（制冷及低温工程专业论文）满液式太阳能蒸汽发生器的结构设计及传热研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 本课题来源于国家科技支撑计划项目（2008baj12b03）：建筑物（群）全天候 耦合能量传递优化控制及节能关键技术。本文主要集中于满液式太阳能蒸汽发生系统 中蒸汽发生器传热过程的研究以及蒸汽发生器的结构设计，研究如何在保证太阳能蒸 汽发生器汽化率的前提下，减小传热介质输送功率以及换热面积，进而提高蒸汽发生 器的效率，降低蒸汽发生器的成本。本文的研究工作主要包括以下几个部分： （1） 分析该太阳能蒸汽发生器在运行工况下的热流密度大致范围， 以此为基础， 研究管束外沸腾在该热流密度范围内管束效应大小及其影响因素，从提高汽化率的角 度，选择大间距满液式作为蒸汽发生器的结构类型； （2）对换热管数量、长度、管内流速与导热油输送功率间的关系进行研究，在 汽化率要求一定的情况下，确定各参数的合理取值，以减小输送功率和换热面积，从 而提高蒸汽发生器效率； （3）对蒸汽发生器换热过程各部分热阻进行分析，确定蒸汽发生器传热强化的 主要途径为降低管内对流换热热阻，然后对对流换热强化机理和泵的输送功率进行理 论分析，推导出传热强化的综合评价准则 pec，提出了蒸汽发生器传热强化的方案。 关键词：满液式 蒸汽发生器 太阳能 强化传热 结构设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract the technology of generating steam of middle or high temperature using solar energy include two types: direct and indirect. to generate steam of high temperature higher than 300, the direct method is mainly applied; to generate steam of temperature lower than 300, the indirect method is also applied. the indirect method is that the heat-transfer medium circulates in the solar collector tubes to collect solar energy, and then flows into the steam generator to heat water to generate steam. current research on the indirect method is mainly about the process of collecting solar energy. the research of this thesis is mainly on the heat transfer and economical efficiency of the flooded steam generator. the main content of the research is as follows: first, the heat flow density of the steam generator is analyzed, based on the heat flow density, the bundle effect in nucleate boiling outside tube bundle is researched, to improve vaporization rate, flooded-type with large gap of tubes is selected; second, the relation between the number of the tubes, the length of the tubes, the flow velocity in the tubes and the conveying power consumption of the heat transfer medium is researched, on condition that the vaporization rate is fulfilled, the value of these parameters is determined to decrease conveying power consumption and heat transfer area; the thermal resistance of each sections of heat transfer is analyzed, then the thermal resistance of convection inside the