（核能科学与工程专业论文）竖直窄环隙流道自然对流过冷沸腾换热研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文对竖直窄环隙流道内自然对流过冷沸腾换热开展了实验研究。实验 是以纯净水为工质，在常压下进行的。实验中对沸腾起始点、沸腾流态、传 热特性、流动不稳定性和临界热负荷进行了仔细的观察和记录；讨论和分析 了流道间隙、加热功率和入口过冷度对沸腾起始点、沸腾流态、换热系数、 流动不稳定性和临界热负荷的影响。实验结果表明： 1 当加热功率为一定值时，沸腾起始点的位置随入口过冷度的增大而升 高；入口过冷度保持不变时，加热功率越高，流道间隙越小，沸腾起始点的 位置越低。 2 流道间隙减小，过冷沸腾换热系数升高。在本实验范围内，当6 = 1 3 1 4 m m 时，流道内的最大局部换热系数是6 = 3 1 4m 1 1 1 时的五倍。 3 高过冷度下的q c x f 要比低入i ：3 过冷度时有所增加，但当入口过冷度 增大到一定值后，g 。，会趋于常数，不再随着入1 ：3 过冷度的增加而增加； 在上述实验结果和分析的基础上，对实验数据进行多元线性回归，分别 得出了计算沸腾起始点、换热系数及临界热负荷的经验公式，计算值与实验 值符合较好。 关键词：窄环隙：过冷沸腾；沸腾起始点；流动不稳定：临界热负荷 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fn a t u r a lc o n v e c t i o ns u b c o o l e d b o i l i n g h e a tt r a n s f e ro fw a t e ri nv e r t i c a ln a r r o wa n n u l i w a g c a r r i e do u ta t a t m o s p h e r i cp r e s s l l r e i nt h ee x p e r i m e n t s ，o n s e to ft h en u c l e a t eb o i l i n g ( o n b ) ， “v o - p h a s ef l o wp a t t e m ，h e a tt r a n s f c rp e r f o r m a n c e ，f l o wi n s t a b i l i t y a n dc r i t i c a l h e a tf l u xw e r ec a r e f u l l yo b s e r v e da n dr e c o r d e d t h ee f f e c t so f g a ps i z e ，h e a tf l u x a n di n l e t s u b e o o l i n g o nt h e b o i l i n gi n c i p i e n c e ，f l o wp a t t e m ，h e a t t r a n s f f r c o e f f i c i e n t ，f l o wi n s t a b i l i t ya n dc r i t i c a lh e a tf l u xw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o u l db es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 t h ep o s i t i o no fo n b p o i n ti n c r e a s e dw i t ht h er i s e o fi n l e ts u b c o o l i n g ， w h e ni n l e ts u b c o o l i n gk e p tc o n s t a n t ，t h ep o s i t i o no fo n b p o i n ta s y m p t o t i c a l l y d e c r e a s e dw i mt h ei n c r e a s i n go f h e a tf l u xa n dt h ed e c r e a s eo f g a ps i z e 2 t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e