（制冷及低温工程专业论文）r134a螺旋管内流动沸腾换热特性研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 螺旋管因其在传热性能上明显优于直管，且具有结构紧凑和加工制作方便等 优点，在能源动力、石油化工、核反应堆以及制冷与空调工业得到了广泛应用。 但由于两相流动的复杂性和缺乏对汽( 气) 液界面传热传质和动力学行为的微观 认识和定量描述等原因，螺旋管内两相流动沸腾传热，成为当前两相流研究领域 的重要课题之一。制冷剂氯氟烃( c f c s ) 对大气臭氧层有严重的破坏作用，被禁使 用迫在眉睫。r 1 3 4 a 是目前国际基本公认的作为c f g l 2 的替代制冷剂的最佳选 择，并且已经投入商业应用。r 1 3 4 a 的特点是对大气臭氧层的破坏能力指数( o d n 为零，地球温室效应( g w p ) 值为0 2 6 ，不易燃，无毒，无腐蚀作用，是目前最具 有实用性的替代工质。研究r 1 3 4 a 螺旋管内的流动沸腾传热特性无论对旧系统的 改造还是新系统的设计开发以及可靠运行都具有重要的理论意义和工程应用价 值。 在设计搭建实验台的基础上，以r 1 3 4 a 为工质对螺旋管内的两相流沸腾换热 特性进行了研究。实验段采用内径为8 1 n l m ，外径为1 0 蛐，螺旋直径为3 0 0 咖， 管长为7 5 4 4 m 的螺旋管。实验条件为：平均蒸发温度：一5 2 0 ，质量流速： g = 1 0 0 4 0 0 k g ，( m 2 s l ，热流密度：5 2 0 l 哪，m 2 ，干度：善。o 1 一o 8 。并利用“s u a l b 鹊i c 语言编制了数据处理程序。程序计算以总结的数据处理方法为依据，主要 包括“测量参数输入页面”、“查表参数输入页面”和“结果输出”三个界面。此数据 处理程序为实验数据的批理处理提供很大的帮助。对各种实验条件下的数据进行 了采集处理。并应用误差分析和误差传递理论对试验数据的不确定度进行了分 析。 实验结果显示：平均传热系数随着质量流量的增大而增大，随蒸发温度的增 大而增大；当热流密度较小时，局部传热系数随干度的增加单调增加，而当热流 密度增加到一定程度后，局部传热系数先增加，当干度达到一定值时，开始有所 降低。热流密度越大，局部传热系数开始减小时的干度越小。对水平直管和螺旋 管的局部传热系数随干度的变化关系进行了比较：在相同条件下，直管的换热系 数比螺旋管的小。随干度的增加，直管中局部传热系数开始减小时的干度比螺旋 管的小，并且降低的速度比螺旋管的快。 以本文实验数据为基础，依据j u n g 等和c a v a l l i n i 与z e c c h i n 提出的公式， 山东大学硕士学位论文 把平均换热系数做为平衡迪恩数d 。l q ，普朗特数 ，m a n i n c l l i 参数x 。和沸腾 数肋的函数，发展出了螺旋管内两相流的换热系数关联式。并把换热系数的实 验值与发展出的关联式得出的计算值进行对比，实验结果与关联式预测值符合的 很好，最大偏差为1 5 。 关键词：螺旋管，两相流，r 1 3 4 a ，沸腾换热 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h c l i c a lt l l b e sa 聆w i d e l yu s e di nc n e r g y 柚dp o w e r p e t r o c h e m i c a l 锄g i n c e r i i i 舀 加d e 缸f c a d o r ，f e 衔g e r a t i 趾da i rc o n d m 帆i l l 岛e t cb yi t sh i g i l e rh e a tt i 彻s f e r e f f i c i e n c y ，m p a di ns 仇i c t i i 化a n de 鹤et om a n u f a c t u r c b e c a u s eo ft h e 咖p l e x i t y o ft h e 铆o - p h a n o w 姐ds h o f to ft h em i c r 0 - k n o w i n g 姐dq u 姐t i t a t i v e 锄a l y s i