含内热源多孔介质的局部换热特性实验研究

核 动 力 工 程
Nuclear Power Engineering
第29卷 第1 期 2 0 0 8 年2月
V ol. 29. No.1 Feb. 2 0 0 8
文章编号：0258-0926(2008)01-0057-05
含内热源多孔介质的局部换热特性实验研究
昝元峰，王涛涛，肖泽军，王 飞，黄彦平
（中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国家级重点实验室，成都，610041）
摘要：建立了含内热源的多孔介质模型。

该模型以水作为流动介质，流道内填满金属颗粒球，金属颗粒球呈正三角形排列。

作为内热源的金属球内镶嵌电阻丝。

在此模型的基础上，通过实验研究了流速、金属球壁面温度对含内热源多孔介质局部换热特性的影响规律。

研究结果表明：压力对换热特性几乎没有影响；低热流密度下，表面热流密度对换热特性没有显著的影响；高热流密度时，换热系数随热流密度的增大而增加；冷却剂进口温度与换热系数成反比；球层区有入口效应存在，但是影响区域明显小于管内流体的流动区域；获得了幂指数形式的无量纲换热准则关联式，预测值与实验值误差在±10%以内。

关键词：内热源；多孔介质；换热特性
中图分类号：O357.3；TK124 文献标识码：A
1 引 言
多孔介质中的流动和换热过程复杂，是不同学科和技术领域长期的研究热点。

已有的一些研究表明，在以水作为流动介质的流道中充填金属或非金属颗粒之后，换热系数提高5~10倍以上[1~3]；以空气作为流动介质时，换热系数提高3~30倍左右[4, 5]。

然而，这些研究多集中于多孔骨架未发热的情况，对于地下铀矿的开采、核反应堆堆芯元件的设计与安全运行、核燃料的安全存放、农作物的储存、煤的堆放与自燃以及火药和炮弹的安全存放等多孔骨架作为内热源的多孔介质中的流动换热的研究较少，而且主要集中在理论和数值计算[6~9]方面，实验研究鲜有报道。

本文建立了含内热源的多孔介质模型，以水作为流动介质，流道内填满金属颗粒球，作为内热源的金属球内镶嵌电阻丝，通过实验研究流速和金属球壁面温度等因素对含内热源多孔介质局部换热特性的影响规律。

2 实 验
实验系统组成见图1。

实验回路主要由主泵、流
量调节支路、供水系统、预热器、流量计、实验段、换热器和稳压器等主要设备及管道、阀门等附件构
图1 实验系统流程图
Fig. 1 Schematic Diagram of Experiment System
成。

回路设计压力2.5 MPa 、设计温度200 ℃，流量范围100~900 kg/h 。

流量、压力和温度测量信号接到IMP 测量模块并进入计算机采集系统。

实验段进出口流体温度采用Ⅰ级Φ1.0 T 型铠装热电偶进行测量。

流量测量采用文丘里流量计。

实验段为内径160 mm 的不锈钢管；管内填
收稿日期：2006-11-15；修回日期：2007-12-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50476049)
核 动 力 工 程 V ol. 29. No. 1. 2008
58充直径31.75 mm 的金属球；球之间呈正三角形排列，
沿工质流动方向共填充18层。

其中，在第4层、第10层和第16层的中间位置各布置一个内部发热金属球，其余均为不发热金属球。

为了消除边壁效应对换热的影响，靠近边壁处的金属球被加工成不同尺寸的半球，与相邻的金属球及实验段内表面以切面紧密接触(图2)。

图2 管内金属球分布示意图
Fig. 2 Schematic Diagram of Metal Spheric
Distribution in the Tube
1——引线管；2——半金属球；3——不发热金属球；4——金属管；5——发热金属球
在发热金属球内镶嵌电阻丝，电阻丝的最大功率350 W 。

使用交流电源对电阻丝进行加热，加热功率通过调压器进行调节；球壁温度通过嵌于壁面的4支0.8 mm 的N 型热电偶进行测量，热电偶在同一平面上呈90°分布，电阻丝导线和热电偶引线通过一个金属管一并引出实验段。

3 实验结果与讨论
3.1 定 义
实验中采用消除边壁效应影响的设计，金属球堆积层的孔隙率ε为31%。

实验中以金属球的直径d p 作为数据处理的特征尺寸，发热球壁面温度取4个壁面温度测量值的平均值，冷却水的特性温度取实验段进出口处的平均温度。

实验段进口处未填充金属球区域流动介质的流速定义为：
S
G u ρ=in (1)
式中，u in 为实验段金属管内未填充金属球区域水的流速，m/s ；G 为进入实验段内水的质量流速，kg/s ；ρ为密度，kg/m 3；S 为实验段金属管截面积，m 2。