da st h eg a ps i z eg e ts m a l l e r i nt h e r a n g eo f t h ee x p e r i m e m s ，t h em a x i m a ll o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f t h e s m a l l e r g a ps i z e ( 52 l f 3 1 4 m m ) w a sf i v et i m e sl a r g e rt h a nt h a to f t h el a r g e ro n e ( 6 = 3 1 4 m m ) 3 ，t h e q c n p u n d e rh i g hi n l e ts n b c o o l i n gw a sh i g h e rt h a nt h a tu n d e rl o w i n l e ts u b c o o l i n g ，b u ta f t e ri n l e ts u b c o o l i n gi n c r e a s e dt oac e r t a i nv a l u e ，t h ec r i t i c a l h e a tf l u xa p p r o a c h e dt oac o n s t a n t b a s e do i lt h e e x p e r i m e n t a la n da n a l y t i cr e s u l t s ，a p p l y i n gm u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n st ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ee m p i r i c a lc o r r e l a t i o n sf o rp r e d i c t i n gt h e b o i l i n gi n c i p i e n c e ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e ma n dc r i t i c a lh e a tf l u xw e r ep r o p o s e d r e s p e c t i v e l y , t h ec a l c u l a t i v ev a l u ea g r e e dw e l lw i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d n a r r o wa r m u l i ；s u b c o o l e db o i l i n g ；o n s e to ft h e , n u c l e a t eb o i l i n g f l o wi n s t a b i l i t y ；c r i t i c a lh e a tf l u x 嗡尔滨工程大学磷士学位论文， 1 1 引言 第 章绪论 沸腾是通邋大量汽泡驹形成、长大和运动将工质从液态转换瓢汽态的一 种剧烈蒸发过程，是对流换热的主要方式之一，它广滋存在于日常生活和各 种工业领域。沸腾换热是一种高强度热传递方式，按沸腾发生的条 牛可分为 鞠震涕篱帮菲均葳漭籍。蘸簧是捂液体斑部没毒固定豹鸯瑶燕壁嚣，汽沲是由 能量较集中的液体高能分予团的运动与聚集而产生的，非均质沸腾主要是指 汽泡是在与液体接触的固体加热表面产嫩、成长的沸腾过程，故又称表面沸 黪。 在菲均质沸腾中，按照沸腾介质的流渤特性，又w 分为大容积沸腾和流 动沸腾。前者楚指浸没于原来静止的容器内的加热表麟上的液体所发生的沸 腾，流体的流动是由自然对流和汽泡的成长运动所形成的对流丽引起的。丽 滚凌沸疆簧 | 是摺在定离运麓的液体中发黛熬沸瓣。这耱定向运动既霹鞋盘努 力驱动所致，也可以由自然对流形成。另外值得注意的是，过冷沸腾在流动 沸腾中占有重要的地位。 簌透年公秀发表熬最溪磷究成果亲豢，沸褥攘热遥霹懿按沸腾淀遴( 或 窳问) 尺度的大小分为普通流道( 或空间) 沸腾、窄隙流道( 或空间) 沸腾 及微槽流动沸腾，对于三者沸腾空间尺度的大小目前述没有明确的划分。