so ft l l e h c a t 粕dm 鹤s 仃a n 蚶盯a n dd y n a l l l i c a la c t i 彻衄t h ci n t e r f a c eo ft h ev a p o r 锄di i q u i d p h a s ，柳o p h 硒en o wb o i l i n gh e a t 仃a m f c ri l lh c l 渤lt l l b 髂b e c o m c s 伽eo ft h ck e y s u b j e c t s 彻t w o - p h a s en o w c f cr c 伍g c 珊t sh a v ct h eq u i c kd c s m t i o no ft h co 枷e l a y e ri nt h co u t e ra i m o s p h e r ca r o 咖dt h e n h i t su s ew mb c 向r b i d d c n r 1 3 4 ai s 饥r 陀n t l y n s i d e r c dt ob et h em a i l lr e p l a c e m e n tt oc f c - 1 2b y 屺w o r l d 柚d “h a s b e g i l nt ob eu s e di nc o m m e r c e n s0 d p i sz 哪，g w p i so 2 6 a n di ti sn o te a t 0 b l l f n ，加p o i s o n o u s ，们c o 盯0 s i v e ni st h em o s tp 船c t i c a l 化p l a c e m 锄tr e 衔g c r 卸ta t p 聆s e m ni so fs i 印i 6 c a l l ti m p o n 锄c ct o s e a r c ht h eb o i l i l l gh e a tt r a n s f c r0 fr 1 3 4 a i n h c l i c a it i i b c si nb o t ht h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp m d i c a la p p l i c a t i o 砸 叻cc x p c r i m 蛐t a lu n i tf o rr 1 3 4 a 衄n o wb o i l i n gh e a tt m s f c ri nt i i eh c l i c a l l y t u b ei sd “e l o p c d 加dm en o wb o i l i n gh e a t 仃彻s f c rc h a r a c t e r i s t i c si ss t u d i e d 伯et e s t s e c t i 衄i sm a d co fas t a i l i i e s ss t e e lt l b e 谢t ht h el e n 蛋ho f7 5 “m 卸di n s i d ca d t s i d ed i 锄e t e 璐o f8 h ma n d1 0 衄r e s p e c t i v c l y t h ed i 锄e t c ro f i li s3 0 0 衄 t h e e x p c r i m e n tm n g e i s髂f o l l o w s ：t h e w e m g e s a t i i r a t e d c v a 唧a t i n g t c m p e n t i l r 器：- 5 2 0 ，t l i e m 硒s n u x e s ：g = 1 0 0 4 0 0 k g ( m 2 s ) ，t h ch e a t n u x 船： 5 2 0 k w m 2 ，t h ev a p o fq u a l i t y ：工0 1 一o 8 ad a t a p n ) c e s s i n gp r o g 舳i sc 呲p i 埘 w i t ht h e 湖p u t c rl 强g i i a g eo fv i s u a lb 嬲i c 柚di ti n c l u d e st l i ei n p u tp a g co fm e 弱u r c d d a t a t h ci n p u tp a g eo ft a _ b l e - 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s ) 密度k g m 3 表面张力n m 液相 汽相 两相 预热段 实验段 截面 进口 出口 实验段截面 预热段进口 预热段出口 实验段进口 实验段出口 实验段进口温度 实验段出口温度 内壁 饱和璧“争孤妙?m誓?