1、第38卷第7期西安交通大學學報Vol.38No72004年7月JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYJul.2004低質量流速下環形通道內干】后傳熱實驗研究李志輝I，吳埃敏】，賈斗南】，秋穗正I聶常華(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室71。049.西安：2.空泡物理與自然循環國家重點實驗室.610041.成都摘要：對以水為工質在中壓(1.56.0MPa)、低質量流速(52.8984.20kg/(m2s)下的雙面加熱環形通道內的流動沸騰干涸后傳熱進行了實驗研究.由實驗數據與通用的經驗公式進行比較，發現這些關系式適合于中高壓、高質量流速工況.而對低壓、低質量流速

2、工況存在較大的偏差.考慮了蒸汽物性參數和壁面溫度對換熱的影響，在Groeneveld公式形式的基礎上，引入Polomik公式中壁面溫度和飽和溫度比值關系的修正因子，分析了影響壁面溫度的熱流密度、壓力和質量流速等因素，得出了一個適合中壓、低質量流速下新的干涸后傳熱計算關系式.該關系式與實驗數據吻合較好.關鍵詞：環形通道；干涸后傳熱；壁面溫度；低質量流速中圖分類號：TK214文獻標識碼：A文章編號：0253-987X(2004)07-0698-04ExperimentalInvestigationonPost-DryoutHeatTransferinNarrowAnnuliatLowMassVel

3、ocityLiZhihui1.WuAimin,JiaDounan1,QiuSuizheng1,NieChanghua-(1.StateKeylaboratoryofMultiphaseElowinPowerEngineering.Xi'anjiaotongUniversity,Xi'an710019.Chinaj2.NationalKeylaboratoryofBubblePhysicsandNaturalCirculation.NPIC.Chengdu610041.China)Abstract:Post-dryoutboilingheattransferwithdeioniz

4、edwaterflowingthroughnarrowannularchannelundertheconditionsofmediumpressured.56.0NIPa)andlowmassvelocity(52.8984.20kg/(m2s)wasinvestigatedexperimentally.Comparedtheexperimentaldatawithwell-knownempiricalcorrela-tions»itisfoundthatthesecorrelationsareappropriateforthesituationsofmedium-highpress

5、ureandhighmassvelocityanddeviateseriouslyinlow-mediumpressureandlowmassvelocitycases.ConsideringtheeffectofpropertyparameterofthevaporandwalltemperatureonheattransferwasconsideredandbasedontheGroeneveldequation,amodifiedfactoroftheratioofwalltemperaturetosaturatedtemperaturewasintroduced.Theinfluenc

6、esofheatflux,massvelocity»andpressureonwalltemperaturewereanalyzed,andanewcorrelationforpost-dryoutheattransferofmediumpressureandlowmassvelocityconditionswasdeveloped»whichcorrelatestheexperimentaldataquitewell.Keywords：annularchannel;post-dryoutheattransfer；ivalltemperaturel(numassveloci

7、ty干涸后傳熱在很多的實際工程中得到應用,如制冷、化工、制藥、冶金等工業.國外很多學者實驗研究了干涸后傳熱現象.文獻1通過實驗研究得出了隨著流道長度的增加，汽膜厚度增大,換熱系數降低的結論.文獻2在常壓T,使用氣水模擬干涸后工況，研究了水平管和傾斜管中的干涸后傳熱，并研究了熱工水力參數與干涸后的關系.文獻3對研究狀況進行了一個總結綜述，發現在低壓和低流量方面由于實驗數據的缺乏導致該工況下干涸后傳熱和理論分析模型的不足.文獻4在壓力為1.23.8MPa、含氣率為0.7-0.9的條件F實驗研究了干涸后換熱.收稿日期：2003-10-30.作者簡介：李志輝(】976)，男，碩士生；賈斗南(聯系人)，

