螺旋管內(nèi)過(guò)冷沸騰換熱特性及氣泡行為研究.pdf

1、作為一種高效的換熱方式，過(guò)冷沸騰已被廣泛的應(yīng)用于核反應(yīng)堆、Tokamak核聚變裝置、高集成芯片冷卻通道和內(nèi)燃機(jī)等各種高熱流密度裝置中。由于螺旋管具有結(jié)構(gòu)緊湊和強(qiáng)化傳熱等特點(diǎn)，所以螺旋管換熱器已在食品加工、空調(diào)及低溫系統(tǒng)以及核反應(yīng)堆中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，在螺旋管內(nèi)采用過(guò)冷沸騰傳熱方式將會(huì)極大的強(qiáng)化其傳熱。目前，對(duì)過(guò)冷沸騰的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)涉及了截面為圓形、矩形、環(huán)形、正方形的直管、微通道及各種結(jié)構(gòu)的管束。由于受到重力場(chǎng)和和離心力場(chǎng)的雙重作

2、用，螺旋管內(nèi)過(guò)冷流動(dòng)沸騰的流動(dòng)和傳熱特性更加復(fù)雜。因此，開(kāi)展螺旋管內(nèi)過(guò)冷沸騰流動(dòng)和傳熱特性的研究，對(duì)于螺旋管內(nèi)兩相流動(dòng)的理論研究、螺旋管換熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與高效安全運(yùn)行都具有重要意義。
　　本文針對(duì)螺旋管內(nèi)過(guò)冷沸騰實(shí)驗(yàn)條件，考慮R134a的綜合性能，通過(guò)增加再冷器等實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的冷凝裝置進(jìn)行升級(jí)，從而使其可以完成不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的過(guò)冷沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)氣密性、保溫性能等測(cè)試后，開(kāi)展了質(zhì)量流量G=147.5～443

3、.7 kgm-2-1，過(guò)冷度△Tsub=4.7～15.1℃和壓力P=412.1～850.3 kPa條件下的過(guò)冷沸騰實(shí)驗(yàn)。另外，為了考察螺旋管內(nèi)氣泡行為對(duì)傳熱的影響，選取相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建了螺旋管內(nèi)空氣氣泡可視化研究系統(tǒng)。將PVC透明管彎制并固定成螺旋管，并以齒輪泵驅(qū)動(dòng)去離子水在管內(nèi)流動(dòng)。采用注射泵使空氣以恒定流速在管內(nèi)形成氣泡，并完成了螺旋管內(nèi)不同位置氣泡脫離和運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)研究。
　　在過(guò)冷沸騰傳熱特性實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)螺旋管內(nèi)單相對(duì)

4、流傳熱條件下壁面溫度分布以及各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)單相對(duì)流傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單相對(duì)流傳熱對(duì)過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)(ONB)的特性產(chǎn)生了很大的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)壁面溫度的變化規(guī)律，并將首先脫離壁面溫度線性增長(zhǎng)趨勢(shì)的點(diǎn)定義為過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)。分析了螺旋管圓心角α、截面圓心角β、質(zhì)量流量、過(guò)冷度、壓力和螺旋管幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)過(guò)熱度和熱流密度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)的熱流密度、壁面過(guò)熱度隨著過(guò)冷度和質(zhì)量

5、流量的增大而增大，但是隨著壓力、螺旋直徑的增大而減小，螺旋管節(jié)距和放置方式對(duì)過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)特性無(wú)明顯影響。
　　基于立式和臥式螺旋管內(nèi)過(guò)冷沸騰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了兩種不同放置方式的螺旋管內(nèi)壁面溫度的分布特性，并研究了各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)過(guò)冷沸騰平均傳熱系數(shù)的影響。在二次流、主流速度分布和氣泡行為的共同影響下，立式和臥式螺旋管過(guò)冷沸騰截面溫度均呈現(xiàn)不均勻分布。但是二者的分布情況并不相同:在立式螺旋管內(nèi)，截面溫度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)則分別為下側(cè)(β

6、=90°)和上側(cè)(β=270°）;而臥式螺旋管內(nèi)，截面溫度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)則分別為內(nèi)側(cè)（β=0°）和外側(cè)(β=180°)。分析其原因認(rèn)為:立式螺旋管上側(cè)（β=270°）產(chǎn)生的氣泡在浮力和主流曳力的作用下，沿上側(cè)壁面滑移從而使該側(cè)壁面溫度成為螺旋管截面溫度的最低點(diǎn)，從而造成了不同形式的不均勻分布。以標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式引入不均勻度的概念，對(duì)過(guò)冷沸騰傳熱條件下螺旋管截面溫度的不均勻分布進(jìn)行了定量分析。同時(shí)，對(duì)比螺旋管內(nèi)傳熱系數(shù)可知，各參數(shù)對(duì)立式和

7、臥式螺旋管內(nèi)過(guò)冷沸騰傳熱系數(shù)的影響趨于一致。螺旋管截面的平均傳熱系數(shù)隨熱流密度和壓力的增大而增大，隨著過(guò)冷度和螺旋直徑的增大而減小，同時(shí)工質(zhì)的質(zhì)量流量和螺旋管節(jié)距對(duì)傳熱系數(shù)的影響較小。通過(guò)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)熱流密度和傳熱系數(shù)的影響趨勢(shì)分析，采用量綱分析法確定了螺旋管內(nèi)過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)熱流密度和傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式模型，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合得到了對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)式，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值的誤差均在±20％范圍內(nèi)，關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較

8、好。
　　在水流速度Vl=0.13～1.13ms-1和空氣流速Vg=0.2～1.0mls-1的工況下，對(duì)臥式螺旋管內(nèi)的氣泡行為進(jìn)行了可視化研究。根據(jù)氣泡的受力情況，建立了由主流曳力、二次流曳力、凈離心力和凈重力組成的臥式螺旋管內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)模型，并將上述作用力沿螺旋管切線和法線方向分解為切向力和徑向力。采用此模型對(duì)水流速度、空氣流速和截面位置對(duì)氣泡的脫離和運(yùn)行軌跡的影響進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，切向力是氣泡脫離的主要影響因素，徑

9、向力對(duì)氣泡脫離的影響體現(xiàn)在α=0°和α=180°兩個(gè)截面位置上。隨著水流速度、空氣流速和脫離位置的變化切向和徑向作用力的大小和方向也發(fā)生了變化，從而影響了各實(shí)驗(yàn)條件下的氣泡脫離頻率。
　　在氣泡運(yùn)行軌跡實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):氣泡脫離后，會(huì)隨著主流向通道向下游流動(dòng)并在螺旋管的內(nèi)、外側(cè)之間產(chǎn)生徑向位移。在0°＜α＜90°和270°＜α＜360°范圍內(nèi)，由于徑向力為負(fù)值，氣泡會(huì)沿螺旋管內(nèi)側(cè)(β=0°）管壁向下游滑移。在90°＜α＜180°和180