膨?渺渺啪?；。 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：刍立：鲞睦 日期： 亟：窆丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：虱塞整导师签名：盈互1 日 期：! 篁：! ! 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 两相流传热研究的重要意义 两相流与传热是在流体力学与传热传质学基础上发展起来的一门新的学科， 现已广泛应用于动力、石油、化工以及多种过程工业中，由于核电与高新技术的 发展，更引起各国的重视，研究成果显著。 能源工业是我国经济建设的重点，我国工农业产值增长所需要的能源中一半 靠能源开发，一半要靠节能来满足，要提高能源利用效率，也就是要依靠能源、 动力、石油化工及各行各业的科技进步来满足，而其中涉及到许多起关键作用的 是多相流热物理问题。 目前，火力发电正向高温高压大机组的方向发展，我国正在发展1 7 m p a 、 3 0 0 m w 和6 0 0 m w 级亚临界压力机组，并将逐步成为我国电力工业的主力机组。 已有国外引进的2 5 m p a 级3 0 0 m w 及6 0 0 m w 超临界机组投入运行。并已开始研 究超临界变压运行的2 5 m p a 级6 0 0 m w 机组。深入研究汽液两相流的水动力特 性及传热恶化规律对保证锅炉的安全可靠性有重大意义。大型汽轮机中末级叶片 的设计及汽轮机中的湿蒸汽两相流已成为汽轮机发展中的关键课题。我国正在发 展核电站，已有国产3 0 0 m w 机组及引进的9 0 0 m w 机组投入运行，其中存在着 许多两相流动及传热的问题。核电站中汽轮机湿蒸汽两相流问题，尤其是反应堆 的失水事故与两相流及传热关系更为密切。在核反应堆中，汽液两相流与传热的 研究成为核电站发展的关键课题之一。 在现代化大型石油化工企业，如大型合成氨，大型乙烯装置中，利用废热锅 炉来回收高温工艺气的热量生产高压蒸汽的过程中存在着大量两相流与传热方 面的课题。在油田开采和稠油注汽开采等过程中，存在着许多气、水、油三相流 流动与分离的课题。 制冷系统中两大主要的换热设备蒸发器和冷凝器，其中进行的都是两相流换 热过程。随着科技进步和人民生活水平的提高，制冷已渗透到国民经济的各个领 域。据美国统计，美国仅暖通空调每年耗能量约占全国能量消耗的1 6 1 8 。随 着经济的发展，制冷所占耗能比例必将越来越大。随着能源价格不可避免的上涨， 山东大学硕十学位论文 节能指标在工程与设备的竞争中也越来越重要，因此制冷与空调设备的节能显得 非常重要。充分研究蒸发器和冷凝器中的两相流换热过程及其特性，可以为更好 的提高传热效率，强化传热提供最可靠的理论依据。从而为设计和生产节能型制 冷与空调设备找到最有效的方法。 因此，多相流传热研究的发展能对我国能源与动力工业、石油化学工业、高 技术等乃至整个国民经济的发展起着极为重要的作用，对多相流问题的深入研究 必将大大推动我国科学技术的进步及经济建设的发展。 1 2 螺旋管内两相流传热的复杂性 螺旋管具有换热效率高、结构紧凑和加工制作方便等优点。而且螺旋管的热 偏差小，一般发生传热恶化时的临界干度和临界热负荷均高于直管，有利于提高 设备的安全性和可靠性。因此螺旋管换热器在高效蒸汽发生器和冷却器、核反应 堆冷却、电站锅炉、船舶动力、石油化工、航天航空、微电子器件冷却、先进燃 料电池系统冷却、食品制药、以及制冷与低温技术等领域得到了非常广泛的应用。 气体和液体都是流体，它们单独运动时的规律基本相同。但是，它们绝热共 存时的流动规律与单独流动时有许多不同之处。