其 中藏者一般是摆传统意义下的沸腾换热，主要飙五十颦代开始进行了大量的 系统实验和璎论分析，积累了丰富的数掇和资料，掇供了诲多有参考价值藤 抉热模型和计算关联式，假这些公式一般只在导出公试的特定参数范围内有 效。后者一般指尺度在十几至几百微米流道内的流动沸腾换热，窄隙流道介 予二者之凌，滚遘阁豫一黢凌尼分之一纛寒至屈毫米、莲至足毫拳之麓，嚣 流道周向尺寸可能很大，与普通的流道没有区别，但旗抉热和流动与普通的 大容积沸腾相比，却有许多新的特点。其中尤以流道间隙占3 m m 时最具有 代表牲。壹予窄辕滚道广泛存在于各秘换热设鉴中，戳憩它豹这些羧热器藐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动特性对设备的热工水力性能和安全可靠性有重要影响。如：在压水堆核动 力蒸汽发生器内，传热管与管板的连接处及传热管穿过支撑板时均形成环隙 空间。这时加热面可能会因蒸于而处于干湿交替状态，使化学物质和杂质高 度浓缩和沉积，从而导致传热管的腐蚀破裂，在沸水反应堆内采用板式换热 元件时，狭窄流道引起的临界热负荷降低和流动不稳定引起的反应性震荡对 核安全构成潜在威胁。近年来，随着核动力装置小型化、一体化技术的发展 和人们对核安全问题的日益关注，迫切需要研制换热能力强、流动阻力小的 直流蒸汽发生器。在电子工业和超导材料研究领域，近年来也取得了飞速的 发展，超导材料的临界温度已提高到液氮温度以上，电子元器件的功率日益 增大，利用窄隙流道来加强冷却换热被证明是一种非常有效的手段。此外， 在锅炉、换热器、太阳能收集器、无泵吸收式制冷机、航空航天等其他一些 工业过程中，窄隙流道也有着极其重要的应用。 总之，窄隙流道内的沸腾换热在工程中有广泛的应用背景，深入研究其 换热机理，掌握其换热规律，将有利于进一步揭示沸腾换热内在的普遍规律 性。由于近些年来热工水力的研究工作颇为集中于饱和沸腾，而且与饱和沸 腾相比对过冷沸腾的研究成果还不够多，尤其是自然循环过冷沸腾的研究还 处在开始阶段，所以，以上所述便是本课题研究的目的所在。 1 2 窄隙流道沸腾换热研究现状 1 2 1 换热性能 1 9 6 9 年，i s h i b a s h i 和n i s h i k a w a 1 】率先对内侧加热的竖直环隙流道进行了 系统的饱和沸腾实验。实验工质有水、酒精、油酸钠水溶液和皂角泔水溶液， 工作压力为1 、2 、4 、1 1p a 。流道间隙占= o 9 7 - 2 0 l n m 。结果发现，在大气压 力下以水为工质时，如果占 3i n l r l ，则沸腾处于聚合汽泡区，流道内周期性 产生大聚合汽泡，最大的约长达3 0 0m m ，换热得到显著强化。在j = o 9 7 m i l l 时，其换热系数是大容积沸腾的3 8 倍，这时换热系数口o c ( g 印占叫3o 酒精 在更小的流道间隙内也表现出了相同的换热特性。如果巧3 m m ，则沸腾处 r 孤立汽泡区， u 热面上有明显的汽化核一b 存在，换热比大容积沸腾稍有键 哈尔滨工程大学硕士学位论文 高，这时口o c g 郫万一0 ”) 。当用不同浓度的水溶液实验时发现，在聚合汽泡区 内，表面张力对换热系数几乎没有影响，而在孤立汽泡区则随着表面张力的 下降，换热得到加强。压力对换热性能也有显著影响。在j = 0 5 7 m r n 的流道 内，当压力p s4 p a 时，沸腾处于聚合汽泡区，换热系数随着压力的升高而 降低，即口o cp “3 ”，这与普通大容积沸腾时的变化规律正好相反。当压力达 到1 1a t a 时，沸腾恢复到孤立汽泡区，换热系数也开始呈上升趋势；在实验 的基础上，作者回归得到了聚合汽泡区不同压力下的换热计算关联式： r ，、一v 2 n u = 2 0 0 而秒p r 狮i 卫i( 1 _ 1 ) “ l 以 式中，肋n 1 是按流道入口处聚合汽泡生成频率计算的傅里叶数。因此，在使 用上式时，需首先知道壁温的波动频率，这为公式的应用带来困难。在文章 的最后，作者还提出了一个简单的非稳态导热模型，对环隙流道饱和沸腾换 热进行了理论计算。 在此之后，许多国家的学者从不同方面对窄隙流道的沸腾换热问题进行 研究。 在强化换热应用技术研究方面，g a l a k a t i o n o v 等人【2 j 在热虹吸管的蒸发段 内插入一根芯管，构成2 、3 、4 、5 、6m m 的竖直环隙，在o 1 5 o 6b a r 的工 作压力下得到最佳间隙尺寸为4m m ，此时的换热效率最高。