tài)顯得更加明顯，這時(shí)蒸汽會(huì)變得相當(dāng)?shù)責(zé)?，使得壁溫變?由于蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)增大,增強(qiáng)r壁面和蒸汽之間的換熱，同時(shí)熱流密度的增大也導(dǎo)致r質(zhì)量含汽率增加，使氣流速度加快，液滴直徑變小，增強(qiáng)了蒸汽和液滴之間的對(duì)流換熱，見圖6.3.2

17、壓力的影響壓力升高導(dǎo)致蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)增大，液滴的密701多志序.芳：低質(zhì)帝流速卜環(huán)也通道內(nèi)涸熱'丈拒研究270<?l2=l2.380kWm260p250240/i=6.590kWm230p=2.9MPa;G-83.35kg（m-s）220l1111i110000.000.250300.350.40L：m該計(jì)算式與數(shù)據(jù)點(diǎn)的符合情況如圖9所示.數(shù)據(jù)*均相對(duì)誤差為12.31%,換熱系數(shù)的最大不確定誤差是1.528%,、'數(shù)不確定誤差不足1.529%.圖6熱流密度對(duì)壁面(內(nèi)管)溫度的影響度減少，表面張力減小，使液滴的蒸發(fā)速度加快，增強(qiáng)了蒸汽和液滴之間的對(duì)流

18、換熱,進(jìn)而使得壁面溫度下降，見圖7.3201=4.73MPa310P300卜290p,=5.90MPa圖9X”的實(shí)臉位和預(yù)測值比較2802700.000.000250.300350.40們=10.36kW/m"G-54.8kg/（m：s）圖7壓力對(duì)壁面(內(nèi)管)溫度的影響3.3質(zhì)流速的影響由于質(zhì)精流速增大，傳熱系數(shù)增強(qiáng),從而使得壁面溫度下降，見圖8.330320p310卜300G-53.289kg/（m's）I"G：=61.630kg/（rn土'290p5.8MPa;q：】3.269kW/m2*8.000.050.100.150200.250300350.40圖8質(zhì)量流速對(duì)壁面(內(nèi)管)溫度的影響3.4新關(guān)聯(lián)式的提出在基于以上分析的基礎(chǔ)上,處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)選擇了Groeneveld公式并引入了Polomik公式中壁面溫度和飽和溫度比值的關(guān)系修正因子這樣既號(hào)慮了蒸汽物性參數(shù)的影響，也考慮了熱流密度、壓力、質(zhì)鼠流速等多種因素的影響,得出了下面一個(gè)適合中壓、低質(zhì)量流速下的干涸后傳熱關(guān)系式Nt/=1.4X+一工)/化&quo