tubes is discovered to be the main element of the total thermal resistance, then the performance evaluation principle of heat transfer augment is deduced, the methods of heat transfer augment is put forward. key words：flooded-type, solar, steam generator, heat transfer augment, structural design 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文 属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 课题的研究背景 能源是各项经济活动以及人民日常生活的重要物质基础，因此，能源的开发利用 对国家经济发展和人民生活水平的提高都具有非常重要的意义。从古至今，世界能源 的消耗主要来自不可再生的矿物燃料，而矿物燃料的使用会排放污染物和温室气体， 引发环境和气候问题。随着世界经济的发展和人民生活水平的提高，社会对能源的需 求日益增加，由此引发能源危机日益严峻，环境污染和全球气候变暖日益严重。根据 全球已探明的矿物燃料储量和目前能源消耗速度来看，石油和天然气只能维持五十多 年，煤的储量也只能维持两百多年1。 为应对能源危机，“开源”和“节流”是行之有效的解决方案。新能源的开发利 用即为“开源”的重要方式，能有效缓解能源危机、改善环境和气候问题，因此成为 二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高 效、分布范围广的可再生能源，在世界经济的多个领域得到大力发展。使用太阳能代 替其他不可再生能源具有节能减排的双重意义，符合现代社会可持续发展的要求。 迄今为止，太阳能利用方式主要包括光-热转换、光-电转换、光-化学转换以及光 的生物利用四大类。其中太阳能热利用发展最为成熟，其原理是利用光热转换材料将 太阳辐射转换为热能，当前，技术最为成熟、应用最为广泛的太阳能热利用方式是太 阳能热水器2。 太阳能热利用按照使用温度大致可以分为三种3：低温热利用（90以下）、中 温热利用（90130）以及高温热利用（130以上）。目前太阳能热利用主要应用 在低温热利用领域，中温及高温领域的太阳能热利用还只处于初步阶段。其中太阳能 热水器属于低温热利用的范畴，可利用太阳能提供 7080的生活用热水，取代燃气 热水器、电热水器以及燃煤锅炉、燃油锅炉等传统的提供生活热水的装置，同时也可 用于水产养殖、加热温室土壤等农业领域。 中温和高温热利用主要是热蒸汽的利用，在工农业和生活上的用途非常广泛，可用于空调制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 冷、供暖、发电、印染、纺织、橡胶、食品加工等各种需要中高温蒸汽的领域，具体的应用情况 4, 5见表 1.1。 表 1.1 中高温蒸汽的利用 应用领域 用途 温度 蒸汽采暖 传热介质 100130 吸收式制冷 发生器的热源 130180 纺织工业 染色 100160 合成橡胶 各工序流程 130 化学工业 蒸馏 100300 化学处理 110180 玻璃加工 压平 110150 干燥纤维 120180 木材加工 胶合板制备 120180 马路建设 融化沥青 120180 造纸 漂白 150180 干燥 150 食品加工 浓缩 130190 干燥 130240 消毒 140150 热力发电 提供动力 300400 中高温太阳能的利用在国外很多国家已经非常广泛，其中，太阳能光热电站遍布 美国、西班牙、德国、法国、阿联酋、印度、埃及、摩洛哥、阿尔及利亚、澳大利亚 等国家。截至 2009 年，全球已并网运行的光热电站装机容量约 600 兆瓦，全部集中 在美国和西班牙。但是，我国的太阳能热利用的研究起步较晚，直到 20 世纪 60 年代 才开始一些基础研究，其研究重点主要集中于太阳能热水器的开发与利用，太阳能热 水器连续多年产销量世界第一，技术已经非常成熟，真空管生产以及镀膜技术已经达 到世界领先水平。但是对于中高温太阳能蒸汽的应用还很落后，与国际先进水平差距 较大， 基本上还没有在任何领域上大规模的使用太阳能蒸汽，2010 年才开始启动第一 个太阳能热发电的工程项目位于延庆县八达岭镇的太阳能热发电示范电站。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2 太阳能蒸汽的国内外研究现状 在使用太阳能产生蒸汽方面，目前国外发展得较为成熟的是直接产生蒸汽技术6 （direct steam generation, dsg），水直接流经集热器吸收太阳能产生蒸汽，dsg 循环 用于热发电的示意图如图 1.1。