在文献【3 】中黄 鸿鼎等人以水和粘性液体为工质，在蒸汽加热条件下对圆管和2 蚴环隙流 道进行了组件传热实验，结果环隙内的沸腾换热系数较圆管平均提高8 0 ， 总的传热系数提高6 0 。在文献 4 中作者又以工程设计为背景，利用已有的 两相流模型和传热计算公式，对圆管和环隙流道进行了传热计算，结果与实 验值符合较好。童明伟等人【午则将一多孔管插入热虹吸管的蒸发段内，构成1 i n m 的流动间隙，结果使沸腾换热系数提高1 3 倍。 在换热性能基础研究方面，k a t t o 等人【6 】对在下面加热的水平平板间隙进 行了饱和沸腾实验，换燕系数得到显著提高。a o k i 等人【_ 7 | 对底部封口和开口 两种情况的竖直环隙流道进行了常压下的饱和沸腾实验，环隙宽度d = 0 2 、 o 3 、0 5 、1 0 、1 5m m ，高度为4 0 、7 0 、1 0 0m r i l 。实验结果表明，在核态沸 腾区内，如果流道底端封口，则换热系数大小不受流道高度和间隙尺寸的影 哈尔滨工程大学獭士学位论文 响；如果流道底端开口，则换热系数与流道高度无关，但随流道间隙的减小 褥增大。y a o 粒c h a n g 恻在常压下以水、褥醺和r 1 1 3 为介质，对底鄯封日豹 骚童环豫流邀进行了氇和沸腾实验，流邋闯骧占= 3 2 、0 8 、2 5 8 黼，流道 高度h = 2 5 4 、7 6 2m m 。实验中也没有测量到环隙高魔对换热有明鼹的影响， 但却发现换热特性与表征汽泡变形程度的无量纲量b o n d 数有密切关系。 b o = 南 融z ， 一般情况下，肋数越小，则壁面的髓热度越低，即换热越好。炭验中观 测劐，当勘 l 辩，翔巢热渡密度低，剃沸建楚予孤立变形汽泡嚣，舞票热 流密度较高，贝q 进入聚合变形汽泡区；溺嚣d 数稍大予1 ，而热流密艨又较高 时，在轻微变形的汽泡下耐会有明显的汽化核心出现。舶数对窄隙流道沸腾 换热的重要影确在以后的一些文献中也都褥到证实。焱此基础上，h u a n g 和 y a o 翻在与文献【s 】完全稻阕麓条 串下遥一步对求平环藤逶行了较惫累统的灌 腾换热实验，研究了流体物性参数、过冷度、流道长度和间隙尺寸对沸腾特 性和临界热负荷的影响。结果发现，当b o 1 、热流穰度不是很崭时，起始 沸瓣点善走程麓燕覆上懿斡孛阀整耋嚣部产生，生成球形汽逛，只誊当热流 密度较高时，起始沸腾才会在整个加热谢上同时发生。而当肋 l 时，起始沸 腾生成变形汽泡并沿流道迅速扩展，因此沸腾几乎题在全部加热面上同时产 生。在稳定孩悫沸腾除段，大容积渡倦舆有一定豹过冷度时，换热祷至提高， 掰在饱秘沸麟时，由于浮力的作用，在流道顶帮一般总有汽相聚集，在这里， 换热以薄膜熬发为主。因此，随着流j l 耋间隙的减小或长度的增加，换热得到 明显的改善，临界热负荷刘降低。但是獭勘 p g ，u “u 。，可得 t t t = 2 0 t w g 协。) - ( 1 8 ) 边界层单相传热公式为 易一t ，= g 肛， ( 卜9 ) 将上两式相加，并令口，= 2 形可得 巧一c = 2 喝d 。协) + k ，( i - 1 0 ) 此条件说明，在开始沸腾时有一个过热度最低的汽泡尺寸。为此将上式 x c r 求导，又d 一t ) 咖= 0 ，则可得到 2 c r t w 。协2 ) 一q k ，= 0 止 2 c r t w g k ，炉 ( 1 1 1 ) ( 1 一1 2 ) 将其代入( 3 - 5 ) 式，可得 l q o u b = 尼，五阢一t k ( 8 喝) ( 1 - 1 3 ) 国内清华大学的杨瑞昌等人 2 8 1 在自然循环工况下以r 1 2 为工质，进行了 对过冷沸腾起始点及净蒸汽产生点的实验研究，并提出了相应的计算方法。 西交大的刘瑞兰等人【2 9 1 和重庆大学的潘良明等人【划对此也进行了实验研究， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 西交大的刘瑞兰等人【2 9 埽口重庆大学的潘良明等人叫对此也进行了实验研究， 并在各自的实验基础上提出相应的计算关系式。 1 2 3 临界热负荷 在沸腾换热中，当负荷超过某一临界值时( 即c h f 值) 加热面将处于干 涸状态，化学物质和一些杂质在加热面附近高度浓缩并产生沉淀。与此同时， 换热系数急剧下降，壁温迅速升高，严重时会使壁面烧毁、熔化。因此，临 届热负荷的大小及变化规律对装置设备的经济性和安全性都有重要影响，许 多研究人员对此进行了广泛深入的研究。