金属球孔隙中的平均流速定义为：
ε
in u
u = (2)
式中，u 为金属球孔隙中的平均流速，m/s 。

实验段金属管内充填层流体流动的雷诺数定义为：
)
1( in p εµρ−=
p
d u R
e (3) 式中，µ为动力粘度，Pa · s ； Re p 为管内充填层中的雷诺数。

冷却水流过发热球壁面所发生的热量传递由牛顿冷却公式计算。

即：
)(f w t t t q −=∆=αα (4)
f
w 1
2p
f w 2π4t t d UI t t q −⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛×=−=
−α ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛+−+++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=2424fout
fin 4w 3w 2w 1w 2
p t t t t t t d UI
π
(5)
式中，q 为表面热流密度，W/m 2
；α为换热系数，
W/(m 2 ·℃)；w t 为发热球壁面平均温度，℃；f t 为
流体平均温度，℃；
U 为电压，V ；I 为电流，A ；t w1、t w2、t w3、t w4分别为发热球壁面不同位置的温度，℃；t fin 、t fout 分别为流体进出口温度，℃。

3.2 压力对换热特性的影响
通过实验，得到了不同压力下发热球的换热系数(图3)。

由图3可知，在本实验范围内，压力对发热球的换热系数没有影响。

图3 系统压力对换热系数的影响(水进口
温度50 ℃，发热球加热功率300 W)
Fig. 3 Effect of System Pressure on Coefficient of
Heat Transfer as Coolant Inlet Temperature is 50 ℃ and Heated Spheric Power is 300 W
3.3 加热功率对换热特性的影响
由图4可知，发热球的加热功率为100 W 时，
昝元峰等：含内热源多孔介质的局部换热特性实验研究
59
图4 发热球加热功率对换热系数的影响(冷却剂
进口温度50 ℃，压力0.5 MPa)
Fig. 4 Effect of Heated Spheric Power on Coefficient
of Heat Transfer as Coolant Inlet Temperature is 50 ℃ and System Pressure is 0.5 MPa
其表面换热系数较50 W 时没有明显增加；发热功率为300 W 时，与功率50 W 和100 W 相比，换热系数最大增幅约为20%，最小增幅约10%。

这主要是由于当加热功率较高时，发热球表面温度提高，使冷却剂主流区与发热球周围流体的密度和粘度等物性变化加大，因此，发生了较强的横向自然对流，导致了自然对流与强制对流的耦合作用加强。

3.4 冷却剂进口温度对换热特性的影响
由图5可知，随着冷却剂进口温度的增加，发热球表面的换热系数呈下降趋势。

初步分析认为，这是由于含内热源多孔介质内流体的动量传递、热量传递均较高温水剧烈，最终导致高温水的换热能力低于低温水。

该现象还有待于用更多的实验加以验证。

图5 冷却剂进口温度对换热系数的影响(加热球
加热功率300 W ，压力2.0 MPa)
Fig. 5 Effect of Coolant Inlet Temperature on Coefficient
of Heat Transfer as Heated Spheric Power is 300 W and System Pressure is 2.0 MPa
3.5 入口效应对发热金属球换热特性的影响
由图6可知，发热金属球距离入口100 mm 处的换热系数均高于距离入口263 mm 处约8%，而距离
图6 发热球距入口不同距离时的换热系数(压力
1.0 MPa ，功率100 W ，进口水温100 ℃) Fig. 6 Coefficient of Heat Transfer vs Distance of
Heated Metal Spheric and Inlet as Heated Spheric Power is 100 W, System Pressure is 1.0 MPa, Coolant Inlet Temperature is 100 ℃
入口428 mm 处与263 mm 处的换热系数平均仅差约1%。