由于相的存在以及相问相对分布 状况不同，除介质与流道壁面之间存在着作用力外，两相界面之间也存在着作用 力，有可能发生机械不平衡现象，使动量方程复杂化。在连续流动情况下，从动 量定理出发，流体所受作用力处于平衡状态，整个两相流体仅与外界物体和进出 口界面发生力的相互作用。两相之间的作用为内力，大小相等，方向相反，对体 系的动量方程没有贡献。但是从能量平衡观点出发，除流体与外界之间存在能量 交换之外，两相界面之问也存在着能量交换，而且这种交换必然伴随着机械能损 失，使能量方程复杂化。这是气液两相流动有别于单相流动的流动特点。其次， 相分布的多变性( 相密集、弥散、分层等等1 影响两相问的力学关系，因而也会影 响两相流动的传热特性。对于加热沸腾的两相流动，相变造成质量传递和含气率 变化，不仅沿流道运动相分布( 形状和数量) 不断发生变化，导致流动计算复杂化 而且也因传质伴随动量传递和能量传递，使连续、动量和能量方程更加复杂。此 外，相交界面上还可能直接发生热量交换。这些因素都有可能进一步影响体系的 状态平衡特性。因而加热的单组分气液两相流动是最为复杂的一种两相流动现 象。 2 山东大学硕士学位论文 两种本质极为复杂的物理过程( 沸腾传热和气液两相流动) 组合在一起，又大 大增添了复杂性和多变性，对研究、分析和观察问题带来极大困难。加之螺旋管 内两相流受离心力和二次流的影响，当螺旋管卧式放置时，离心力和重力夹角不 断变化，各局部区段内的汽液两相流动较立式螺旋管更加复杂。因此，到目前为 止，无论在理论上还是方法上，其研究尚处于发展阶段，而且，在今后相当长的 时期内，将继续是一个充满不同见解、实验性强、带有经验和半经验色彩，充满 着机会、突破和飞跃的学术领域。 1 3 制冷工质的替代 氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物之总称。不同的氟里昂物质在 热力性质上各不相同，能适应不同制冷温度和容量的要求；其中许多物质，尤其 是氯氟烃( 碳氢化合物的氟、氯完全衍生物) 在物理、化学性质上又有许多共同的 优点( 如无毒、无燃爆危险、不腐蚀金属、热稳定性与化学稳定性好等) ，便于实 用。所以这些制冷剂的应用曾对制冷工业带来了变革性的进步。 1 9 7 4 年m o l i m 和r o w l 托d 研究发现氟里昂扩散到大气同温层，受紫外线的照 射会分解，释放出氯离子与同温层中的臭氧发生反应，使臭氧层受到破坏1 1 】。臭 氧层的破坏导致了地球上的紫外线辐射量大大增加。直接后果就是：1 ) 、危及人类 健康，使皮肤癌、白内障的发病率增加，破坏人体免疫能力；2 ) 、危及动植物， 使农作物减产，不利于生物的生长和繁殖；3 ) 、产生附加温室效应，从而加剧全 球气候变暖。因此，减少有害氟里昂的使用，保护大气臭氧层己经成为当前的一 项全球性的紧迫任务。 1 9 8 7 年9 月，联合国环保组织在加拿大的蒙特利尔市召开会议，3 6 个国家和1 0 个国际组织共同签署了关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书，正式规 定了限制生产与消费具有臭氧层破坏效应( 0 d p ) 和温室效应( g w p ) 的制冷剂 的日程表。中国于1 9 9 2 年正式宣布加入联合国环保组织，执行修订后的蒙特 利尔议定书，并于1 9 9 3 年批准了中国消耗大气臭氧层物质逐步淘汰国家方 案。该协定规定了限制和禁止生产对臭氧层破坏作用大的物质。自此开始了全 球性的技术对策活动，制冷界也同时开始了更新制冷剂的工作。目前新制冷剂的 开发、研究和应用正在进行中，取代c f c s 最有希望的是氟里昂中的唧c 类物质。 较明朗化的趋势是：高温制冷剂利用r 1 2 3 ，中温制冷剂用r 1 3 4 a 和r 1 5 2 a ，低温 制冷剂用r 2 3 。 3 山东大学硕十学位论文 r 1 3 4 a ，其0 d p = 0 ，g w p = o 2 4 - 0 2 9 ，经试验研究表明，无论其作为纯制冷剂 还是和其它物质混合形成混合制冷剂，均在空调和中温制冷系统中有良好的性 能，对于许多新的制冷设备而言也都是最佳的制冷剂，且与即将被淘汰的r 1 2 的热物性相似。另外，在某些应用范围内也可替代在过渡阶段中仍广泛使用的纯 制冷剂或用于混合物制冷剂中的r 2 2 。 