卧式螺旋管内临界热流密度特性及其流体模化方法研究

摘要

临界热流密度(CHF)是沸腾换热设备中极为重要的监视参数，临界热流现象的发生往往会导致传热恶化，直接关系到机组设备的安全、经济、高效运行，因而成为气液两相沸腾传热研究的重点课题之一。卧式螺旋管是一种重要的强化换热管型，其结构紧凑，换热高效，在换热器设计中得到了广泛应用，由于其特殊的结构特点，卧式螺旋管内的CHF传热特性较传统管型更为复杂，CHF的发生机理尚不明确，需要进一步的研究与探讨。目前针对CHF的研究或采用高温高压汽水系统或采用低潜热工质系统进行，前者对实验条件要求苛刻，投资巨大，后者则可简化实验条件，降低实验困难和投入，并可将实验结论用流体模化方法推广应用至高温高压汽水系统，具有实用价值。本文目的就是用理论分析与实验研究相结合的方法开展替代制冷剂R134a在卧式螺旋管内的CHF传热特性研究，发展适用于卧式螺旋管型的流体模化新方法，为卧式螺旋管式换热器的设计与运行提供依据。
　　 基于相似理论和量纲分析方法，在考虑几何相似条件的前提下，针对复杂流道型式引入了一个表征流道结构参数对CHF影响的广义影响因子Dn，推导出了含有参数n的适用于复杂流道型式CHF流体模化的13个广义准则数。分析结果认为Ahmad导出的13个无量纲准则数是本文推导结论n=1时的特殊情形；针于不同的流道型式n可根据实验数据得到不同的值以建立Dn与流道结构参数的具体函数关系式；也可认为理论推导结果定义了一个新的包含流道基本特征参数和流体物性参数的等效特征尺寸Dn，它能够集中反映复杂流道型式对CHF发生机理的影响。
　　 考虑替代工质用材和技术操作规范，按照热工性能和环保性能的双重要求，设计并建造了可用于多种替代制冷剂CHF传热研究的试验平台，并针对流型观察实验设计改造完成了电熔石英玻璃可视化装置。调试运行结果表明，中低压力系统可选紫铜管作为主体管路用材，电熔石英玻璃适宜作为可视化观察的材料，保温使用20㎜厚阻燃型聚乙烯材料时的热损失小于5％，替代工质密封用材需选用丁腈橡胶、四氟等材质。系统密闭性能良好，参数调节响应速度快，在测试压力2.0 MPa条件下漏率小于0.006 kPa/24h，压力和流量调节平均响应时间分别为0.2 s/kPa和1.5 s/Lh-1。流型实验拍摄到泡状流、弹状流、分层流、波状分层流和环状流等五种典型流型，并观察到一种波环状新流型。
　　 基于三个点确定一个圆的原理和螺旋升角的计算公式提出了一种简便易行的螺旋管制作方法，设计了一套使用三个模具靠轮为支点制作螺旋管的装置，该装置可准确确定螺旋管几何参数，制作简便，精度高。按照实验用管型和材质，借助Agilent BenchLink Data Logger Pro.采集软件的可编程功能建立了基于事件(CHF发生时壁温突升这一事件)驱动的CHF判定方法，给出了具体的判断关系式，极大地提高了实验精度。
　　 对15种不同几何结构参数的实验管段在系统流动参数P=0.20-1.15 MPa，G=50-500 kg m-2 s-1，x=-0.32-0.36，q=6.90 kW范围内开展了CHF传热特性实验；研究了卧式螺旋管内CHF发生时的壁温飞升及分布特性；考察了系统流动参数对CHF值的影响；分类讨论了螺旋管结构参数对CHF值的影响规律。结果表明：
　　 CHF发生时会出现壁面温度大幅飞升，表现出与常规传热状态的明显不同，除CHF发生处截面外沿螺旋管加热长度各截面平均温度差别不大。沿同一截面周向前侧(90°)位置壁温往往比其它位置先开始飞升，切断电源的瞬间同一截面上后侧(270°)位置壁温往往比其它位置下降更快，而且CHF发生截面上的前后侧(90°和270°)通常比内外侧(180°和0°)维持有较高的温度水平。CHF值随质量流速增大近似线性增大，随入口干度的增大近似线性减小，随临界干度的增大而减小的趋势在质量流速较大时变化较为明显，且在xcr<0.5范围内变化趋势比xcr>0.5范围内更加明显。在本实验范围内，质量流速对CHF值的影响最大，压力对CHF值的影响最小。
　　 CHF值随加热管长L、管内径dt和螺旋直径Dc的增大而呈现降低的趋势，而且同时受到质量流速和入口干度的影响，螺旋节距Pt对CHF的影响并不明显。在卧式螺旋管CHF的分析中几何参数组合螺旋径与管内径之比Dc/di较加热管长与管内径之比L/dt更为重要，实验发现当L/dt>200时L/dt对DNB型CHF值已无明显影响，螺旋径与螺旋节距之比Dc/Pt对CHF值影响很小。
　　 基于理论推导和实验数据，发展了本实验条件下R134a在卧式螺旋管内的CHF实验关联式；发展了基于经典流体模化模型的平均值CHF模化方法；在所得广义准则数的基础上确定了适用于卧式螺旋管型的Dn表达式，优选了适用于卧式螺旋管的准则数并发展了适用于R134a-水在卧式螺旋管内的CHF流体模化新方法；通过实验数据对上述实验关联式和流体模化方法的有效性进行了对比验证，主要内容和结论包括：
　　 通过CHF实验数据与经典的Bowring关联式和Shah系统参数关联式预测值比较的基础上，发现这两种关联式不再适用于本实验范围内R134a卧式螺旋管内流动沸腾CHF值的预测。根据DNB型CHF和干涸型CHF发生机理的不同，分类发展了针对两种条件下的CHF实验关联式，根据DNB型CHF主要受当地条件参数影响的特性选择沸腾数B0、雷诺数Re、Dean数Dn、液气密度比Nd和出口干度x0等准则数进行关联；而对于干涸型CHF则选取沸腾数B0、雷诺数Re、Dean数Dn、液气密度比Nd和入口干度xt等准则数进行关联。实验关联式预测值与实验数据值的误差范围在±20％左右。
　　 提出了流体模化方法的一般性思路，并在此基础上发展了R134a卧式螺旋管内CHF传热的两种流体模化方法。基于经典的Ahmad模型和Katto模型，提出了一种CHF流体模化的平均值法，根据Ahmad流体模化模型和Katto流体模化模型分别计算了R134a-水流体模化的比例因子，提出了基于两种经典模型的算术平均值流量模化因子FG，进而计算出了平均值条件下的临界热流密度模化因子Fqc，具有一定适用性；在导出复杂流道内CHF流体模化广义准则数的基础上，确定了适用于卧式螺旋管内CHF传热的广义因子Dn和准则数，并结合大量实验数据发展适用于卧式螺旋管内CHF流体模化的新方法，该模化方法预测值与实验数据值的误差范围在±20％左右。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