该技术始于上个世纪八十年代，比较有代表性的工程 包括： 美国的 saic 公司和 stm 公司联合开发的 sundish 系统7、 欧盟的 diss (direct solar steam)工程以及西班牙的 plataforma solar de almeria 工程8 。 图 1.1 dsg 循环示意图 国外学者对 dsg 技术做了大量的研究，研究发现，dsg 技术中还存在一些难以解决的技术缺 陷，比如：不能蓄热；稳定性差9；对泵的可靠性要求高10；为防止蒸汽温度过高，反馈和控制 装置复杂；管内易结垢；蒸发段进口到出口温差太大导致蒸发管易扭曲变形等缺陷11。 除 dsg 技术外，间接产生蒸汽技术也在 300以下的蒸汽领域得以应用，其基本 原理为：传热流体（htf）在集热器中吸热后流经蒸汽发生器将热量传递给水产生蒸 汽。美国的 segs i 电站和 segs电站，均采用间接产生蒸汽技术，以导热油为传热 介质，产生 307的蒸汽12。对于间接产生蒸汽技术的研究，目前主要集中于集热过 程的研究13，集热器的研究集中于槽式集热器，对于传热流体和水之间换热产生蒸汽 的过程，尚未找到相关文献的研究。 1.3 满液式蒸汽发生器的国内外研究现状 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 目前国内外对于蒸汽发生器的研究，多集中于制冷系统、燃煤锅炉以及核反应堆 中的蒸汽发生器，间接式太阳能蒸汽系统中的蒸汽发生器换热过程与制冷系统中满液 式蒸汽发生器以及降膜式蒸汽发生器相同，因此可借鉴两者的相关研究。 对于满液式蒸发器，王如竹等人建立了满液式蒸发器分布参数的热力计算模型， 考虑了压降对制冷剂饱和温度的影响14， 李卉等人提出了一种换热管布置的优化设计 方法15，黄兴华等人提出了一种壳程单相流动和传热的三维模拟方法16，吕振海等人 研究了满液式蒸发器中污垢的形成及其对蒸发器设计的影响17。 文献18-21中对降膜式 蒸发的流动模式和传热特性进行了研究。 满液式蒸发器的沸腾换热特性与管间距和热流密度有关，当管间距较大时，属于 大空间的管束外沸腾，当管间距较小时，属于受限空间内的沸腾。刘振华及其合作者 22-29对受限空间内的管外沸腾机理进行了研究， 分析了压力、 管子排列型式、 管间距、 管排高度、热流密度等因素对沸腾表面换热系数的影响，朱长新等人30-33大间距水平 管束池沸腾换热进行了理论分析，并通过实验区分了滑移气泡机制和自然对流在不同 热流密度下对管束池沸腾换热性能的影响，拟合出换热系数以及努塞尔数的实验关联 式。刘进荣等人34通过极限电流扩散技术（ldtc）结合传热测定，研究了对流和薄 层蒸发对管束沸腾的贡献以及随热流密度的变化关系。 1.4 研究目的及研究内容 制冷系统中蒸发器的工况跟太阳能蒸汽发生器有很大不同，太阳能蒸汽发生器的 传热性能跟汽化率密切相关，因此，研究太阳能蒸汽发生器中的传热性能及其影响因 素对提高蒸汽发生器的汽化率具有重要意义。 目前国内外对于蒸汽发生器的研究集中于传热过程的研究，对于蒸汽发生器内传 热介质的流动阻力的研究还很少。对于太阳能蒸汽发生器，汽化率是评价蒸汽发生器 产汽性能的重要指标，同时经济成本也是需要重点考虑的指标。蒸汽发生器的经济成 本包括初期投资和运行成本，其中，传热介质的流动阻力损失引起的输送功耗是运行 成本的重要组成部分，换热管的成本是初期投资的重要组成部分，研究如何在保证汽 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 化率的前提下尽量减小传热介质输送功率以及换热面积，进而降低蒸汽发生器的经济 成本，具有非常重要的意义。 本文的主要研究内容是研究满液式太阳能中温蒸汽发生系统的传热特性及输送 功率，该系统用以产生 100130的饱和蒸汽。有别于国外广泛使用的直接蒸汽产生 技术，该间接式系统以传热油为传热介质，导热油通过在集热管内循环流动收集太阳 能升温，然后流入蒸汽发生器管内，加热管外的水，产生蒸汽。本文的研究重点在于 其中的蒸汽发生器的传热过程和流动阻力。主要研究内容包括以下几个部分： （1）对管束外沸腾传热机理的理论模型进行了分析、总结和综合，对其中一些 计算模型做出了一些改进，减少了模型中难以测定的物理量和经验指数； （2）对满液式太阳能蒸汽发生器在产生蒸汽阶段的传热过程进行分析，根据热 流平衡，建立稳态条件下的传热方程，研究该蒸汽发生器在运行工况下的热流密度范 围； （3）研究蒸汽发生器热流密度范围内的管束效应及其影响因素，从汽化率的角 度确定蒸汽发生器的管间距大小； （4）在汽化率确定的前提下，研究换热管个数、长度、管内流速与输送功率间 的关系，确定换热管个数、长度以及管内流速的最优取值，以尽量降低传热介质的输 送功率，尽量减小换热管面积； （5）对蒸汽发生器换热过程各部分热阻进行分析，确定蒸汽发生器传热强化的 途径，结合泵的输送功率，分析推导出传热强化的综合评价准则 pec，提出蒸汽发生 器传热强化的方案。