研究环境友好的新型替代制冷剂在螺旋管内的两相流传热特性，不但可以获 得制冷空调等领域所急需的制冷剂换热特性的基础数据和设计依据，而且可以发 展基于h f c s 工质的沸腾模化实验新方法与技术。这对于深入探索曲线管内两相 流过程的物理机制与规律和发展基于过程机理的两相流特性模型和预测方法具 有重要的学术意义和应用价值。 1 4 国内外研究现状与分析 到目前为止，国内外已对管内对流沸腾换热进行了长期的研究探索，但绝大 部分研究是对直管( 束) ，包括各种型式的强化表面管和微小尺寸通道等进行的 l 印j 。虽然已将螺旋管圈作为快中子增殖堆内蒸汽发生器的主要型式，但对螺旋 管内对流沸腾换热的研究很少【4 j 。自1 9 2 5 年以来，已对螺旋管内单相流动与换 热进行了系统研究，而对螺旋管等曲线管内两相流和传热的研究却很不够【卅， 特别是对具有相变的对流沸腾传热研究则更少。对螺旋管内的两相流和传热研究 主要是关于无相交的气液( 空气水) 两相流，且主要是水动力特性和相关参数 的实验研究和数据分析，如压力降、空隙率和流型等。只有少量文献报道了具有 相变的两相流动与换热的研究结果【7 4 5 1 。螺旋管内的沸腾传热过程由于离心力和 扭转力的作用而比直管中的要复杂得多。已有研究表明取决于传热传质与动力学 特性等各种机理的相对重要性，沿着流体流动的方向，各种沸腾传热工况都可能 出现，液膜沿螺旋管周向和长度方向会有多种不同分布型式【1 4 l 。临界热流c h f 和干涸后( p o s td r y o u t ) 传热过程与直管中的现象有明显不同1 9 】，而且沸腾传热 过程与螺旋管的结构参数和布置方式( 水平、垂直或倾斜) 有密切关系。螺旋管 中的二次回流可使液膜产生周向运动，使容易产生c h f 和干涸的地方得到液体 的补充，有利于推迟临界热流的产生，离心力使汽芯中液滴浓度减小，平均液膜 厚度增加，致使螺旋管临界热流高于水平管1 4 1 。 我国西安交通大学陈学俊院士领导的课题组对螺旋管内两相流与传热进行 4 山东大学硕士学位论文 了长期系统的研究，近年来又率先开展对螺旋管内震荡两相流的瞬态和平均特性 等的研究，取得丰硕的研究成果瞰6 f 1 刀。最近，美国p i i r d u e 大学的s t u 面s 和 m u d a w 甜对矩形截面弯管内由于管道弯曲而产生的加速度对c h f 的影响机理进 行了研究，认为弯管通道存在三种c h f 的强化机理1 1 8 j 。因此，螺旋管被认为可 以强化对流沸腾换热和c f h 【甜。但到目前为止，对螺旋馆内对流沸腾换热的内在 机制和规律尚在探索中。 1 4 1 螺旋管内的单相换热 在一定r e 范围内，螺旋管平均换热系数高于直管。j e s c h k c 【1 9 】( 1 9 2 5 ) 最早研 究并分析了螺旋管内空气紊流换热特性，褥到了r e 数从层流至1 5 x 1 0 4 范围内的 经验公式： 胁p f “一o 0 4 5 ( 1 + 3 5 历) r e “( 1 1 ) 限于当时的实验条件，实验的准确度不高，因而j e s c h k e 计算式后人较少采用。而 后，m e r k e t f 硎( 1 9 2 7 ) 以直管内紊流流动换热公式为基础，用修正因子给出了螺旋 管内空气紊流换热关联式： 肌p r “一o 0 2 3 ( 1 + 3 5 4 d d c ) r ( 1 2 ) 由于使用了螺旋管的曲率比做直线修正，而且实验范围较窄，故其精度不高。 s e b a n 和m c l a u 曲l i n 【2 l j ( 1 9 6 3 ) 以电加热方式对水进行了实验研究，结构参数为 d c d 一1 7 ，1 0 4 ，r e = 6 0 0 0 6 5 6 0 0 。数据处理时假定电功率均匀分布，螺旋管 截面无弯曲变形，忽略轴向和周向导热，材料导热系数恒定。管子的内壁温通过 求解具有均匀内热源的环状导热方程得出，最终得到的紊流换热计算公式： p r “一o 0 2 3 r e ( 去) u l o 0 2 3 r e ( 见) “ ( 1 3 ) 式中定性温度采用液膜平均温度。公式计算精度良好，被广泛引用。 m o r i 和n a l 【a y 柚a 【2 2 j ( 1 9 6 7 ) 用半理论半经验的方法研究了等热流条件下管内 充分发展的紊流流场及温度分布，对于气体等较小p r 数的工质，换热公式为： 川。