卧式螺旋管内过冷沸腾换热特性实验研究

第３５卷第１１期　２７８８　２０１５年６月５日　中国电机工程学报　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆｔｈｅ　ＣＳＥＥ　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．１１　Ｊｕｎ．５，２０１５　

￣２０１５　Ｃｈｉｎ．Ｓｏｃ．ｆｏｒ　Ｅｌｅｃ．Ｅｎｇ．　

ＤＯｈ　１０．１３３３４／ｊ．０２５８—８０１３．ｐｃｓｅｅ．２０１５．１１．０１７　文章编号：０２５８－８０１３（２０１５）１１－２７８８—０８　中图分类号：ＴＫ　１２１　

卧式螺旋管内过冷沸腾换热特性实验研究　孔令健，韩吉圈，陈常念，逯国强，冀翠莲　（山东大学能源与动力工程学院，山东省济南市２５００６１）　

Ａｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　Ｂｏｉｌｉｎｇ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ａ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｈｅｌｉｃａｌ　Ｃｏｉｌ　ＫＯＮＧ　Ｌｉｎｇｊｉａｎ，ＨＡＮ　Ｊｉｔｉａｎ，ＣＨＥＮ　Ｃｈａｎｇｎｉａｎ，ＬＵ　Ｇｕｏｑｉａｎｇ，ＪＩ　Ｃｕｉｌｉａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５００６１，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｏｆ　Ｒ１３４ａ　ｉｎ　ａ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｔｕｂｅ　ｗａｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｆｒｏｍ　０．４１　ｔｏ　Ｏ．６３　ＭＰａ．ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｆｒｏｍ　６　ｔｏ１２℃．ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ　ｆｒｏｍ　０．１１　ｔｏ　１０．９　ｋＷ．ｍ－Ｘ　ａｎｄ　ｍａｓｓ　ｆｌｕｘ　ｆｒｏｍ　１４７　ｔｏ　２４９　ｋｇ．ｍ－２．ｓ－　．Ｔｈｅ　ｗａｌｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｃｏｉｌ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｂｏｉｌｉｎｇ．　ｎｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗａｌ１　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ．Ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｏ　ｈａｓ　ａ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｐａｒｔｉａｌ　ｔｏ　ｆｕｌｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｆｌＯＷ　ｂｏｉｌｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ，　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｍａｓｓ　ｆｌｕｘ，ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｌｅｔ　ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｒ．１３４ａ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　Ｒｌ　３４ａ　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｆｌＯＷ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｔｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｒａｉｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｌｅｔ　ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ　Ｃａｎ　ｃａｕｓｅ　ａ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，　ｔｈｅ　ｍａｓｓ　ｆｌｕｘ　ｅｘｈｉｂｉｔｓ　ｒａｔｈｅｒ　ｓｌｉｇｈｔ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｔｏｅ￣ｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｎ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｃｏｉｌ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ．　

ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｃｏｉｌ；ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｂｏｉｌｉｎｇ；　ｗａｌｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　

摘要：在系统压力ｐ＝０．４１－０．６３］ｖＩＰａ，过冷度△　ｕｂ＝６－－１２℃，　热流密度ｑ＝０．１１－１０．９０　ｋＷ・ｍ～，质量流量Ｇ＝－１４７－２４９　ｋｇ・　ｍ－２．Ｓ　的条件下，对卧式螺旋管内Ｒ１３４ａ过冷流动沸腾的　

换热特性进行了实验研究。分析过冷沸腾条件下螺旋管不同　截面上的壁温分布表明：截面周向壁温呈现不均匀分布；螺　旋管的截面位置对部分过冷沸腾向充分发展过冷沸腾的转　变产生了很大影响。分析了各实验参数对充分发展过冷沸腾　

基金项目：国家自然科学基金项Ｉ￣Ｉ（５１０７６０８４）。　Ｐｒｏｊｅｅｌ　Ｓｕｐｐｏｓｅｄ　ｂｙ　Ｎ￣ｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｆ５１０７６０８４）．　

换热系数的影响趋势：随着热流密度、系统压力的增大换热　系数不断增大；但是，当入口过冷度增大时换热系数却在减　小：质量流量对换热系数的影响并不明显。对实验数据进行　回归分析，发展了适用于卧式螺旋管内充分发展过冷沸腾换　热系数的关联式。　