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 2 满液式太阳能蒸汽系统结构及特点 有别于国外广泛使用的直接蒸汽产生技术，该间接式系统以导热油为传热介质， 导热油通过在集热管内循环流动收集太阳能升温，然后流入蒸汽发生器管内，加热管 外的水，产生蒸汽。系统的基本结构和特点的分析如下： 2.1 蒸汽系统的基本结构 该间接式太阳能蒸汽系统基本结构如图 2.1 所示。系统主要由三部分组成：太阳 能集热器、导热油存储罐以及蒸汽发生器。系统的工作流程包括集热和用热两个循环 过程以及补水过程。 图 2.1 系统结构示意图 集热循环如图 2.1 中点划线所示，循环泵通过温度传感器监测集热器内导热油和 存储罐内导热油的温差进行控制，当温差大于温差上限 t1时，循环泵开启。待温差 下降至温差小于温度下限 t2时，循环泵关闭。待温差上升到大于温差上限 t1时，循 环泵再次开启。温差上限或者温差下限增大，则集热器内温度增高，集热器热损失增 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 大，集热效率降低35；温差上限减小，则循环泵开启频率增大，泵的功耗增大；温差 下限减小，则循环泵每次开启持续时间增大。综合考虑集热效率和泵的功耗，温差上 限取 20较为合理，温差下限取 5较为合理。 为保证储存罐中导热油的温度不低于最低限定值，在导热油储存罐中加入电辅热 装置，通过温度传热器监测顶部导热油的温度，对电辅热装置进行控制。当监测点温 度低于温度下限时，开启电辅热装置，直至监测点温度到达温度上限，停止电辅热。 用热循环如图 2.1 中实线所示，在需要蒸汽的时候启动循环泵。管内的循环介质 均为导热油。存储罐内因为温度不同形成的密度差，会出现温度分层，因此，集热回 路存储罐中导热油出口设置在底部，入口设置在顶部，可使底部温度较低的导热油进 入集热器， 提高集热效率。 用热回路存储罐导热油入口设置在底部， 出口设置在顶部， 可使顶部温度较高的导热油进入蒸汽发生器，提高汽化率，经过蒸汽发生器后温度降 低的导热油从底部进入导热油存储罐，促进温度分层。 通过液位计监测蒸汽发生器的水位控制自来水阀门进行补水：当蒸汽发生器中水 位低于水位下限时，启动补水阀门；当蒸汽发生器中水位高于水位上限时，补水阀门 关闭。 2.2 导热油在系统中的应用 导热油作为一种传热介质已被广泛应用于热能动力、 石油化工、 航空航天等领域。 它具有传热效率高、沸点高、流动性好、对设备无腐蚀、投资低等优点。导热油的发 展在国外已有 60 多年的历史，在国内只有 30 多年的历史36。导热油分为矿物型和合 成型两大类。矿物型导热油具有安全性高、原料广、成本低等优点，但高温热稳定性 差，容易发生氧化裂解，使用温度较低，一般需要添加抗氧剂。合成型导热油高温下 稳定性较好，但成本相对较高。国内矿物型导热油的生产和研发发展较快，水平已接 近国外，但技术含量较高的合成型导热油还与国外有一定的差距。 表 2.1 导热油 yd-300 的物性参数 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 t kg/m3 cp j/(kgk) w /(mk) cst pr 100 946 2048 0.116 1.92 32 150 906 2257 0.111 1.00 18 200 882 2424 0.110 0.66 13 250 848 2592 0.107 0.50 10 300 815 2759 0.103 0.44 9 根据各厂家提供的导热油资料，选择型号为 yd-300 的导热油作为该蒸汽系统中 的传热介质，其物性参数见表 2.1。从表 2.1 中可以看出，该导热油粘度随温度增高而 降低，在 200以上时，运动粘度与水相近，流动性较好。 2.3 集热器的选择 因太阳能的能量密度有限，每种集热器都存在温度上限，到达该上限后，太阳能 辐射传热和集热器的对外散热相等，温度不能继续升高。对于该间接式太阳能蒸汽系 统，采用平板式集热器时，使用 trnsys 软件和北京地区的气象数据模拟得到导热油所 能达到的最高温度在六月份的变化情况分别如图 2.2 所示。 从图 2.2 中可以看出，集热器中导热油最高温度不超过 160，而且更多时候不超过 100， 因此，为使导热油能被加热到可用来产生中高温蒸汽的温度，需采用聚焦式集热器。聚焦式集热 器能把大面积上的太阳能辐射集中到小面积的集热接收器上，使得接收器上能流密度远大于平板 式集热器，从而使接受面上最高温度远大于平板式集热器的最高温度。聚焦式集热器的最高温度 大小主要取决于集热器的聚光比，聚光比越大，则集热器的最高温度越高37。 聚 后两者 塔式集 反射式 太阳能 1-聚 聚焦式集热器 者发展尚未成 集热器、碟式集 式和折射式的 能热力发电中得 图 2.3 抛物 聚光器； 2-集 华 中 图 器按光学原理 熟。