j i i i 向t e 。8 ( 罢) 。1 【1 + 南j c 1 - 4 ， 上式应用范围p r 一1 ，r e ( d d c ) 2 ，o 1 ，对于水等高p r 数的工质，推荐采用如下公 5 山东大学硕十学佛论文 川kpr日。：苦re，6(去)“【1+街j c 1 - 5 ， 上式适用范围p r ，1 ，r e ( d d c ) 2 ) o 4 。在相同的条件下，螺旋管内换热系数与 直管的换热系数的通用关系可以表示成： 惫卟e 2 且】 m 回 上式当p r 变大时，比值接近于1 ，即直管和螺旋管的换热相接近。m o r i 和 n a l 【a y 锄a 【2 3 j ( 1 9 6 7 ) 还研究了紊流发展区( 过渡区) 内的换热特性以及不同边界条 件的影响，发现等壁温和等热流的紊流换热十分相近，发展区同充分发展区的换 热相差不大，仍可采用( 1 - 5 ) 来计算。 冯自平等【2 4 l ( 1 9 9 6 ) 针对d 三) c = o 0 4 3 不同倾角放置的螺旋管中的换热特性 进行实验研究，提出了单相换热系数计算式： 肌。p r “- o 0 4 4 r e ”d j ”( 1 7 ) 其中r e 一4 1 0 4 3 5 1 0 4 ，并指出螺旋管的倾角对换热影响不大。 以上是螺旋管中紊流条件下单相换热的主要研究结果，对于层流条件下的换 热由于在工程实际中应用较少，其实验研究主要以m 耐，d a v i d ，j a s s e n ， f u t a g a m i 为代表，而后主要集中在数值模拟上。 1 4 2 螺旋管内的相变换热 换热器和蒸汽发生器的设计要求传热效率高，安全可靠，这和其中的介质流 动特性及传热特性密切相关。由于螺旋管中汽液两相流流型的复杂性以及缺少对 汽液两相界面的传热、传质、运动及波动特性及规律的了解等原因，使得对螺旋 管两相流传热的理论分析十分困难。现有的工作主要集中于实验研究，用经验关 联式来整理两相和过热区的换热数据。 o w h a d i 等【7 1 ( 1 9 6 8 ) 在一个大气压下对d 一1 2 5 姗，驯d 。观4 1 7 ，的立式 螺旋管中的强制沸腾换热进行了研究，参数范围：w = 0 0 0 9 7 0 8 吲s ， g 一6 0 2 5 5 k w m 2 ，发现在较小的干度情况下，螺旋管的内侧换热系数较大。 文章认为在内侧弯管时壁厚增加，发热量增高，气泡产生多；随着干度的增高， 6 山东大学硕十学位论文 出现了相反的变化，外侧换热系数较大，使用c h e n 氏公式关联实验数据效果较好。 k o z e l 【i 【2 5 】( 1 9 7 3 ) 认为由于离心力和二次流的作用，两相强制对流区占主导。 实验测量了d = 1 2 5 衄，叫d c 一0 0 2 扣o 0 5 的螺旋管内空气水两相流的液膜厚 度，并进行理论分析，据此推导出局部换热系数。在压力l 3 o m p a ， g = 3 6 0 7 2 0 k 衫( m 2 s ) ，热负荷口爿1 6 2 2 3 k w m 2 ，加热条件下的实验中发现， 局部换热系数以外侧点最高，左侧点和右侧点居其次，内侧点最低，并用l m 参数 法拟合了平均换热系数。据另一对比实验得出螺旋管的平均传热系数约为 2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 、( m 2 。c ) ，压力、流量、干度和截面位置影响不大。 c m i n 和b e l l f 2 6 】( 1 9 7 3 ) 试验发现同一截面的上下两侧传热恶化最早，外侧次 之，而内侧一直保持较高的传热水平，并经可视化观察，证明了二次流的存在对 内侧液膜稳定性的贡献。 k u b a 一2 7 l ( 1 9 8 5 ) 试验发现螺旋管两相平均强制对流沸腾传热系数在低压下可 用l m 法拟合，对于高压低干度oto 5 ) 和低压高干度( 膏，o 5 ) 工况，可用两相 d e 柚数来拟合。对立式螺旋管内的强制对流沸腾换热特性试验研究较多，但对卧 式螺旋管的对流沸腾传热特性仍缺乏深入系统的研究。 陈学俊和周芳德【2 8 】( 1 9 9 0 ) 试验发现螺旋管管径和曲率直径的比值对该区的 传热系数影响不大，各螺旋管圈在该区的周向平均传热系数要高于水平直管。 