臥式螺旋管內(nèi)臨界熱流密度特性及其流體?；椒ㄑ芯?pdf

1、臨界熱流密度(CHF)是沸騰換熱設(shè)備中極為重要的監(jiān)視參數(shù)，臨界熱流現(xiàn)象的發(fā)生往往會導(dǎo)致傳熱惡化，直接關(guān)系到機(jī)組設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，因而成為氣液兩相沸騰傳熱研究的重點課題之一。臥式螺旋管是一種重要的強(qiáng)化換熱管型，其結(jié)構(gòu)緊湊，換熱高效，在換熱器設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點，臥式螺旋管內(nèi)的CHF傳熱特性較傳統(tǒng)管型更為復(fù)雜，CHF的發(fā)生機(jī)理尚不明確，需要進(jìn)一步的研究與探討。目前針對CHF的研究或采用高溫高壓汽水系統(tǒng)或采用低

2、潛熱工質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行，前者對實驗條件要求苛刻，投資巨大，后者則可簡化實驗條件，降低實驗困難和投入，并可將實驗結(jié)論用流體?；椒ㄍ茝V應(yīng)用至高溫高壓汽水系統(tǒng)，具有實用價值。本文目的就是用理論分析與實驗研究相結(jié)合的方法開展替代制冷劑R134a在臥式螺旋管內(nèi)的CHF傳熱特性研究，發(fā)展適用于臥式螺旋管型的流體模化新方法，為臥式螺旋管式換熱器的設(shè)計與運(yùn)行提供依據(jù)。
　　 基于相似理論和量綱分析方法，在考慮幾何相似條件的前提下，針對復(fù)雜流道型式引

3、入了一個表征流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對CHF影響的廣義影響因子Dn，推導(dǎo)出了含有參數(shù)n的適用于復(fù)雜流道型式CHF流體模化的13個廣義準(zhǔn)則數(shù)。分析結(jié)果認(rèn)為Ahmad導(dǎo)出的13個無量綱準(zhǔn)則數(shù)是本文推導(dǎo)結(jié)論n=1時的特殊情形；針于不同的流道型式n可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到不同的值以建立Dn與流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體函數(shù)關(guān)系式；也可認(rèn)為理論推導(dǎo)結(jié)果定義了一個新的包含流道基本特征參數(shù)和流體物性參數(shù)的等效特征尺寸Dn，它能夠集中反映復(fù)雜流道型式對CHF發(fā)生機(jī)理的影響。

4、>　　 考慮替代工質(zhì)用材和技術(shù)操作規(guī)范，按照熱工性能和環(huán)保性能的雙重要求，設(shè)計并建造了可用于多種替代制冷劑CHF傳熱研究的試驗平臺，并針對流型觀察實驗設(shè)計改造完成了電熔石英玻璃可視化裝置。調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明，中低壓力系統(tǒng)可選紫銅管作為主體管路用材，電熔石英玻璃適宜作為可視化觀察的材料，保溫使用20㎜厚阻燃型聚乙烯材料時的熱損失小于5％，替代工質(zhì)密封用材需選用丁腈橡膠、四氟等材質(zhì)。系統(tǒng)密閉性能良好，參數(shù)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，在測試壓力2.0 M

5、Pa條件下漏率小于0.006 kPa/24h，壓力和流量調(diào)節(jié)平均響應(yīng)時間分別為0.2 s/kPa和1.5 s/Lh-1。流型實驗拍攝到泡狀流、彈狀流、分層流、波狀分層流和環(huán)狀流等五種典型流型，并觀察到一種波環(huán)狀新流型。
　　 基于三個點確定一個圓的原理和螺旋升角的計算公式提出了一種簡便易行的螺旋管制作方法，設(shè)計了一套使用三個模具靠輪為支點制作螺旋管的裝置，該裝置可準(zhǔn)確確定螺旋管幾何參數(shù)，制作簡便，精度高。按照實驗用管型和材質(zhì)，借

6、助Agilent BenchLink Data Logger Pro.采集軟件的可編程功能建立了基于事件(CHF發(fā)生時壁溫突升這一事件)驅(qū)動的CHF判定方法，給出了具體的判斷關(guān)系式，極大地提高了實驗精度。
　　 對15種不同幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的實驗管段在系統(tǒng)流動參數(shù)P=0.20-1.15 MPa，G=50-500 kg m-2 s-1，x=-0.32-0.36，q=6.90 kW范圍內(nèi)開展了CHF傳熱特性實驗；研究了臥式螺旋管內(nèi)CHF