Izadpanah M R 等人[1]在Φ32 mm 的管内填装沙粒，在不同的流速下，距离入口80 mm 时，流动已完全处于充分发展的状态。

初步分析认为，这是由于流体在多孔介质中的混合远远强于其在矩形和圆形流道中的混合，多孔介质中流体径向速度的分布经过很短的一段距离就能达到均匀。

3.6 换热准则关联式
在大量实验数据的基础上，采用最小二乘法回归得到了幂指数形式的无量纲换热准则关系式：
175.0405
.0p
w f 512.6Pr Re Nu n
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛=µµ (6) 式中，Nu 为努谢尔特准则数；µf 为以流体平均温度为定性温度的动力粘度，Pa · s ；µw 为以发热球壁温为定性温度的动力粘度，Pa · s ；(µf /µw )n 为孔隙中流体的物性场不均匀修正项，在本实验参数
图7 换热系数计算值与实验测试值的比较 Fig. 7 Comparison of Experimental Results and
Calculated Results
核动力工程 V ol. 29. No. 1. 2008 60
范围内，当(t w -t f )>30℃时，n为0.15。

利用公式(6)，得到换热系数α的计算值。

与实验测试值相比，其偏差在10%以内(图7)。

4 结论
通过具有内热源的多孔介质换热特性实验，得到以下结论：
(1)压力对换热系数没有影响。

(2)发热球加热功率高时，由于物性场的不均匀性加剧，横向自然对流增强，导致换热系数增加；加热功率低时，加热功率对换热系数没有明显影响。

(2)随着冷却剂进口温度的增加，换热系数呈下降的趋势。

(3)球层入口区存在入口效应，但入口效应的影响区域远小于管内流动区域。

(4)获得了具有内热源多孔结构多孔介质的局部换热系数幂指数形式的无量纲准则关联式，根据该式得出的换热系数计算值与实验值的误差在±10%以内。

参考文献：
[1] Izadpanah M R, Steinhagen H M, Jamialahmadi M. Experi-
mental and Theoretical Studies of Convective Heat Transfer
in a Cylindrical Porous Medium [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 1998, 19: 629~635.
[2] Mohamad A A. Heat Transfer Enhancements in Heat
Exchangers Fitted with Porous Media Part I: Constant Wall Temperature[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2003, 42: 385~395.
[3] Jamialahmadi M, Steinhagen H M, Izadpanah M R. Pres-
sure Drop, Gas Hold-up and Heat Transfer during Single and Two-phase Flow Through Porous Media[J]. Interna- tional Journal of Heat and Fluid Flow, 2005,26: 156~172.
[4] Jiang P X, Si G S, Li M, et al. Experimental and Numeri-
cal Investigation of Forced Convection Heat Transfer of Air in Non-sintered Porous Media[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2004, 28: 545~555.
[5]李勐, 姜培学, 余磊等. 流体在烧结多孔槽道中对流换
热的实验研究[J]. 工程热物理学报, 2003, 24(6): 1016~ 1018.
[6]杜建华, 王补宣. 带内热源多孔介质中的受迫对流换
热[J]. 工程热物理学报，1999, 20(1): 69~72.
[7] Islam M R, Namdukumar K. Transient Convection in
Saturated Porous Layers with Internal Heat Source[J]. Int.
J Heat Mass Transfer, 1990, 33: 151~163.
[8] Stewart W E, Burns A S. Convection in Heat Generating
Porous Media in a Concentric Annulus with a Permeable out Boundary [J]. Int. comm. Heat Mass Transfer, 1992, 19: 127~135
[9]卞卫，王补宣. 具有内发热源多孔介质的混合对流[J].
工程热物理学报，1992, 13: 394~397.
Experimental Study on Local Heat Transfer Characteristics of Porous Media with Internal Heat Source
ZAN Yuan-feng, WANG Tao-tao, XIAO Ze-jun, WANG Fei, HUANG Yan-ping
（National Key Laboratory of Bubble Physics and Natural Circulation, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610041, China）
Abstract: Model of porous media with internal heat source is established. The model uses water as flowing media, and the stainless steel test section is packed with steel spheres in manner of regular triangle, respectively. The armoured resistance wire is inserted inside the steel sphere. On the basis of the experimental model, many parameters of the local heat transfer characteristics including current velocity and wall tempera-ture of steel sphere are measured. The experimental results show that the coefficient of heat transfer scarcely changes with pressure. The coefficient of heat transfer increases with the surface heat flux of steel sphere.. When raising the inlet temperature of the cooling water, the coefficient of heat transfer presents the descend-ing trend. In addition, the influence of entrance effect on heat transfer is discovered in the experiment, which is much less than the liquid flow in the light tube. After experiment data are analyzed and processed, the rela-tion model of heat transfer on local heat transfer characteristic of porous media with internal heat source was described with a power-law-equation. The deviations between calculation and experimental values are within ±10%.
Key words: Internal heat source, Porous media, Heat transfer characteristics
(下转第65页)。