8、男，教授，博士生導帥.基金項目：空泡物理與自然循環國家重點實驗室基金資助項目；西安交通大學多相流國家重點實驗室基金資助項目(50323001).699李志粹.等：低質制流速卜壞形通道內F涸后傳熱實豹研究圖2為實驗段示意圖.由014mm、壁厚為2mm的冷拉不銹鋼外管和07.6mm、壁厚為1.5mm的內管組成間隙為1.2mm的環形通道.去離子水從環形通道內流過.整個實驗段用硅鋁酸纖維包裹，內右電熱絲加熱進行熱補=實較段出口(DGroeneveld關系式(適用于p為3.4-10.0定取壓詼取壓管端£-=-=4第15ftSo實驗段入曰償，大大提高了整個實即2實驗段示意圖驗段的熱效率.沿實驗段

9、高度方向安排了15個截面作為研究對象.1.2參數測流置采用特制的文丘利管流睛計測髯系統年力采用1151AP高靜壓電容式變送器進行測量:.溫度采用鐐恰鐐硅熱電偶測玷：沿著實驗段高度方向MPaG為800-4100kg/(m2s)的環形通道)Nuk=0.052(電卜+決(I-"吧6yi.oeY=廣(l_i)。(2)Miropolskiy關系式(適用于P為4.022.0MPa,G為7002000kg/(m2-s)的圓管)Ny=O.O23x4-dPrY(3)Polomik關系式(適用于。為4.010.0MPa.G為700-2700kg/(m2-s)的兩根棒束)-(1.87+32)_(1.8孔+

10、32廣1Nur=0.00115班F/HJ.15(4)Slaughterback關系式(適用于P為6.820.0MPa,G為1050-5300kg/(m2s)的圓管)Nj=1.16X10T辰_司廠.目前，對干涸后傳熱的實驗仍然存在著很多的矛盾，對環形通道內的研究更為少見，本文就此展開進一步的實驗研究.1實驗回路裝置與參數測量1.1實驗回路裝置本實驗是在西安交通大學核能系高壓熱工水力回路上完成的.回路系統如圖1所示.整個系統由回路和二回路組成.一回路是主回路,去離子水從循環主泵流出，進入蛇型管預熱器，用一臺節流調節閥和一臺針形閥雙重調節流景，以達到實驗所需要的小流量.去離子水經過U型管預熱器和2段

11、預熱器后進入了本實驗設計的實驗段,再經過冷卻器回到循環主泵，完成一次循環.圖1實驗回路系統流程圖布置了15個截而，截面間隔25mm,在每個截面上，外管的外壁徑向對稱布置r2副熱電偶，測晴的是外管的外壁溫度，內管內壁布置了1副熱電偶，測最的是內管的內壁溫度.然后，通過有內熱源的一維導熱方程求得相應的外管的內壁溫度和內管的外壁溫度.內、外管均采用單獨加熱.功率測屆由相應的電流表、電壓表得到.所有的測最信號均經過數據采集系統采集后輸入到計算機進行記錄、分析和處理.在1.2mm間隙的實驗段上共進行了126組實驗,其中內管單面加熱的有42組，外管單面加熱的有33蛆，內、外管同時加熱的有51組.壓力為1.

12、..0MPa等5個范圍.實驗參數的變化范圍如表1所示.表1實驗參數的變化范圍參數變化范圍壓力pMPa1.38-5.90質量流速Gkg(m2s)l52.8984.20雷諾數Re4415.207339.06外管熱流密度qjkwm-24.0721.30內管熱流密度Q/kWm"3.9025.20質鈾含氣率40.690.972實驗數據處理和結果分析2.1經驗公式說明PAW"?)'式中：如為臨界狀態下蒸汽的導熱系數；q的單位為Wm2.2.2數據處理在5040:本文的全筋實的數據點126組:用Grocnvcld公式進行的線性擬合N,=0.028x:Gr

13、ocnvcld公式，N”0.052x數擁平均相對誤差：30.8%0.550600.650.700.750.800.850.90I0?x采用上述4個經驗關系式進行了實驗數據歸納，對關系式中的系數C進行了修正，得到了相應的公式，如圖3圖5所示.限于篇幅.Slaughter-back公式未給出圖，僅給出了結論.新擬合系數L的數據見表2所示.圖號采用的公式C（3Groeneveld0.0520.0284Miropolskiy0.0230.025Polomik0.001150.0052Slaughterback0.0001160.0001882表2各個公式的比較結果90807060圖3與Groeneve

