蛇型管内沸腾气泡特性可视化观察

蛇型管内沸腾气泡特性可视化观察1

叶萍，彭晓峰

相变与界面现象传递实验室，清华大学热能工程系，北京（100084）

E-mail：pxf-dte@https://www.360docs.net/doc/a04821075.html,

摘要：本文设计并搭建了可视化实验台，对内径为8mm的蛇形管内R141b工质流动沸腾核化特性进行了可视化观测，整理和分析了不同条件下的实验现象。实验表明，成长到一定阶段的气泡之间会发生追击、融合等现象；加大热流密度会造成气相成长速度加快、气液界面振荡加剧。

关键词：蛇形管，流动沸腾，核化，气泡

中图分类号：TK124

1.引言

沸腾传热和气液两相流动以其高热流、小温差、恒温性等换热特点和突出优势，广泛应用于各种实际工艺和高新科技发展中，也成为科研与工程技术人员研究热点[1-3]。

强制流动沸腾是沸腾传热和气液两相流中最基本的情况，加热和流体流动使沸腾过程带有热力学不平衡特性；相变造成的热量交换、质量传递和空泡率变化，导致沿流道运动的相分布不断发生变化，流体流动的控制方程组更加复杂，给观察、研究和分析问题带来极大困难[4]。迄今，这一领域的研究仍然处于发展阶段。

蛇形管蒸发器广泛应用于能源、动力和低温制冷等领域，其进出口状态和管内流动沸腾特性极大地影响着设备性能。对蛇形管内强制流动沸腾的机理研究尚比较少。现有的实际应用中蒸发器的安全系数比较大，出口段通常被设计得很长，出口蒸汽的过热度都比较高，大大降低了蒸发器的效率，既浪费了宝贵的能源，又增加制造成本。

本文针对蛇形管内强制流动沸腾下核化区内气泡特性进行了可视化观察，发现了一些有趣的现象，并对此进行初步的分析。

2.实验装置

本文采用氟利昂R141b作为蒸发工质，在略高于常压的条件下运行。实验系统如图1所示，主要由两个回路组成：液体/蒸气循环和冷却水回路。

实验时，R141b（CH3CCl2F,即一氟二氯乙烷）在循环泵的作用下经流量计、预热器、混合室后以过冷态进入实验段—透明的蛇形管蒸发器，在其中被加热蒸发，形成不同的流型，通过CCD摄像头进行观测。

可视化实验段采用了耐高温、热涨系数很小并且清晰度较高的石英玻璃制成，在该管的直管段外壁上喷涂有一层非常薄的金属氧化物导电膜，通过调压器加压以进行加热，管体的通透度很好。

为了模拟小空调、冰箱处的蛇形管，本文实验所采用的蛇形管管径为Φ10×1mm，有三个180° 弯头（又称M型管），弯头直径50mm，仅有直管段镀膜，弯管段不镀膜，初始设计见图2。图中虚线之间所示的直管段为镀膜段，各长170mm，虚线处为烧制的电极，其余管段均不镀膜（称为白管段）。在蛇形管进出口处留有15-20mm的白管段，以便与整个系统相联结。

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助（20040003076）。

图1 实验总体系统简图

3.现象观察

实验对不同热流密度、不同流量下的R141b的流动沸腾现象进行了可视化实验观察。实验表明，保持流量，加大总热流密度，或者保持总热流密度，减小流量，气泡产生点会向实验段入口移动，效果相仿。本文只分析主路（不计旁路）流量保持为18l/h的情况，如果有特殊处再加以说明。

2.1 气泡的生成

当总热流密度小于1.35kW/m2时，观测不到明显的核化点，但是可以发现液相中偶尔会夹杂着极小的高速运动的气泡。当总热流密度等于1.35kW/m2时，在直管段2出现了起始沸腾点(ONB)，观测到了明显的比较稳定的核化点，但是核化点数量较少。一般是在某一

截面的管壁最高点处开始生成气泡。

图3气泡产生、运动俯视图

初始生成的气泡很小，沿几乎直线排布向前运动（图3中从左往右方向），同时不断长大，小气泡部分排布比较紧密，气泡越大，间隔越大。加大热流密度，气泡的湍动度增加，小气泡生成点向流体入口方向移动，气泡产生、长大和运动的速度都有所加快。

增大热流密度至5.86 kW/m2后，换用高速CCD进行了拍摄，拍摄速度为50帧/秒，快门为1/120，清晰地观测到气泡产生的现象，发现核化点数有所增加，核化点位置不再局限于管壁最高点。如图4，由于拍摄角度不同，此处的流体流向为从右往左。

图4气泡生成点

继续增大热流密度，出现更多的核化点，ONB前移至直管段1中，生成的气泡直径据观察约在0.1mm量级，生长速度较慢，进入直管段2处后与直管段2原有核化点产生的气泡（较大、生长速度很快）融合。

2.2泡的追击、融合

a b

c d

图5 1.35kW/m2下 气泡间的追击、融合

在生长到一定阶段后，相邻的气泡（两个或三个）会发生融合，宏观上表现为沿运动方向，后方的小气泡追击前方稍大气泡，融合后的气泡速度加快，继续追击前方气泡，再产生融合，形成类似链式反应的现象，具体见图5。

实验证明，越加大热流密度，气泡从生成到之间的追击和融合越为快速，气泡体积越大，很快融合积聚，发展为块状大气泡。

4.结论

本文主要针对蛇形管内强制流动沸腾下核化区内气泡特性进行了可视化观察和初步的

对比分析。主要结论如下：

1、成长到一定阶段的气泡间会发生追击、融合现象。

2、气泡核化区的流型主要保持为小区域气泡的产生、追击、融合。可以认为流型为泡状流，只是在浮升力作用下气泡生成位置比较偏管上部，不是小气泡均匀分散在液相中的均匀泡状流。

3、在一定流量下，加大热流密度，气泡的生成、生长、追击、融合速度都会加快，气液界面振荡加剧。

参考文献

[1]鲁钟琪. 两相流与沸腾传热. 北京: 清华大学出版社, 2002年

[2]王昊. 微细丝上过冷沸腾核化多样性与近壁汽泡动力特性, 博士学位论文. 北京: 清华大学, 2004

[3]John R. Thome. Boiling in microchannels: a review of experiment and theory. International Journal of Heat

and Fluid Flow, 2004, 25: 128–139

[4]Van P. Carey, Liquid-vapor phase-change phenomena: an introduction to the Thermophysics of vaporization

and condensation processes in heat transfer equipment. Washington, D.C.: Hemisphere Pub. Corp., c1992

Visualized Observations on Bubble Dynamics during

Nucleation in Coiled Tubes

P.Ye, and X.F. Peng

Dept. of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Abstract

A visualized apparatus was designed to conduct a visual observation on flow boiling of R141b in coiled tubes with an inner diameter of 8 mm. An emphasis was addressed on exploring important phenomena and their behavior. Some complex interactions among growing bubbles, including pursuit and coalescing, played very important roles in nucleation and two-phase flow pattern. Under higher heat flux conditions, bubbles grown up faster with stronger fluctuation of gas-liquid interface.

Keywords: coiled tube, flow boiling, nucleation, bubble