陈学俊【4 】试验研究得出了螺旋管内两相强制对流区平均放热系数计算公式： 譬诅，”， ， 譬叫玎，去c ， m 印 并发现螺旋管径和曲率直径的比值对该区放热系数的影响不大。螺旋管内在该区 的周向平均放热系数要高于水平直管。螺旋管干涸后放热系数计算公式为： 肌i 呦n r e 卜+ 等( 1 吖) i y 其中，y - 1 - 0 1 ( 乞1 ) ( 1 戈r ( 1 。9 ) 计算值和试验值的相对误差小于2 0 。在相同工况下，螺旋管干涸后壁温飞升值 低于水平直管，且沿周向长度的壁面温度变化平缓。螺旋管内离心力的作用使内 侧壁面最容易产生于涸；二次回流的作用使干涸后周向壁面湿度差减小，改善了 7 山东大学硕十学能论文 内侧面干涸后的传热，并使得干涸点下游各截面的周向壁面温度差基本上为常 数。 当螺旋管卧式放置时，由于离心力和重力夹角的不断变化，卧式螺旋管内各 局部区段内的汽液两相流动较立式螺旋管更加复杂。 郭烈锦等【2 9 l ( 1 9 9 4 ) 在中高压汽水两相流回路对三种管圈d 2 0 m m ，d c d = 1 2 ，2 4 ，4 8 实验研究了卧式螺旋管内单、双相强制对流与沸腾传热特性，实验 参数为：pt3 o 一1 5 m p a ，g 一2 5 0 一1 5 0 0 k g 【m 2 s j ，热负荷7 0 6 0 0 k w m 2 ， 出口干度0 0 1 1 2 ，给出了试验数据的平均换热系数计算式： 。- 1 + 3 8 ( 1 以) “， v x 。c2 5 1 0 4 岛确一1 2 8 ，2 5 1 0 - 2 v x # 2 5 1 0 - 1 枷k 一1 + 2 2 ( 1 五) “， v x 。，2 5 加1( 1 1 0 ) 实验还测量了传热系数沿螺旋管长度和同一截面圆周方向的变化与分布，并 分析了不同区段和截面位置处局部传热系数的差异及其原因。实验发现在卧式螺 旋管的最低处附近，截面内侧( = 1 8 0 0 ) 及左右两侧( = 9 矿，2 7 吩的换热系数明显低于 管圈其他部分的值；当工。较小时，所有截面外侧的换热系数相接近；当x 。较高 时，最内侧点的换热系数在管圈的最低处为最大；上升流动的半圈其传热系数普 遍比下降流动的半圈要高。文章认为产生这种特性的原因是离心力同重力的联合 作用，使得卧式螺旋管内各局部区段内的汽液两相流流型结构不同。 冯自平、郭烈锦等【3 0 j ( 1 9 9 6 ) 对d = 1 1 m m ，d c ，d = 2 3 3 的卧式螺旋管中的压力降 脉动特性以及瞬态传热特性进行了研究，将脉动分为缓变区、上升区和下降区三 个区段，对脉动量的相位、振幅进行了分析，得出定性的特征，并对瞬态换热采 用截面时均参数( 干度、密度、粘度等) 进行关联。 白博峰、郭烈锦【3 1 1 ( 1 9 9 7 ) 在较宽广的参数范围内对卧式螺旋管内流动沸腾传 热特性进行了详细的实验研究。对螺旋管内径d = 1 1 m m ，曲率直径比d d 为 2 3 2 7 。试验参数范围：压力o 5 3 o m p a ；质量流速2 0 0 2 5 0 0 k w m 2 热负荷 3 0 5 0 0 k w m 2 ，出口干度o o 8 6 时总结出在实验参数范围内的螺旋管强制对流 传热的全管圈平均传热系数计算式 口口口l _ 1 + 2 2 1 ( 1 z n ) “即 ， 1 工n 1 2 a 仰a l - 3 0 6 ( 1 x 。) 0 4 7 ， 1 x 。1 2( 1 一儿) 换热系数沿管长的分布具有周期性，最大值位于螺旋管的上升区段，此位置 8 山东大学硕十学位论文 的传热系数可用式 a 口口l 叠1 + 1 9 5 ( 1 x n ) 0 1 弱 ， 1 x n 1 2 口口a l 一2 6 9 ( 1 x 。) “ ， 1 x 。21 2 ( 1 1 2 ) 计算螺旋管的下降区段的传热系数比管圈平均值要小，该区段的传热系数可用式 口竹a l 一1 + 1 8 2 5 ( 1 ，x h ) m 猫 ， 1 盖h 1 2 口t p 口l 一2 6 9 5 ( 1 j 。) “”1 ， 1 j 。乏1 2( 1 1 3 ) 计算。沿管截面周向换热系数分布比较对称，内侧最小，外侧最大，截面顶部和 底部的传热系数接近于截面平均值，干度是影响不均匀分布的主要因素。