14、ld公式的比較結果10圖4與Miropolskiy公式的比較結果2.3數據分析Groeneveld公式考慮壓力與含氣率對換熱系數的影響，不足之處是該公式對壁面溫度估計過低，從而導致換熱系數有所增大，同時可以看出，Groeneveld公式對低質量流速工況的應用有較大90rM0-:本文的全部實羚數據點,126織70：用Polomik公式進行的線性擬合60(_叫廣0.0052x90rM0-:本文的全部實羚數據點,126織70：用Polomik公式進行的線性擬合60(_叫廣0.0052xu50-Polomik公式，M,=0.(>0115jt2.53.03.54.04.55.0圖5與Polomik

15、公式的比較結果的偏差.Miropolskiy公式考慮了壓力與含氣率對換熱系數的影響，當X1或p=臨界壓力)時，它同單相氣體換熱公式的形式非常接近，這是可信的.其公式的適用范圍和本實驗的差別較大，且用在圓形管道.從得出的換熱系數來看,環形通道要比圓形管道的小一些.同時.從數據平均相對誤差來看，Miropolskiy公式用在環形通道，相對誤差仍然較大.Polomik公式適用于兩棒束工況，由于考慮了真實壁面溫度的影響.這對低質量流速干涸后工況起若很重要的作用，但沒有考慮含氣率的影響，而這個因素會影響到主流蒸汽和液滴的多少，進而影響到蒸汽和壁面的換熱.從得出的換熱系數來看，環形通道內的換熱系數比兩棒束

16、之間的換熱系數大一些.Slaughterback公式考慮了熱流密度對換熱的影響但沒有考慮壁面溫度的影響.通過以上比較說明，在低質量流速工況下的干涸后傳熱,一個相當準確的壁面溫度尤其重要.3影響壁面溫度的因素分析下面以內管加熱為例(外管加熱時的趨勢相同)，分析r熱流密度、壓力和質量流速對壁面溫度的影響.3.1熱流密度的影響在低質量流速情況下，隨著熱流密度的增加，熱力學不平衡狀態顯得更加明顯，這時蒸汽會變得相當地熱，使得壁溫變高.由于蒸汽的導熱系數增大,增強r壁面和蒸汽之間的換熱，同時熱流密度的增大也導致r質量含汽率增加，使氣流速度加快，液滴直徑變小，增強了蒸汽和液滴之間的對流換熱，見圖6.3.2

17、壓力的影響壓力升高導致蒸汽的導熱系數增大，液滴的密701多志序.芳：低質帝流速卜環也通道內涸熱'丈拒研究270<?l2=l2.380kWm260p250240/i=6.590kWm230p=2.9MPa;G-83.35kg（m-s）220l1111i110000.000.250300.350.40L：m該計算式與數據點的符合情況如圖9所示.數據*均相對誤差為12.31%,換熱系數的最大不確定誤差是1.528%,、'數不確定誤差不足1.529%.圖6熱流密度對壁面(內管)溫度的影響度減少，表面張力減小，使液滴的蒸發速度加快，增強了蒸汽和液滴之間的對流

18、換熱,進而使得壁面溫度下降，見圖7.3201=4.73MPa310P300卜290p,=5.90MPa圖9X”的實臉位和預測值比較2802700.000.000250.300350.40們=10.36kW/m"G-54.8kg/（m：s）圖7壓力對壁面(內管)溫度的影響3.3質流速的影響由于質精流速增大，傳熱系數增強,從而使得壁面溫度下降，見圖8.330320p310卜300G-53.289kg/（m's）I"G：=61.630kg/（rn土'290p5.8MPa;q：】3.269kW/m2*8.000.050.100.150200.250300350.40圖8質量流速對壁面(內管)溫度的影響3.4新關聯式的提出在基于以上分析的基礎上,處理實驗數據時選擇了Groeneveld公式并引入了Polomik公式中壁面溫度和飽和溫度比值的關系修正因子這樣既號慮了蒸汽物性參數的影響，也考慮了熱流密度、壓力、質鼠流速等多種因素的影響,得出了下面一個適合中壓、低質量流速下的干涸后傳熱關系式Nt/=1.4X+一工)/化&quo