反射式包 集热器；折射 混合，能得到 得到广泛应用 物面槽式太阳 集热管；3-集 中 科 技 2.2 平板式集 理可分为反射 包括复合抛物 射式包括线聚 到更高的聚光 用40, 41，菲涅 能集热器结构 集热管吸收涂 大 学 硕 9 集热器中导热 式、折射式、 物面（cpc） 聚焦和点聚焦 光比。其中， 涅尔透镜在太 构简图 涂层 硕 士 学 热油的最高温 、混合式、荧 集热器、抛 焦的菲涅尔透 槽式集热器 太阳能电池中 图 2. 位 论 文 温度 荧光式以及全 抛物槽式集热 透镜39（见图 器、塔式集热 中得到广泛应 .4 菲涅尔透 文 全息式等类型 热器38（见图 图 2.4） 。混合 热器和碟式集 应用。 透镜工作原理 型，其中 2.3） 、 合式即为 集热器在 理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 聚焦式集热器按照聚焦形式可分为线聚焦和点聚焦，线聚焦型又称二元集热器， 点聚焦型又称三元集热器。点聚焦即为将太阳光聚集成点状，线聚焦即为将太阳光聚 集成线状。几种典型的聚焦型集热器的性能42见表 2.2。 表 2.2 几种聚焦型集热器的性能 集热器型式 聚光比范围 最高运行温度（） 三元集热器 srta(1) 50150 300500 菲涅尔透镜 1001000 3001000 碟式 5003000 5002000 塔式 10003000 5002000 二元集热器 cpc(2) 310 100150 菲涅尔透镜 630 100200 抛物面槽式 1550 200300 注：(1)srta：固定的球形反射集热板，配合跟踪的接收器；(2)cpc：复合抛物面集热器 从表 2.2 中可以看出，二元集热器聚光比较低，最高运行温度较低。对于该种中 温太阳能蒸汽系统，采用二元集热器即能达到要求，同时，二元集热器结构简单，造 价较低，经济性较好。根据蒸汽温度的要求，采用抛物面槽式集热器。 2.4 相比 dsg 系统的优点 相比直接蒸汽产生技术，该种以导热油为传热介质的间接式太阳能蒸汽系统具有 以下优点： （1）集热、用热分开进行，便于蓄热。在不需用热的时候，集热器可以继续工 作，收集得的热量可储存于导热油储存罐； （2）管外沸腾产汽，管内以导热油为传热介质，无相变，管道周向温差小，不 易扭曲变形； （3）集热管管内是循环流动的导热油，无相变，因此管内不易积累污垢； （4）在蒸汽发生器上安装压力调节阀，即可通过控制蒸汽发生器内的蒸汽压力 从而控制饱和蒸汽的温度，结构简单。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 3 蒸汽发生器的沸腾传热特性及传热强化研究 对于间接产生蒸汽技术的研究，目前主要集中于集热过程的研究，对于传热流体 和水之间换热产生蒸汽的过程，尚未找到相关文献的研究。对于该种太阳能蒸汽发生 器，适宜采用管外沸腾的结构，导热油作为传热介质，在管内循环流动，加热管外的 水产生蒸汽，该种结构的优点在 2.4 节中已经分析过。该种结构的换热过程与制冷系 统中用到的卧式壳管型满液式蒸发器和降膜式蒸发器类似，均属于管内传热介质循环 流动、管外沸腾的类型，因此可借鉴两者的相关研究。下面对这两种蒸汽发生器的特 点进行对比分析。 3.1 满液式和降膜式蒸汽发生器的对比分析 壳管式满液式蒸发的基本方式，是蒸汽发生器内的传热管经内外传热强化处理后 浸没在沸腾工质中，沸腾工质吸收管内传热介质的热量后汽化。蒸汽发生器常被设计 成在运行时有 13 排换热管暴露在液面以上，液体沸腾时，蒸汽带上来的液体受这几 排管子的加热，会进一步被汽化。壳管式满液式蒸汽发生器的结构图见图 3.143。其 优点在于，由于沸腾工质与传热面充分接触，具有较大的传热系数，同时具有易于清 洗的特点，因此在热能、制冷、石油、化工等领域的换热设备中得到广泛应用。不足 之处在于沸腾工质充注量大，液注静压会使蒸发温度升高，换热温差减小。 降膜式蒸发的工作原理，是沸腾工质通过布置在蒸汽发生器顶部的分配器被均匀 分配喷淋到蒸汽发生器内的换热管上，吸收管内的热量汽化。降膜式蒸汽发生器包括 水平管降膜式和垂直管降膜式， 两者的区别在于换热管的布置方式， 前者为水平布置， 后者为竖直布置。水平管降膜式蒸汽发生器示意图见图 3.2。相比壳管式满液式蒸汽 发生器，降膜式蒸汽发生器具有下述优点43： （1）有效避免了满液式蒸汽发生器中由于液注静压引起的蒸发温度升高； （2）减少了沸腾工质充注量； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 图 3.1 壳管式满液式蒸发器示意图 图 3.2 水平管降膜式蒸发器示意图 基于上述特点，降膜式蒸发器在化学工业、食品工业和制冷设备中得到了广泛应用。 对于太阳能蒸汽发生系统，不需考虑沸腾工质充注量的问题，只需重点考虑换热性能和经济 成本。因此，对于太阳能蒸汽发生器的结构形式在满液式和降膜式间的选择，需重点研究分析两 者的换热性能以及经济成本，其中，经济成本包括初期投资成本和运行成本。 相比单管池式沸腾换热，满液式管束外沸腾和降膜式沸腾都能在一定情况下强化沸腾传热， 平均传热系数高于单管池沸腾换热的传热系数。