螺旋管内过冷沸腾换热特性及气泡行为研究

摘要

作为一种高效的换热方式，过冷沸腾已被广泛的应用于核反应堆、Tokamak核聚变装置、高集成芯片冷却通道和内燃机等各种高热流密度装置中。由于螺旋管具有结构紧凑和强化传热等特点，所以螺旋管换热器已在食品加工、空调及低温系统以及核反应堆中得到了广泛的应用。因此，在螺旋管内采用过冷沸腾传热方式将会极大的强化其传热。目前，对过冷沸腾的实验研究已经涉及了截面为圆形、矩形、环形、正方形的直管、微通道及各种结构的管束。由于受到重力场和和离心力场的双重作用，螺旋管内过冷流动沸腾的流动和传热特性更加复杂。因此，开展螺旋管内过冷沸腾流动和传热特性的研究，对于螺旋管内两相流动的理论研究、螺旋管换热设备的优化设计与高效安全运行都具有重要意义。
　　本文针对螺旋管内过冷沸腾实验条件，考虑R134a的综合性能，通过增加再冷器等实验装置对实验系统的冷凝装置进行升级，从而使其可以完成不同实验参数范围内的过冷沸腾传热实验。在实验系统经过气密性、保温性能等测试后，开展了质量流量G=147.5～443.7 kgm-2-1，过冷度△Tsub=4.7～15.1℃和压力P=412.1～850.3 kPa条件下的过冷沸腾实验。另外，为了考察螺旋管内气泡行为对传热的影响，选取相关实验设备搭建了螺旋管内空气气泡可视化研究系统。将PVC透明管弯制并固定成螺旋管，并以齿轮泵驱动去离子水在管内流动。采用注射泵使空气以恒定流速在管内形成气泡，并完成了螺旋管内不同位置气泡脱离和运动轨迹的实验研究。
　　在过冷沸腾传热特性实验中，首先对螺旋管内单相对流传热条件下壁面温度分布以及各实验参数对单相对流传热系数的影响进行了研究。实验结果表明单相对流传热对过冷沸腾起始点(ONB)的特性产生了很大的影响。通过实验研究了过冷沸腾起始点壁面温度的变化规律，并将首先脱离壁面温度线性增长趋势的点定义为过冷沸腾起始点。分析了螺旋管圆心角α、截面圆心角β、质量流量、过冷度、压力和螺旋管几何结构参数等对过冷沸腾起始点过热度和热流密度的影响。实验结果表明:过冷沸腾起始点的热流密度、壁面过热度随着过冷度和质量流量的增大而增大，但是随着压力、螺旋直径的增大而减小，螺旋管节距和放置方式对过冷沸腾起始点特性无明显影响。
　　基于立式和卧式螺旋管内过冷沸腾的实验数据，分析了两种不同放置方式的螺旋管内壁面温度的分布特性，并研究了各实验参数对过冷沸腾平均传热系数的影响。在二次流、主流速度分布和气泡行为的共同影响下，立式和卧式螺旋管过冷沸腾截面温度均呈现不均匀分布。但是二者的分布情况并不相同:在立式螺旋管内，截面温度的最高点和最低点则分别为下侧(β=90°)和上侧(β=270°）;而卧式螺旋管内，截面温度的最高点和最低点则分别为内侧（β=0°）和外侧(β=180°)。分析其原因认为:立式螺旋管上侧（β=270°）产生的气泡在浮力和主流曳力的作用下，沿上侧壁面滑移从而使该侧壁面温度成为螺旋管截面温度的最低点，从而造成了不同形式的不均匀分布。以标准偏差的形式引入不均匀度的概念，对过冷沸腾传热条件下螺旋管截面温度的不均匀分布进行了定量分析。同时，对比螺旋管内传热系数可知，各参数对立式和卧式螺旋管内过冷沸腾传热系数的影响趋于一致。螺旋管截面的平均传热系数随热流密度和压力的增大而增大，随着过冷度和螺旋直径的增大而减小，同时工质的质量流量和螺旋管节距对传热系数的影响较小。通过各实验参数对过冷沸腾起始点热流密度和传热系数的影响趋势分析，采用量纲分析法确定了螺旋管内过冷沸腾起始点热流密度和传热系数关联式模型，并对实验数据进行非线性拟合得到了对应关联式，实验数据与关联式预测值的误差均在±20％范围内，关联式的计算值与实验值吻合较好。
　　在水流速度Vl=0.13～1.13ms-1和空气流速Vg=0.2～1.0mls-1的工况下，对卧式螺旋管内的气泡行为进行了可视化研究。根据气泡的受力情况，建立了由主流曳力、二次流曳力、净离心力和净重力组成的卧式螺旋管内气泡动力学模型，并将上述作用力沿螺旋管切线和法线方向分解为切向力和径向力。采用此模型对水流速度、空气流速和截面位置对气泡的脱离和运行轨迹的影响进行了理论分析。实验结果表明，切向力是气泡脱离的主要影响因素，径向力对气泡脱离的影响体现在α=0°和α=180°两个截面位置上。随着水流速度、空气流速和脱离位置的变化切向和径向作用力的大小和方向也发生了变化，从而影响了各实验条件下的气泡脱离频率。
　　在气泡运行轨迹实验中发现:气泡脱离后，会随着主流向通道向下游流动并在螺旋管的内、外侧之间产生径向位移。在0°＜α＜90°和270°＜α＜360°范围内，由于径向力为负值，气泡会沿螺旋管内侧(β=0°）管壁向下游滑移。在90°＜α＜180°和180°＜α＜270°范围内，随着截面和水流速度的变化，径向力均发生了正负值得变化，气泡的径向位移也随之发生了变化，气泡运行轨迹的主导因素也均由净重力变为净离心力。