目前，对于普通的大容积沸腾临界 热负荷的研究已积累了大量的实验数据和许多经验、半经验公式，其中以 k u t a t e l a d z e 担6 j 提出的无量纲计算最为著名，即 妒万瓦翻筇 式中，c = o 1 3 o 1 6 为实验常数。 对于窄小空间临界热负荷的研究，公开发表的文献还比较少，j e n s e n 等 人1 在对内侧加热的水平环隙进行实验后发现，临界热负荷与流道间隙成正 比，与流道长度成反比。最后根据实验结果回归得到了计算水平环隙临界热 负荷的经验公式： 焉f 警 o n = 2 9 9 4 x 1 0 s ( h s _ ) “一m 旧 丝丝：f ! ! 二丝1 m 1 5 、 4 掣；g + 1 ) l 以j “ 式中：n = d o 8 但h u n g 和y a o 9 1 在水平环隙进行的类似的实验中，把实验结果和公式 ( 1 1 5 ) 的计算值对比后发现，计算值与h = 2 5 4n l r n ，占= o 3 2m n l 时的实 验结果符合较好，但对于h = 7 6 2 m m 的较长流道，计算值的偏差很大。为此， 作者对水平环隙的临界热负荷进行了理论分析。首先，假设认为临界热负荷 发生时，浮升力与粘性流动阻力相平衡，并且出口蒸汽干度x = l 。然后结合 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实验数据，得到了如下半经验公式： 9 。= f 驴 b 。v 2 ( 軎 耻 g 。 c ，s ， 式中：g 旷一大容积沸腾临界热负荷，按式( 1 - 1 4 ) 计算。 ，咿) = o 0 6 4j 旦1 ( 1 百”m ) ( 1 - 1 7 ) p gj 式( 1 - 1 6 ) 对较长水平环隙临界热负荷的预计精度明显高于式( 1 - 1 5 ) ， 但对于短管的预计计算精度却很差。 对于竖直窄隙流道自然对流沸腾临界热负荷的研究主要分为底端封口和 开口两种情况。当底端封口时，流道内补液和汽液溢出呈逆向流动，当汽流 速度上升到某一值时，液体将无法进入流道内，即发生了所谓的液泛现象。 在沸腾换热中般认为此时在流道出口附近加热面将处于干燥状态，即达到 了临界热负荷。因此，对于临界热负荷的计算，一般可引用w a l l i s t 3 2 1 用于判 定液泛发生时的关系式计算，即： ：+ _ ，i = c ( 1 - 1 8 ) 式中：j ：，片分别为汽相和液相的无量纲折算速度，c 为实验常数。c h a n g 和y a o 3 3 1 在实验的基础上对式( 1 - 1 8 ) 进行了修正，得到了如下计算式： 北心 2 1 一o 弼 式中，且为无量纲量一沸腾数 m o n d e 等人【3 4 d 6 1 分别对竖直环隙流道和细圆管进行了详细的l 临界热负荷 实验。并根据实验结果提出了以大容积沸腾临界热负荷计算公式( 1 - 1 5 ) 为 基础的经验公式。f u j i m 等人和l i u 等人1 1 8 1 也分别对竖直长方形流道和环 哈尔滨工程大学硕士学位论文 隙流道的临界热负荷进行了实验研究，并按两相流均相模型对临界热负荷进 行了理论计算，计算结果与各自的实验值符合较好，但文中未给出详细的计 算公式，也未做进一步的分析和讨论。对于窄隙流道内强迫流动沸腾时的临 界热负荷也有一些文献发表，c e l a t a 等人跚和d o e r f f e r 等人吲曾对此进行综 述。c h e n 等人【3 9 】在3 1 4 3 9 5b a r 的压力下以水为工质进行的双面加热竖直 环隙流道道冷流动沸腾实验发现，增加内管的热流密度使外管的幅界热流密 度呈上升趋势。n a k a j i m a 等人【删以p f 一5 0 6 0 为介质，在常压下对竖直长方形 流道进行了强迫流动过冷沸腾试验，流道宽度和长度分别为1 0r a i n 和2 0 0 r n n ，流道间隙巧= 1 ，3 、2 、3m l t l ，质量流速为2 0 0 0 5 0 0 0k g m 。s 。结果表明， 临界热负荷随质量流速和入口过冷度的增加而增加。 1 2 ，3 流动不稳定。陛 人类对两相流动不稳定性的研究可以追溯到本世纪初，早在1 9 0 9 年， l o k r e n l z 就在实验室中观察到管道内的两相流动不稳定现象。