根据相关文献的研究，满液式管束外沸腾和降膜 式管束外沸腾的传热特性跟热流密度密切相关，传热系数随热流密度变化。 3.2 池沸腾机理分析 对于该太阳能蒸汽发生器，只能在确定导热油入口温度的前提下进行结构设计和研究，热流 量和热流密度均为未知数，因此，有必要研究蒸汽发生器内单根管外池沸腾的传热特性，了解其 在单管外池沸腾情况下的热流密度及换热特性，以此为基础，确定在设计工况下如何选择蒸汽发 生器的结构。 沸腾分为大容器沸腾和强制对流沸腾，大容器沸腾又称池沸腾，是指加热壁面沉 浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾44， 当容器内液体主体温度达到饱和温度 ts， 且壁温 tw高于饱和温度时所发生的沸腾称为饱和沸腾。随着壁面过热度t=tw ts的 变化，热流密度的变化规律呈现出四个明显不同的区域：自然对流区、核态沸腾区、 过度沸腾区、稳定膜态沸腾区。不同工质不同工况下，沸腾曲线会有差别，但大致规 律相似。 核态沸腾区具有温压小、换热系数大的特点，因此常作为沸腾换热设备的设计工作区。核态 沸腾的开始阶段，汽化核心生成的气泡互不干扰，称作孤立气泡区，随着过热度增加，汽化核心 数量增加，气泡互相影响，合成气泡或汽柱，气泡的扰动促使换热系数迅速增大。 过去几十年里，国内外学者提出了许多经验或半经验的实验关联式及机理模型，但由于沸腾 换热的复杂性以及实验条件的限制，许多参数的测量非常困难，各种模型都需要作出一些假设， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 跟实际情况难以完全相符，因此，各种模型都有各自的缺陷，应有范围有限。提出的实验关联式 中往往含有较多的经验常数，而且经验常数的确定方法难以明确，通用性有欠缺。 在众多描述核态沸腾的机理模型中，judd 和 hwang 在前人的研究基础上提出的核态沸腾换 热复合模型较为全面， 该复合模型由薄膜层蒸发、 容积对流和自然对流 3 部分组成。 在此基础上， haider和webb引入了脱离气泡尾流对沸腾换热的影响， 进一步完善了核态池沸腾的机理模型45。 haider 和 webb 模型把沸腾表面的换热分为气泡区、气泡影响区、自然对流区三个区域，将 气泡影响区视作气泡周围的一个圆形区域。气泡影响区的面积假定为 krb2，其中 k 为气泡影响面积系数，反映气泡影响区面积的大小；rb为气泡半径。 在核态池沸腾换热过程中，换热表面的汽化核心处会周期性地产生气泡，一个气 泡周期包括等待期和生长期这两个阶段。从气泡形成到脱离为生长期，气泡脱离后， 加热面需要一段时间加热附近液体使其达到产生下一个气泡所必须的过热度，这段时 间称为等待期。 气泡区的换热分为两个阶段，在气泡生长期，气泡区的换热来自薄膜层的蒸发换 热，haider 和 webb 推导出整个生长期内蒸发换热量的半经验公式如下： 3 3 4 dlvme rrq= (3.1) 式 3.1 中，qme为生长期内单个气泡的蒸发换热量，j； v 为饱和蒸汽的密度，kg/m3； l r 为液体的蒸发潜热，j/kg；rd为气泡的脱离半径，m。 推导出其蒸发换热系数为： t rr tr rr ta q h g dlv dg dlv sbg me me = = = 3 4 3 4 2 3 (3.2) 式 3.2 中， g 为气泡生长期时间，s。 气泡脱离后，饱和液体进入原先被气泡占据的空间，跟换热壁面接触换热，脱离 气泡产生的尾流会诱发强制对流， 进一步强化传热。 因此该阶段的传热是两者的复合。 haider 和 webb 的研究考虑到了两者的复合，得出气泡脱离后的气泡区和气泡影响区 的换热系数计算式如下： w n n l plll bs c f ck h /1 6/1 pr 66. 0 12 + = (3.3) 式 3.3 中，kl为液体导热系数，w/(mk)； l 为液体密度，kg/m3； pl c 为液体的定压 比热容，j/(kgk)；f 为气泡的脱离频率，s-1；prl为液体普朗特数；c 为气泡尾流扰 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 动强度系数，但 haider 和 webb 未给出其确定方法；n 为经验常数，haider 和 webb 在其文献中建议取 1/21/3； w 为气泡等待期时间，s。 因此，整个气泡周期内，按稳态换热换算的气泡区换热系数可由两个阶段换热系 数的时间加权值计算，计算式为： ()fhhh wbsgmeb += (3.4) 气泡影响区的换热，也分为两个阶段：在气泡生长期，属于自然对流换热；在气 泡等待期，属于上述的气泡脱离后液体跟换热壁面的接触换热和尾流诱发的强制对流 换热。自然对流换热可通过以下公式计算46： 3/1 2 14 . 0 = ll pll lnc k cg kh (3.5) 式 3.5 中，为液体的体积膨胀系数，k-1； l 为液体的动力粘度，kg/(ms)。 