符号说明表

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 课题研究现状综述

1.2.1 螺旋管内两相流动传热特性的研究

1.2.2 螺旋管内临界热流密度特性的研究

1.2.3 临界热流密度流体模化方法的研究

1.3 课题研究的内容及目标

第2章 临界热流密度广义准则数的理论推导

2.1 相似理论与模化

2.1.1 相似理论基础

2.1.2 相似定理与模化法则

2.2 临界热流密度广义准则数的导出

2.2.1 引言

2.2.2 广义准则数的导出

2.2.3 导出结果与分析

2.3 沸腾传热流体模化准则数的选取

2.3.1 流动特性流体模化准则数的选取

2.3.2 CHF流体模化准则数的选取

2.3.3 近临界区及SCHT流体模化准则数的选取

2.4 本章小结

第3章 R134A临界热流密度实验系统与调试运行

3.1 CHF实验系统的设计与建造

3.1.1 引言

3.1.2 实验系统原理与设备选型

3.1.3 实验系统设计与建造技术

3.1.4 螺旋管实验段的制作

3.2 流型可视化装置的设计与改造

3.2.1 可视化研究的意义

3.2.2 可视化装置的设计与改造

3.3 实验系统的调试运行

3.3.1 调试与运行

3.3.2 分析与讨论

3.4 本章小结

第4章 临界热流密度实验方法与数据处理

4.1 CHF实验方法与步骤

4.1.1 系统参数的测量

4.1.2 实验方法与步骤

4.1.3 实验方案

4.2 实验数据处理方法

4.2.1 面积质量流速

4.2.2 加热功率

4.2.3 热流密度

4.2.4 内壁温

4.2.5 质量干度

4.2.6 物性参数

4.3 实验数据的不确定度分析

4.3.1 不确定度分析的概念及意义

4.3.2 直接测量值的不确定度

4.3.3 间接测量值的不确定度

4.4 本章小结

第5章 卧式螺旋管内CHF传热特性研究

5.1 壁温分布特性

5.1.1 卧式螺旋管内常规传热时壁温分布特性

5.1.2 卧式螺旋管内CHF发生时的壁温分布特性

5.2 系统流动参数对CHF的影响规律

5.2.1 质量流速对CHF的影响

5.2.2 入口干度对CHF的影响

5.2.3 临界干度对CHF的影响

5.2.4 系统压力对CHF的影响

5.3 卧式螺旋管几何参数对CHF的影响规律

5.3.1 独立几何参数对CHF的影响

5.3.2 几何参数组合对CHF的影响

5.4 卧式螺旋管内CHF预测关联式的发展

5.4.1 实验数据与经典关联式的比较

5.4.2 本实验条件下CHF预测关联式的发展

5.5 本章小结

第6章 卧式螺旋管内CHF流体模化方法研究

6.1 流体模化方法的一般思路

6.2 基于经典模型的平均值模化法

6.2.1 引用模型分析

6.2.2 模化因子的求解与结果

6.2.3 讨论与分析

6.3 基于广义准则数的流体模化新方法

6.3.1 广义准则数的选用

6.3.2 模化新方法的发展

6.3.3 模化结果与实验数据的对比分析

6.4 本章小结

第7章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本文的主要创新点

7.3 本文不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

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