关键词：卧式螺旋管；过冷沸腾；壁面温度；换热系数；关　联式、　

０　引言　过冷沸腾作为一种高效的换热手段，在核反应　堆、发动机冷却水套、核潜艇动力系统以及超导体　线圈冷却等方面有着广泛的应用【１　。如我国自行设　计研制的国际首个全超导托卡马克装置（ＥＡＳＴ装　置），ＥＡＳＴ第一壁［５ｌ中直接受到等离子体高温作用　部件上的热流密度高达４　ＭＷ．ｍ－　。已有的冷却方　法是将冷却水管与热沉通过钎焊的方法联接在一　起，通过水的单相对流进行换热，但是随着运行参　数的提高，单相换热已很难满足换热要求，必须采　用过冷沸腾换热方式。　过冷流动沸腾传热是汽液两相流动与相变传　热这两种复杂物理现象的耦合【６Ｊ。与饱和沸腾不同　的是：过冷沸腾整体处于热力学不平衡状态。此时　由壁面进入的热量不完全用于气液相变，部分热量　将用于流体温度的提升。因此，研究过冷沸腾的特　性与机理具有重要的意义。国内外学者对过冷沸腾　已经进行了大量的研究【７　。在早期的研究中，　Ｂｅｒｇｌｅｓ［７】通过实验与理论分析计算相结合的方法对　沸腾起始点和传热状况进行了研究，Ｌｅｖｙ１８ｌ则通过　理论分析建立了过冷沸腾中气相体积分数的计算　模型，并通过实验数据验证了模型的准确性。Ｈｏｎｇ　Ｇａｎｇ［９］等通过实验对矩形窄通道在静态和起伏状　态下过冷沸腾起始点进行了研究。研究结果表明：　第１１期　孔令健等：卧式螺旋管内过冷沸腾换热特性实验研究　２７８９　传统关联式不再适合矩形窄通道内过冷沸腾情况，　并通过实验建立了静态条件下矩形窄通道内过冷　沸腾起始点的关联式；管道的起伏状态影响了质量　流量的波动，同时过冷沸腾起始点的热流密度和过　热度随着起伏频率的增大而降低。Ｌｉｎ等Ｌ１　ＵＪ和　Ａｈｍａｄｉ［¨】利用高速摄像仪通过可视化方法分别对　低压和中压条件下过冷沸腾中气泡动力学特性进　行了研究。Ｌｉｎ等主要对成核点分布、气泡的生长、　脱离频率和直径进行了研究。Ａｈｍａｄｉ的研究主要　集中于净蒸汽产生点的气泡行为。研究结果表明，　在达到净蒸汽产生点后随着气泡数量的增加，气泡　直径的范围也在增大，会出现较大直径的气泡。　当螺旋管卧式放置时，流体在管内流动过程中　所受的离心力和重力的夹角在不断的变化，工质在　卧式螺旋管管内的流动情况更为复杂，对其传热特　性具有很大的影响。因此，研究者们对卧式螺旋管　内的换热情况开展了大量研究［１２－１４】。陈常念［　等对　卧式螺旋管内流动沸腾临界热流密度（ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ，ＣＨＦ）特性进行了研究。研究结果表明，　ＣＨＦ　现象一般首先发生在管圈的出口截面，沿同一截面　周向ＣＨＦ发生的先后顺序不分明；ＣＨＦ值随干度　的增大近似线性减小，流量较大时变化趋势更为明　显，且流量对ＣＨＦ值的影响最大，而压力对ＣＨＦ值　的影响较小。邵莉【１　３Ｊ和Ｓｏｌａｎａ［１４］等主要对卧式螺旋　管内两相流的流型进行了研究，发展了相应的流型　图。但是，已有文献中未发现对螺旋管内过冷沸腾　的实验研究。因此，对螺旋管内过冷沸腾进行实验　研究和机理分析具有重要的意义。　本文在较低压力和流量参数范围内，对Ｒ１３４ａ　在卧式螺旋管内过冷流动沸腾的传热特性进行了　实验研究。在实验研究的基础上，对螺旋管不同截　面的壁温分布特性进行了分析，研究了各实验参数　对换热系数的影响，并发展了过冷沸腾换热系数的　关联式。　

１　实验装置及数据处理方法　１．１　实验装置　实验系统如图１所示，实验工质采用制冷剂　Ｒ１３４ａ。工质由计量泵加压输出后，经质量流量计　测得流量，在预热段将工质加热至所需工况，然后　进入实验段进行加热测量，而后在套管式冷凝器内　Ｒ１３４ａ与冷水机组输送的冷却剂逆向流动换热，　Ｒ１３４ａ被冷却为过冷液体储存于储液罐中以进行连　续循环。预热段与实验段均采用低电压大电流直流　计量泉　早压力传感器：　热电偶；一Ｒ１３４ａ￣ｈ：一龄却剂循环回路。　图１实验系统图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｌｏｏｐ　稳压电源直接加热，其最大加热功率分别为２４　Ｖｘ　２００　Ａ、６０　Ｖｘ５００　Ａ。冷水机组单机最大制冷量为　４４ｋＷ。　实验所用实验段由￣１０ｘ０．８　ＩＩＩｌＴＩ的３０４不锈钢　制作而成。螺旋管总长３　１００ＩＴＩｌＴＩ，有效加热长度２　８２９．２ｍｍ，螺旋直径３００ｍｍ，节距４５ｎｌｌＴｌ。在预热　段和实验段两端固定加热电极，采用高精密直流稳　压电源通电，利用不锈钢（ＳＵＳ３０４）管段的电阻热效　应直接加热。如图２所示，　与　角各位置上分别布　置　０．５　ｎｌｌＴｌ的Ｔ型热电偶，每圈总计布置３２支热　电偶，用于测量螺旋管外壁的壁面温度。在实验段　和预热段的进出口分别装有铠装热电偶直接对流　体的温度进行测量。在实验系统中的相应位置用压　力传感器测得系统中不同位置的压力。该实验系统　中所有温度、压力、流量数据及其输出信号均由　Ａｇｉｌｅｎｔ３４９８０Ａ采集和预处理。　ｌ８０。　：１３５￣　：　：２２５。　一　一０＝２７０。　ｒ／９Ａ—・Ａ０。　。　ｒ／＝１８ｒ／＝２７０。　图２热电偶布置图　，　Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ　１．２数据处理方法　实验系统中质量流量计所测质量流量为ｍ，由　此可计算得到工质的质量流速Ｇ，计算式为