同一截 面周向上局部传热系数的分布可用式 t p ) l 口t p - 1 1 砸z 。) ”( 0 6 + 0 韶+ o 坩2 )( 1 - 1 4 ) 来表达。在管截面圆周方向，内侧壁温最高，而外侧最低。 郭烈锦【3 2 l 首次对卧式螺旋管内高压条件下汽液两相传热恶化特性进行了研 究，并分析了高干度区烧干机理，它们是：( a ) 液膜下形成蒸汽膜；( b ) 液滴蒸发 率超过沉积率所引起的烧毁；( c ) 液膜突然破裂；( d ) 干燥斑点的形成；( e ) 液膜干 涸等5 种。但没有分析管内二次回流对烧干的影响，而且没有对中低压条件下的 烧干特性进行研究。 冯自平1 3 3 1 等在实验研究的基础上，分析卧式螺旋管内汽液两相烧干机理，着 重探讨了二次回流对卧式螺旋管内烧干的影响规律： ( 1 ) 卧式螺旋管内烧干首先在管圈出口处发生，然后再扩展到上游。而在同 一截面内，烧干首先发生在管圈的前侧( 口。9 0 。) 和后侧( 疗。”o 。) 。这主要 是由于二次回流的影响。 ( 2 ) 卧式螺旋管内烧干点的形成及发展特性主要受二次回流及烧干点处液 膜和壁面的导热效应的影响。前者作用大于后者，烧干点扩大；二者作用相近时， 壁面上形成稳定的局部烧干点；而前者作用小于后者时，可能诱发热力脉动。 ( 3 ) 卧式螺旋管的临界干度可由式 一孝篙 m 均 计算。随系统压力的升高，临界干度增大，而临界热负荷减小；随质量流速的升 高，临界干度降低。 毕勤成、陈听宽、田永生l 删等针对高温气冷堆螺旋管式蒸汽发生器，并扩大 参数范围，对螺旋管内两相流传热特性进行了较为全面的试验研究和分析，在压 9 山东大学硕十学位论文 力p - 4 2 2 m p a 、质量流速g - 4 0 0 一1 4 0 0 k 酬m 2 s ) 、内壁热负荷 q = l o o 一7 0 0 k w m 2 的宽广范围里，试验得到了大量的宝贵数据，通过分析与计 算，可以得出以下主要结论： ( 1 ) 螺旋管壁温飞升点总是首先发生在内侧和顶点之间。 ( 2 ) 截面上各个点发生传热恶化的临界干度各不相同。 ( 3 ) 临界干度值的大小与压力、质量流速、热负荷有关。随着压力的升高， 降低；随着质量流速的增大，增大；随着内壁温热负荷的增加，矗减小。 ( 4 ) 由试验数据拟合的公式可用来计算临界焓值或临界干度 l 一 争- 1 + 2 5 7 3 幻”g ”p 一砒 ( 1 1 6 ) 伪啊 l 工。一生【2 5 7 3 却- o ”3 g ”1 6 p m 9 概一1 】( 1 1 7 ) r 临界热流( c f i t i c a lh e a tn 呱，c h f ) 是高强度沸腾换热系统设计和安全运行 的重要参数，c h f 和干涸后传热一直是对流沸腾换热研究的关键课题之一。由于 c h f 现象本身的复杂性，很难用理论预测，通常用实验方法确定。由于水具有汽 化潜热大和临界压力高的特点，水的c h f 实验研究费用极为昂贵，因此通常采用 低沸点工质的模化方法p 5 1 。这不但可大大减少实验设备投资和电能消耗费用，使 实验在比较低的温度、热流和压力条件下进行，而且利用低沸点工质还有利于在 较宽的参数范围内检验现有实验结果和模型的可靠性，进一步发展新的机理模型 和预测方法。已有研究大都是采用蒙特利尔协议要求淘汰的c f 戗制冷剂( r 1 2 等) 。因而采用环境友好的h f c s 替代c f c s 制冷剂作为实验工质是环境保护的必然 要求。加拿大渥太华大学率先采用r 1 3 4 a 作为实验流体对直管内的c m 避行了实 验研究，证明r 1 3 4 a 是理想的实验流体。但目前关于r 1 3 4 a 在螺旋管内对流沸腾 换热研究的报道极少1 3 6 j 。 r 1 3 4 a 作为一种已进入实用阶段的制冷剂，国内外都对其进行了研究。清华 大学热能工程系c f 及h c f c 替代物研究组自1 9 8 8 年以来，在朱明善1 3 7 l 教授的带 领下，对c f c 与h c f c 替代物进行了研究，特别对r 1 3 4 a 作了大量的热物性应用方 面的研究工作，对p 、 ，、t 、饱和蒸汽压、声速、表面张力、导热系数、粘度 等性质的测试以及状态方程，包括蒸汽压力方程等的拟和与关联，此外还对冰箱 和汽车空调中应用h f c 1 3 4 a 展开了模