目录

声明

摘要

主要符号说明表

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 过冷沸腾流动和传热特性的研究

1．2．2 螺旋管内流动传热特性的研究

1．2．3 气泡动力学的研究

1．3 课题的研究内容

第2章 过冷沸腾及气泡可视化实验系统

2．1 过冷沸腾实验系统

2．1．1 过冷沸腾实验循环

2．1．2 实验段结构及装配

2．1．3 实验系统测试

2．2 气泡可视化研究实验系统

2．3 本章小结

第3章 过冷沸腾及气泡可视化实验方法与数据处理

3．1 实验步骤

3．1．1 过冷沸腾传热实验

3．1．2 气泡可视化实验

3．2 实验数据处理

3．2．1 过冷沸腾实验数据处理

3．2．2 气泡可视化实验数据处理

3．3 实验数据不确定度分析

3．3．1 直接测量的不确定度

3．3．2 间接测量的不确定度

3．4 本章小结

第4章 过冷沸腾起始点研究

4．1 螺旋管单相对流传热特性

4．1．1 单相对流传热壁面温度分布特性

4．1．2 单相对流传热影响因素分析

4．2 过冷沸腾起始点传热特性

4．2．1 过冷沸腾起始点判定

4．2．2 过冷沸腾起始点壁温特性

4．2．3 过冷沸腾起始点影响因素分析

4．3 过冷沸腾起始点热流密度关联式

4．4 本章小结

第5章 过冷沸腾传热特性研究

5．1 过冷沸腾壁温特性

5．1．1 卧式螺旋管过冷沸腾壁温分布特性

5．1．2 立式螺旋管过冷沸腾壁温分布

5．2 过冷沸腾传热影响因素分析

5．2．1 螺旋管内传热系数分布

5．2．2 实验参数对传热系数的影响

5．3 过冷沸腾传热关联式

5．4 本章小结

第6章 螺旋管内气泡可视化研究

6．1 卧式螺旋管内气泡动力学模型

6．2 卧式螺旋管内气泡脱离

6．2．1 气体速度对气泡脱离的影响

6．2．2 液体速度对气泡脱离的影响

6．2．3 气泡受力分析

6．3 卧式螺旋管内气泡运动轨迹

6．4 本章小结

第7章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 本文主要创新点

7．3 本文的不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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