1 9 3 8 年， l e d i n e g g 首先通过实验方法研究两相流动不稳定性问题，发现在一定条件下， 流量与压差不是单值函数，出现流量偏移现象。这就是后来人们所称的 l e d i n e g g 不稳定性。1 9 6 5 年，s t e n n i n g 等人j 以f r e o n ，为工质，对竖直上 升管内两相流动不稳定性进行了深入的研究，并根据所观察到的脉动特征和 发生区域首次将两相流不稳定区分为密度波脉动、压力降型脉动和热力型脉 动。1 9 6 7 年，b e r g l e s 等人【4 2 】首次研究了在过冷沸腾情况下，由汽泡的产生 与破灭所引起的声脉动。七十年代后期至八十年代中期，f u k u d a 等人【4 ”4 1 通过实验研究和理论分析，对密度波型流动不稳定性进行了广泛而深入的探 讨，根据发生区域和机理的不同，f u k u d a 将密度波型不稳定性分为t y p ei 型和t y p e i i 型两类。其中t y p ei 型通常在很低的出口含汽率情况下发生， 而t y p ei i 型通常在较高的出口含汽率条件下发生。分析这两类不稳定性的 发生机理可以看出，密度波型不稳定性是在一定的流体动力和热力条件耦合 作用下，沿整个管道各种流体参数的综合作用及积分效应引起的，它们的不 同之处在于构成t y p ei 型的反馈链主要是两相段的重力压降，而构成t y p e i i 型的反馈链主要是两相段的摩擦压降。f u k u d a 还指出，t y l ) ei 型不稳定 喻尔滨工程大学硕士学位论文 ， + 陡的脉动周期大约是流体穿过管道所需流动时间的i 2 倍，而t y p e i i 型不 稳定性的骧动髑期数倍予上述穿越时闯。 入e t 过冷爱对系统稳窝性的影响魄较复杂。m a t h i s e n t 4 5 t 指出，农低过冷 胰时，增加入1 2 1 过冷度将减小流动的不稳定性。a m e o d o f 4 6 指出，系统的稳 怒性随入口过冷度的增加黼单调的增加。w a n g 等人1 4 h 指出，在低驻下，系 统戆稳定性蕤麓入叠遥冷寂瓣增热夏壤熬；纛在裹压下瓣琵较菱杂，蕤簧天 c ：1 过冷度增加，一方面单栩段长度增加，从而有利于系统稳定，另方面， 系统平均干度下降，从而扰动响应时间下降，不利于系统稳定。施德强【4 8 等 人以r 1 2 为工臻谚究了蒂蠢不趣热土身段豹单翅滚钵是然蓰繇系统中过冷沸 腾流动不稳定能问题。实验结采表明，农带有不船熬上升段酶自然循环系统 中会出现两种不同频率和搬幅的流量脉动。随着加热功率的增大，流量由稳 怒到出现频率较高的脉动，然后又转变为频率较低的脓动，并发现邀两种频 窭躲魂懿菱笙筠与逶冷沸耱霉关。惑热受旖分毒不鹭驾注兹影穗，蠢蓉不露 的结论。y a d i g a r o g l u 等【4 9 l 认为不均匀的热负荷分布产嫩不稳定性的效应，而 d i j k m a n 等人则得出了热负荷余弦分布有利于流动稳定的结论。最近 j e ，- k e n n e d y 镰入f 5 1 1 对均匀受热豹承平微缓滚道瘦l 窭冷农滤动产生豹滚动不 稳定性的起始点进行实验研究。间隙尺寸为1 1 7 、1 4 5m m ，实验施热段长 1 6c m 。管内臌力范围为3 4 4 1 0 3 4b a r ，质量流速为8 0 0 4 5 0 0 k g m 2 。s 。 热沆量为o 4 。0m w m 2 。实验按两种方法进行，一种是保持流速不变，提 菇漉遭熬受蓠，壹妥在逶逶黪赉日筵产耋芝滚动不稳定。舅一耱是撬供篷降。 两组实验的流动不稳定起始点在实验段的截面压降为最小值时交汇。实验 结果表明，殿蠛流速和壁面热流量的变化对流动不稳定性的产生有缀大的影 媲。 1 3 本文研究内容 综上职遽，沸腾换热磷究经过了咒中年豹努力，酝褥了事硬的藏栗，僵 对沸腾换热机理的认识还仍有很大的局5 良性，还没有形成系统的理论。对于 絮隙流道自然德环过冷沸腾的研究，目前公开发表的文章还不是很多，有许 多戆蘑霆还嚣簧遗一步熬磷究。篓子藏，本交主要送露戮下足个方嚣熬工嫠： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 )对过冷沸腾起始点进行测定，结合入口过冷度，流道间隙及加热功 率等因素对该工况下的过冷沸腾起始点进行分析和计算。 ( 2 )对竖直窄环隙流道进行自然循环过冷沸腾传热实验研究，结合汽泡 的行为特性，考察入口过冷度、流道间隙、加热功率对沸腾换热的影响，建 立过冷沸腾传热关系式。 ( 3 )对竖直窄环隙流道内自然循环过冷沸腾流动不稳定性进行实验研 究，对影响流动不稳定的因素进行详细的讨论。 ( 4 )对竖直窄环隙流道内自然循环过冷沸腾临界热负荷进行实验研究 和理论计算，由实验结果回归半经验计算公式。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第2 耄实验装置及实验方法 本文工作以实验研究为主，全部实骏是在一小型可视化沸腾换热实验台 上竞藏豹。下嚣裁实验系绕、实验件结孝鼋及实验方法遴厅详缨的介绥。 2 + 1 实验装置 实验系绞黯鹜2 1 瑟示。薹l ：辍滚遵鑫终径舞1 3 8 8 6 糕鞋熬不锈镶邀热热 元件插在石英玻璃管内构成，在流道的三个截面上采用”y ”型短肋支撑以保 证加热元件与寒管间的同心定位，通过改变肋高和套篱内径形成3 1 4 、2 5 6 、 2 1 3 、1 5 9 、i 3 4 、l 。0 9 、0 6 8m 辩等7 转不孺足专豹越隙。实验段的详纫结 稳鲡图2 2 所示，电加热元件总长8 0 0m m ，用交流电从内部加热，功率用蠡 耦变压器调节。漉道总长6 8 5 m m ，其中加热段长5 6 0m m ，进出口分别有9 5 m m 和3 0m 1 , 1 l 豹非加热段。潍道下端与金属接头棚逑，接头上均匀钻有1 6 个藿径为5 瑚趣豹，j 、魏，工俸奔厦逶遥这些，l 、瑟遵入琊隙流遭。烫了防止节 流带来的影响，需保证小孔面积的总和威远远大于流遒横截面面积。整个实 验段垂直安装在内径为9 2n l n l ，长度为l0 0 2m i l l 的丽英玻璃管内，在容器 夕 德爨下蘧热绕lk w 毫隧燕蕉终辏秘热熟器，容器嚣壤是金疆封头，其孛 上封头与盘管冷凝器连接，由自来水对冷凝器进行冷却；下封头通过紧圆装 鼹与实验段棚连，并利用一定位环来保诞实验段与容器问的同心定位。在容 器的下端内侧安装一冷却擞管( 如图2 所示) ，以自来水作为冷却介质，用 寒调节滚遘静入口过冷庭，调节精度窝，效果好，溪节范匿在秘8 。c 之阉。 实验是强常压下进行。工作介质怒纯净水，水位高出加热元件顶端 1 0 0 2 0 0r a m , ，沸腾产生的蒸汽在冷凝器内凝结，经回水管直接从容器顶部流 瓣。 埝尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i ；7 ；i i i i ；# ；i i i ；i i i i ；i ；i i ；i i ；黼= ；i i ；富 2 2 实验测量与记录 实验中需测量的参数裔电加热功率、加热壁面温度、流道内的流体温度、 大容积空间水温及蒸汽空阐温度。因实黢中所测功率范围较大，故采用安培 袭与圣； 特表撩缀合赘谈安滚寒阕接溺囊功率。毫凌裹楚糠痘羹0 5 缀熬t 6 9 型交流电流表。鉴于电压褒内阻较大，莱用电流表井接法，这时窀愿表分压 小，减小了谡差。功率用两表的读数直接相乘。功率因子认为是1 ；温度用 1 8 怼镶铬一考锶热电偶测爨，其中在加热段的五个截灏上分别对称煮簿两对 热电偶( 1 4 - 1 0 4 ) 溺量壁舔濑度，每一璧黼相应安装对热电偶( 1 14 - 1 5 。) 溅 爨环隙内流体的温度。在水空间接近环隙进出口处及燕汽空间各安装一对热 电偶( 1 6 4 - 1 8 ”) 监测大容积水温和蒸汽激度。由于环隙流道非常狭窄，而且 凝要嚣l | | 量稳态滠度，又要滚蜜动态涯痰分枣，嚣蠹乏，为了洚纛热惫爨戆嚷应 时间、减小热电偶对温度场和流场的影响、提高测量精度，实验所用的热电 偶丝的直径只有0 1 5n l r n 。同时，在环隙流道的套臀上事先用专门的电钻钻 魄壹径为in l l n 的，j 、孔，测壁涅热电爨豹嚣投分别穿j 篷小孔，弱电餐焊垂直 点焊在加燕黧谎上，涎量流道内流傣溢鹰及其它各赢滋发的燕窀髑弼事先在 水银槽内焊好，其节点直襁约为0 4m m ，因此，即使在占= o 5h 黼时，仍 熊保证准确额蕊流道内流体的温度。 在逶 亍装嚣安装霹，瘸奄客滓舞热彀藕雾遂夺藐点烽在燕蒸元 譬蓬嚣上， 以测量加热元件壁面温度。同时把测量主流温度的热电偶摇入小孔的空隙中， 观察其位置，使之处于窄隙空间中。并用玻璃胶对所有的热电偶进行初步固 定。一段对翅嚣，进行热穰处理，静愚瑗璃菠进行密瓣。注意应缓餐一个截 谣处的胶连成一个环形，躐起到密封休掰，又能起到防止管子从小孔处断裂 的作用。测水空间、环隙溅出口及蒸汽空间温度的热电偶依次安装在一个金 属椿上，金属棒从上法兰垮 入大容器内。 