窄缝环形通道内饱和沸腾的实验研究

核 动 力 工 程

Nuclear Power Engineering

第24卷　第6 期(增刊)

2 0 0 3年12月

V ol. 24. No. 6S2 Dec. 2 0 0 3

文章编号：0258-0926(2003)06S2-0088-05

窄缝环形通道内饱和沸腾的实验研究

张 弛1，吴埃敏1，苏光辉1，彭常宏1，秋穗正1，

褚 俊1，贾斗南1，聂常华2

（1. 西安交通大学核能与热能工程系，710049；2.中国核动力研究设计院，成都，610041）

摘要：对间隙为1.5mm 的同心环形通道内流动换热的饱和沸腾进行了实验与理论研究。实验通过电加热内外不锈钢管道来控制改变热流密度，工质为去离子水。文中以加热当量直径作为研究窄缝环形通道的定性尺寸。实验结果表明，在间隙为1.5mm 的同心垂直环形窄缝通道中的饱和沸腾，与常规尺寸圆管换热相比，起到了强化作用。通过对实验数据的总结，得出了中压、低流量情况下的沸腾换热系数的经验计算公式。

关键词：垂直环形通道；饱和沸腾；加热当量直径 中图分类号：TK124 文献标识码：A

1 前 言

同心环形通道内流动具有结构紧凑而高效传热的特点，在动力、造船、航天等行业应用越来越广泛。在进行同心环形通道的直流蒸汽发生器的设计中，其饱和沸腾换热系数是很重要的参数，需要对其深入研究。近30年来，国内外众多学者针对常规尺寸通道总结了许多的饱和沸腾换热的经验公式，如早期的Chen 氏公式、Jens-lottes 公式，较近期的Lazarek & Black 公式、Kandlikar 公式、Liu & Winterton 公式、Tran et al.公式、Shah 公式[1～

6]等。但关于间隙为1.5mm 的同心环形通道内流动换热的饱和沸腾研究报道很少。

本文以加热当量直径作为研究窄缝环形通道的定性尺寸，进行了环形通道内饱和沸腾流动换热的实验研究，并将实验数据同国内外常用的常规尺寸的多个经验公式进行了比较。以加热当量直径为通道的定性尺寸，结合环形通道单相对流换热的公式，给出了在中压、小流量情况下的窄缝环形通道内饱和沸腾换热系数计算关系式。对饱和沸腾换热机理进行了探讨。

2 实验装置

实验在西安交通大学核能与热能工程系高压热工水力实验回路上进行(图1)。试验段由内外径

图1 实验装置示意图

Fig. 1 Sketch Map of Experiment Equipment

1——主泵；2——稳压器；3——蛇型预热器；4——流量计；5——电加热预热器；6——U 型预热器；7——压力传感器；8——实验段；9，10——压差变送器；11——冷却

器；12——一次侧进水系统；13——稳压器进水系统； 14——环形通道

分别为φ7×1mm 、φ14×2mm 的圆管组成，形成具有1.5mm 间隙的同心狭缝通道(图2)。

3 实验步骤

实验参数见表1。实验中，在压力、流量确定的情况下，通过改变预热段功率及内外管热流密度，使实验段中出现饱和沸腾工况，记录壁温、压力、流量、液体温度、保温层温度在内的大量数据；然后再改变实验的压力、流量，重复进行

收稿日期：2003-09-02；修回日期：2003-12-02

基金项目：获中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国防重点实验室的资助

张 弛等：窄缝环形通道内饱和沸腾的实验研究

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图2 实验段简图

Fig. 2 Sketch Map of Experiment Section 实验，得到了大量的数据。

4 数据处理分析

基本的数据处理方法请参见文献[1]。 本实验有3种不同加热方式：双面加热、外管单面加热和内管单面加热。在数据处理时采用加热当量直径D heat 组合Re 数、Nu 数等

heat

heat 4U A

D = (1)

式中，A 为通道流通面积，m 2；U heat 为通道加热周长，m ；

5 实验数据和常用经验公式的比较

实验中，将数据初步处理成

h 实验＝k ×h 公式

的简单形式，并比较文献[1～7]的经验公式计算的换热系数与实验换热系数的误差。式中，k 为强化系数。

数据处理结果见图3和表2，其相对误差为

∑

=

∆实验

实验计算－h h h N 1

(2) 式中，N 为实验数据的个数。

对于常规圆管流动沸腾换热系数的关系式，

a 与Chen 式计算结果的比较

b 与Jens 式计算结果的比较

图 3 各常用公式计算换热系数与实验值的比较图 Fig. 3 Comparison between Calculated Heat Transfer

Coefficient and Experimental Data

表2 实验数据与经验公式计算值的比较 Table 2 Comparison between Calculated Results

from Equations and Experimental Data

常用经验公式 通道形式 强化系数 相对误差/％ Chen 圆管 0.4771 181.8

Jens-Lottes 圆管 1.9206 50.10 Lazarek 圆管 0.8768 23.74 Kandlikar 圆管、环管 1.012 26.63 Liu &Winterton 圆管、环管 0.9276 32.15 Tran et al. 圆管 0.5193 97.87 Shah

圆管、环管

1.0902

29.50

表1 实验参数范围

Table 1 Range of Experimental Parameters

参 数 范 围 p / MPa 0.84～6.01 w / kg·s -1 0.002194～0.005067

q i / kW·m -2

7.213～35.17 q o / kW·m -2 7.432～114.41 Re 1487.4～5970.1 x

0.0021～0.6834