7、發(fā)生時的壁溫飛升及分布特性；考察了系統(tǒng)流動參數(shù)對CHF值的影響；分類討論了螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對CHF值的影響規(guī)律。結(jié)果表明：
　　 CHF發(fā)生時會出現(xiàn)壁面溫度大幅飛升，表現(xiàn)出與常規(guī)傳熱狀態(tài)的明顯不同，除CHF發(fā)生處截面外沿螺旋管加熱長度各截面平均溫度差別不大。沿同一截面周向前側(cè)(90°)位置壁溫往往比其它位置先開始飛升，切斷電源的瞬間同一截面上后側(cè)(270°)位置壁溫往往比其它位置下降更快，而且CHF發(fā)生截面上的前后側(cè)(90°和27

8、0°)通常比內(nèi)外側(cè)(180°和0°)維持有較高的溫度水平。CHF值隨質(zhì)量流速增大近似線性增大，隨入口干度的增大近似線性減小，隨臨界干度的增大而減小的趨勢在質(zhì)量流速較大時變化較為明顯，且在xcr<0.5范圍內(nèi)變化趨勢比xcr>0.5范圍內(nèi)更加明顯。在本實驗范圍內(nèi)，質(zhì)量流速對CHF值的影響最大，壓力對CHF值的影響最小。
　　 CHF值隨加熱管長L、管內(nèi)徑dt和螺旋直徑Dc的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢，而且同時受到質(zhì)量流速和入口干度的影響

9、，螺旋節(jié)距Pt對CHF的影響并不明顯。在臥式螺旋管CHF的分析中幾何參數(shù)組合螺旋徑與管內(nèi)徑之比Dc/di較加熱管長與管內(nèi)徑之比L/dt更為重要，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)L/dt>200時L/dt對DNB型CHF值已無明顯影響，螺旋徑與螺旋節(jié)距之比Dc/Pt對CHF值影響很小。
　　 基于理論推導(dǎo)和實驗數(shù)據(jù)，發(fā)展了本實驗條件下R134a在臥式螺旋管內(nèi)的CHF實驗關(guān)聯(lián)式；發(fā)展了基于經(jīng)典流體?；Ｐ偷钠骄礐HF模化方法；在所得廣義準(zhǔn)則數(shù)的基礎(chǔ)上確

10、定了適用于臥式螺旋管型的Dn表達(dá)式，優(yōu)選了適用于臥式螺旋管的準(zhǔn)則數(shù)并發(fā)展了適用于R134a-水在臥式螺旋管內(nèi)的CHF流體模化新方法；通過實驗數(shù)據(jù)對上述實驗關(guān)聯(lián)式和流體模化方法的有效性進(jìn)行了對比驗證，主要內(nèi)容和結(jié)論包括：
　　 通過CHF實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)典的Bowring關(guān)聯(lián)式和Shah系統(tǒng)參數(shù)關(guān)聯(lián)式預(yù)測值比較的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)這兩種關(guān)聯(lián)式不再適用于本實驗范圍內(nèi)R134a臥式螺旋管內(nèi)流動沸騰CHF值的預(yù)測。根據(jù)DNB型CHF和干涸型CHF

11、發(fā)生機(jī)理的不同，分類發(fā)展了針對兩種條件下的CHF實驗關(guān)聯(lián)式，根據(jù)DNB型CHF主要受當(dāng)?shù)貤l件參數(shù)影響的特性選擇沸騰數(shù)B0、雷諾數(shù)Re、Dean數(shù)Dn、液氣密度比Nd和出口干度x0等準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；而對于干涸型CHF則選取沸騰數(shù)B0、雷諾數(shù)Re、Dean數(shù)Dn、液氣密度比Nd和入口干度xt等準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。實驗關(guān)聯(lián)式預(yù)測值與實驗數(shù)據(jù)值的誤差范圍在±20％左右。
　　 提出了流體?；椒ǖ囊话阈运悸?，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了R134a臥式

12、螺旋管內(nèi)CHF傳熱的兩種流體?；椒??；诮?jīng)典的Ahmad模型和Katto模型，提出了一種CHF流體模化的平均值法，根據(jù)Ahmad流體模化模型和Katto流體?；Ｐ头謩e計算了R134a-水流體?；谋壤蜃?，提出了基于兩種經(jīng)典模型的算術(shù)平均值流量模化因子FG，進(jìn)而計算出了平均值條件下的臨界熱流密度模化因子Fqc，具有一定適用性；在導(dǎo)出復(fù)雜流道內(nèi)CHF流體?；瘡V義準(zhǔn)則數(shù)的基礎(chǔ)上，確定了適用于臥式螺旋管內(nèi)CHF傳熱的廣義因子Dn和準(zhǔn)則數(shù)，