所有湿发数据逶过i m p 分散式鼗器采集系统臻入羚捷，采露专门潺裁的 软件对稳态和动态数据避行采集、计算、显示的操作，实现实验工况的实时 躲测，同时还可以对所有的数据进行存巍、处理、打印，以供后期深入研究 缓焉。在本实验豹范嚣爨，涩凄稼动懿簸短薅赣约为o 6 秽，弱 毙将数据采 哈尔滨工程大学硕士学位论文 集器的采样速率定为1 0 次秒可以满足动态测量需要。在进行稳态实验时， 采样速率定为1 5 次秒。 在e 式实验前，对测量仪表进行专门的标定，结果表明，本实验使用的 数据采集系统抗干扰能力强，可以有效地屏蔽各种噪音信号。 2 3 实验过程及方法 在准备阶段，先按要求组装好实验件，然后穿过玻璃管上的小孔安装热 电偶，再用玻璃胶将小i l 封死。装好后，应仔细检查各热电偶焊的是否牢固， 小孔是否密封严密。这些工作是非常重要的，如果热电偶焊接质量不好或小 孔密封不严，会给测量带来很大的误差。完成实验件及其测温热电偶的装配 工作后，即可进行整个实验系统的安装和连接。之后，向容器内注水，检查 每个密封面是否滴漏，然后检查温度测量系统连接是否牢固、正确。待一切 检查无误后，即可进行实验。 实验时，首先投入1k w 的电功率加热，温度测量系统投入工作，辅助 加热也同时启动，使容器内迅速达到饱和沸腾。因初次注水或因实验需要换 水时，加热面及容器内构件上就会吸附有不凝性的气体，这对实验结果会产 生很大的影响。为此，在饱和沸腾后仍需要继续加热一个小时以除去不凝性 气体的影响。这是实验的前提条件( 以下不再重复提出) ，然后，实验按以下 步骤继续进行。 2 3 1 竖直窄环隙流道自然对流过冷沸腾传热实验 ( 1 ) 加热功率不变，入e l 过冷度改变， 容器内达到饱和沸腾且除气后，调节功率到一定值，在此工况下用测温 系统记录一组数据，然后，停止辅助加热。调节冷却盘管内冷却水的流量， 控制流道入e l 过冷度的变化。在入口过冷度由d , n 大变化的过程中，当入口 过冷度达到某一预定值，并且稳定不变时，连续测量1 0 组数据，平均每o 5 秒记录一次数据，取这1 0 组数据的平均值作为稳态测量的结。果，同时记录过 冷沸腾起始点的位置，观察过冷沸腾现象的发生和发展的特点以及壁温的变 6 哈尔滨工程大学磷士学位论文 化和波动规律。然后，改变加热功率值，重复上述实验过程。 ( 2 ) 入秘_ 过冷度不变，加热功率改变 调节冷帮巍管内冷舔窳的流量，控潮入口过玲度程一定僮，然聪改交热 热功率值由小别大变化。裰每一个加热功率下，同样用测温系统连续测量1 0 缎数据，平均每0 5 秒记靛一次数据，取平均值作为稳态测量结果，同时记 袋过冷溱罄熬始点煞霞零，瀵察_ l 妻冷溱瓣凌象静发生穗发震匏特点疆及蕉涅 的变化和波动规律。然后，改变入口过冷度值，按照以上方法进行下一个实 验过程。 2 3 。2 竖直窄环隙流遘蠡然对流过冷沸黪流动举稳定t 陡实骏 由于竖岚窄环隙流道的结构特点，狠骞易出现流动不稳定现象。但在某 魏实验工强下，蕤够保持滚凌懿稳定毽，麓魏设诗了激下实验方囊。 ( 1 ) 稳定边界测量 当容器内达到饱和沸腾时，再继续加热一段时闻，在排除了容器内的不 缀性气终嚣，痿动测i 基系绫黪稳态可视纯测量系统，将趣熟功率黪 蕊到2 0 0 w ，通过适时调节入口遥冷度豁大小及适时搬入辅勖勰热设备，来羧籍流遭 内入口温升速度直到容器内达到饱和沸腾。在此过程中，通过可视化观察记 聚稳定及不稳定发生时入翻过冷度、壁瀑、流体温度黝值。然后，簿2 0 0w 髂为一步长，增加热燕功攀，对应予每怒豢 臻率，较以上重复实验遘程， 记录相关实验数据。 ( 2 ) 记录不稳定动态特性 蓄宠调节入疆过冷疫张热熬功率至鞭定篷，然詹瘗动动态测滠系统，该 系统能够连续测量和记录数据，平均每o 1 秒记录一缀数据。i 萁次阑定入口 过冷度不变，功率每次增加4 0 0w ，在撼一组工况下进行一次动态濑度测量。 攫这里考虑到由于流道问隙的不同，其加煞功率的变化范围也大小不同，所 淤在实验串霹禳据其体豹僚獍，逶露煞调节撩蒸功率憨灌杰羁疆痘。然螽每1 0 度作为一个入口过冷度的增加量，在该入口过冷度下，重复以上的宓验过程。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 竖直窄隙流道自然对流临界热负荷实验 ( 1 ) 饱和沸腾条件下 除汽结束后，将加热功率降低至2 0 0w 开始进行稳态实验。每一工况