因此，整个气泡周期内，按稳态换热换算的气泡影响区换热系数计算式为： ()fhhh gbswnci += (3.6) 整个换热表面的平均换热系数可按照各区域换热系数的面积加权计算，计算式为： () a akahkahah h nbncnbinbb + = 1 (3.7) 式 3.7 中，anb为气泡区的面积，m2；k 为气泡影响面积系数；a 为换热面总面积，m2。其中，气 泡区面积计算式为： 2 banb rana= (3.8) 式 3.8 中，na为汽化核心密度，m2。 该模型能够描述沸腾换热的各个基本过程，但是模型中包含了气泡的脱离半径、气泡等待时 间，气泡生长时间、以及汽化核心密度等难以测定的参数，以及气泡影响面积系数和气泡尾流扰 动强度系数等经验常数，而确定这些经验常数的方法并未明确。 对于 k， 不同的研究者得出了不同的结果。 judd 和 lavdas 通过研究不同热流和不 同过热度下的气泡影响区面积， 发现气泡影响面积系数随气泡区面积份额(anb/a)的增 加而减少， 并做出了相应的变化曲线， 其中 a 为换热表面总面积， anb为气泡区面积， 但并未给出该曲线的具体方程，因此未能用于其他工况下的通用预测模型47。 吴玉庭等人45在haider 和 webb 模型的基础上，通过数值模拟和实验相结合的手段， 拟合出气泡影响面积系数 k 和 c 的关联式分别为： aaaa nbnb eek /48. 9/80.78 99. 479.111 += (3.9) 47. 0pr71. 0=c (3.10) 式 3.10 中，pr 为沸腾液体的普朗特数。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 对于气泡脱离频率，吴玉庭等人45和王凤魁等人48均研究得出，气泡脱离频率 f 与热流密度，汽化中心孔径有关，随热流密度和汽化中心孔径增大而减小，但未能给 出通用的关联式。对于沸腾表面的汽化核心密度，wang、sultan、nakayama 和 chien 通过各自的实验49，得出不同沸腾表面、不同沸腾工质的汽化核心密度的分布规律， 但未能得到通用的预测模型，必须依靠实验测定来得到。 鉴于上述原因，对于沸腾换热的计算，目前尚缺乏完善的通用的机理计算模型， 实际工程设计中多采用相应的实验关联式。对于核态沸腾的换热计算，国内外学者给 出了大量的实验关联式，对于水的饱和核态沸腾换热，rohsenow50和 incropera51推 荐的实验关联式式应用较为广泛，与实验值的吻合程度较好： (3.11) 根据thq=，得出表面传热系数与过热度关系式： () 2 3 5 . 0 pr t rc c g rh s lwl pl vl l = (3.12) 以上式 3.11 和 3.12 中，q 为热流密度，w/m2； g 为重力加速度，m/s2； l 和 s 为相 应于饱和液体和饱和蒸汽的密度，kg/m3；cwl为取决于加热表面-液体组合情况的经验 常数；prl为饱和液体的普朗特数；s 为经验指数，对于水 s=1。 为便于计算，令 35 . 0 pr )( = s lwl pl vl l rc c g rm (3.13) 则 3 tmq= 。 3.3 蒸汽发生器中热流密度的分析研究 3.3.1 计算模型的建立 蒸汽发生器内的换热包括两个阶段， 首先为无相变阶段， 管外水受热升温至沸点； 然后为相变阶段，管外水受热后沸腾汽化。对于该太阳能蒸汽发生器，管外水无相变 3 5 . 0 pr )( = s lwl pl vl l rc tc g rq 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 换热阶段的时间远低于相变阶段的时间，受热升温阶段完成后，由于蒸汽发生器的保 温作用， 管内水温维持在沸点附近， 因此蒸汽发生器的主要换热阶段为沸腾汽化阶段。 沸腾阶段的换热过程，包括三个环节：管内导热油和内壁间的对流换热、换热管内壁 和外壁间的导热、外壁和管外水的沸腾换热。以换热管外壁面积为基准的管内对流换 热热阻r1和导热热阻r2计算式分别为： 11 2 1 hd d r = (3.14) () 2 /ln 122 2 ddd r = (3.15) 式3.14、3.15中，h1为管内对流表面传热系数，w/(m2k)；d2、d1分别为管外径和 管内径，m；为换热管导热系数，w/(mk)。 管内对流换热的计算， 采用格尼林斯基 （gnielinski） 公式52， 因其计算精度较高， 考虑到了入口效应： () 11. 0 3/2 1 4 . 087. 0 pr pr 1pr280re012. 0 += w f fff l d nu (3.16) 式3.16中，下标f表示以流体平均温度为定性温度。则h1计算式为： 1 1 1 dnu h f = (3.17) 根据稳态换热下的热流平衡，推导出换热管的传热方程为： 3 21 tm rr tt wofi = + (3.18) 式3.18中，tfi为导热油温度，；two为外壁面温度。 对于已知导热油入口温度的情况，假设管内导热油的平均温度，并逐步调整假设 值，当假设值tfi与导热油入口温度t0以及导热油温度变化量t近似满足关系式tfi= t0- t/2时，假设值近似等于导热油的实际平均温度。 对于该太阳能蒸汽发生器， 壁面过热度未知， 未能确定处于沸腾换热的哪个区域， 故先假设其处于核态沸腾状态，当算得的热流密度小于临界热流密度，即可认为假设 正确。zuber应用汽膜的泰勒不稳定性原理推导出池沸腾的临界热流密度计算式53为： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 25. 05 . 0 max )( 24 vlv grq = (3.19) 算得水在标准大气压下池沸腾的临界热流密度为109.6104w/m2。 3.3.2 计算结果分析 下面计算蒸汽发生器中单根普通光管在管外沸腾状态下的换热，假设蒸汽发生器 中管外水温均为100，导热油在管内以一定速度流动，加热管外水，产生饱和水蒸 汽，蒸汽发生器内压力为标准大气压。换热管采用外径38mm，壁厚2.5mm的规格。 管内流速为2m/s，管材为碳钢时，汽化速率随管长和导热油入口温度变化如图 3.3所示。由图3.3可以看出，气化速率随管长增加而增加，但增加幅度越来越小。这 是因为，导热油沿管长方向温度降低，从而单位管长的汽化速度降低。随着导热油入 口温度升高，气化速率近似成线性增大，且增大幅度略有提高，由式3.18可知，沸腾 换热系数与壁面过热度的平方成正比，随着导热油温度升高，壁面过热度提高，沸腾 换热系数提高， 从而总换热热阻减小， 气化速率随导热油温度的变化曲线的斜率增加。 图 3.3 汽化速率随管长和导热油入口温度的变化 换热管常用的材料有灰铸铁、碳素钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、铝54，分别 计算管长为1m，管内流速为2m/s，导热油入口温度为200的情况下，采用以上材 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 料时的汽化率，计算结果见表3.1，汽化率变化曲线见图3.4。从图3.4中可以看出， 汽化率随着导热系数增加而增加，但增长幅度越来越小。从经济性和换热性能考虑， 可选择碳钢或不锈钢，考虑到防锈性能，选择不锈钢321。 表表 3.1 不同导热系数时的汽化率不同导热系数时的汽化率 导热系数（w/（mk） ） 汽化率（g/s） 16（镍钢） 5.326 23（不锈钢 321） 5.816 33（灰铸铁） 5.963 48（碳钢） 6.183 72（纯铁） 6.355 123（铝合金） 6.502 240（纯铝） 6.609 图 3.4 汽化速率随导热系数的变化 提高管内导热油流速能有效提高管内对流换热的表面换热系数，在上述计算工况 下，通过计算可知，管内对流热阻在总热阻中占主导地位，因此提高导热油流速能有 效提高汽化速率。当汽化速率要求一定时，提高导热油流速能减小所需换热管长，进 而降低换热器成本。但根据达西公式，管道沿程损失水头与管内流速的平方成正比， 因此提高流速会大大增加管内的沿程损失水头， 进而增加管内流体的输送功率。 此外， 为抑制换热面上污垢积累的速度，流速不能过低17；为避免引起水蚀或振动，流速不 能过高。因此，需从所需管长和沿程损失两个角度综合考虑，选择合适的管内流速。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 文献中给出了换热器管内常用流速的范围，下面分别计算在常用流速范围内，汽化速 率一定的情况下，所需管长和阻力损失随管内流速的变化。 导热油入口温度为200时，不同汽化率要求下管长和沿程阻力损失随流速的变 化分别如图3.5和图3.6所示。 从图3.5和图3.6中可以看出，从所需管长的角度考虑，流速越大则所需管长越 小，但随着流速增大，所需管长的减小幅度随之减小；从阻力损失的角度考虑，流速 越大则阻力损失越大，且随着流速增大，阻力损失的增大幅度也随之增大。因此需综 合权衡两方面的因素选取合适的管内流速，而两者的权重，有待进一步的研究。对于 不同的汽化速率要求，管内流速的合理取值也可能不同。从图3.5和图3.6中所示的 两种情况来看，14m/s的管内流速取值较为合理。 图 3.5 气化速率 40g/s 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 图 3.6 气化速率 80g/s 导热油温度为200，管材为不锈钢321（1crl8ni9ti），管内流速在14m/s间 变化时，热流密度的变化曲线如图3.7所示。 图 3.7 热流密度随管内流速的变化 由图 3.7 可知，该太阳能蒸汽发生器的热流密度范围大致为 80300kw/m2。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 3.4 蒸汽发生器中管外