环形狭缝通道内干涸后传热研究

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现有比较通用的是 Groeneveld 在 1973 年
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图 2 115 mm 间隙试验数据拟合 Groeneveld 公式 Fig. 2 1. 5 mm experiment data fitting Goreneveld equation
图 3 2 mm 间隙试验数据拟合 Groeneveld 公式 Fig. 3 2. 0 mm experiment data fitting Goreneveld equation
内管 :
(12)
N u = 0. 054 0{ Reg [ x +
ρg ρf
(1
-
x)
]}0. 688 (
P
rg
)
1. w
26
Y - 1. 06
(13)
外管 :
N u = 0. 028 3{ Reg [ x +
ρg ρf
(1
-
x)
]}0. 688 (
环 形
0. 15 ,0. 20 1. 2~3. 8 58. 0~112. 0 319~45. 6 14. 5~61. 2 0. 73~0. 97
图 1 试验工作段结构图 Fig. 1 Schematic diagram of t he test scction
3 环形狭缝试验数据处理
试验中测得的温度 ,是试验工作段的外管 外壁温度沿高度的分布和内管内壁温度沿高度
第 22 卷 第 1 期 2002 年 3 月
核科学与工程 Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering
Vo1. 22 No . 1 Mar. 2002
环形狭缝通道内干涸后传热研究
王增辉 ,贾斗南 ,刘瑞兰 ,苏光辉 ,秋穗正
(西安交通大学 ,710049)
(4) 外管热流密度 : qo = QoΠFo ( Qo 是外管传给流体的热量)
(5) 式中 : Fi , Fo ———内外管的换热面积 。
如果将外管壁和内管壁双面加热平均起来
考虑 ,平均热流密度为 :
q=
Qo + Qi Fo + Fi
=
qi Fi + qo Fo Fi + Fo
=
Fi
Fi +
Fo qi
道干涸后换热 ,有强化换热的趋向 。另外 ,由于 试验进行的工况质量流速非常小 ,因此可以预 见在质量流速大的情况下 ,狭窄通道中的干涸 后换热将出现更加明显的强化换热趋势 。
图 3 是狭缝间隙为 2 mm 时的拟合情况 , 拟合公式如下 :
N u = 0. 037 6{ Reg [ x +
ρg ρf
Xia 在 1992 年 研 究 R2113 在 高 度 为 88 mm ,间隙为 018~5 mm 的垂直矩形通道中 流动时 ,观察到两种流型[6] 。当间隙大于3 mm 时 ,气泡不变形并且流动参数与垂直管道中的 强制对流相似 。当间隙小于3 mm时 ,在不同加 热点上出现临近的气泡相互结合 ,壁面被气体 或液体交替覆盖 ,试验中发现沸腾流型参数极 大的依赖于缝隙尺寸 。这也从流型方面证明了 狭窄通道强化换热的可能性 。格罗尼弗尔特 ( Groeneveld) 在 1973 年对各种试验数据进行总 结 ,得出了计算环形通道干涸后的努赛尔计算 式 ,用来计算换热系数[7] 。
实验段结构如图 1 所示 。试验段的结构主 要由管径为 7 mm 、壁厚为 1 mm 的不锈钢内管 和管径为 6 mm 、壁厚为 1 mm 的不锈钢内管放 在管径为 14 mm 、壁厚 2 mm 的不锈钢外管内 , 形成具有 115 mm 和 2 mm 间隙的同心环形狭 缝通道 。为了尽量保证同心度 ,内管和外管采 用专门定购的 、经过特别较直的冷拉不锈钢管 。 通过 X 光沿周向对试验工作段进行各种角度 下的透视及拍照 ,同时通过调节定位棒的深浅 度来调整环形狭缝的同心度 。从 X 光片看出 , 试验工作段内外管保持着良好的同心度 。
试验数据参数变化范围如下 :
试验参数变化范围
Variational range of experiment parameter
几 何 形 状
通道间隙 SΠcm 压力 pΠMPa 流量 GΠkg·m - 2 s - 1 外管热流密度 q0Π( kW·m - 2) 内管热流密度 qiΠ( kW·m - 2) 含汽量 x
此 ,如同一些模型中假设的那样 ,在归纳传热系
数的公式中 ,认为蒸汽温度是饱和温度 。
试验数据处理的原则如下 :
当量直径 :
De
=
4A c
=
( do2 π( do
di2 )π + di )
=
do -
di
(1)Fra Baidu bibliotek
式中 : A ———流通面积 ;
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c ———润湿周长 ;
d ———管径 ;
i ,o ———下标分别表示内管和外管 。
到下式
内管 :
N u = 0. 076 8{ Reg [ x +
ρg ρf
(1
-
x)
]}0. 688 (
P
rg
)
1. w
26
Y - 1. 06
外管 :
(11)
N u = 0. 051 3{ Reg [ x +
ρg ρf
(1
-
x)
]}0. 688 (
P
rg
)
1. w
26
Y - 1. 06
当间隙为 2 mm 时 ,得到下式
Groeneveld 公式如下 :
N u = 0. 057 4{ Reg [ x +
ρg ρf
(1
-
x)
]}0. 688 (
P
rg
)
1. w
26
Y - 1. 06
(9)
公式系数与原始公式的系数 01052 不同 。
试验数据得出的系数增加了 10138 % ,可见环
形狭缝通道内的干涸后换热能力超过普通大管
Johston 在 1983 年对纯净水在水平环状窄 通道内沸腾传热试验后得出结论是 ,与一般的 沸腾换热相比 ,传热系数提高了 230 %[2] 。Da2 nilova 证实在沸腾换热中 ,缝宽与气泡脱离直 径接近时 ,窄缝通道强化传热效果好[3] 。黄鸿 鼎在研究环隙通道沸腾换热时发现 ,对于水 、乙 醇 、丙醇 、三乙胺等 10 来种物质 ,当狭缝宽为 2~215 mm 时 ,能明显强化传热 ,大于3 mm时
不起强化作用[4] 。吴云英等提出缝宽与气泡脱 离直径相近的窄缝通道内 ,流动沸腾传热效果 最好 ,是强化流动沸腾传热的措施之一 。窄矩 形通道的流动沸腾传热系数可比一般光管提高 60 %~90 %。它能够强化传热 ,可在较低热通 量下操作 ,抗活塞能力好于一般圆管 ,并能消除 或减轻两相流的不稳定性[5] 。这些试验结果说 明当狭窄通道小于 3 mm 时存在强化换热 。
作者简介 :王增辉 :男 ,1998 年毕业于西安交通大学核能与热能工程系 ,现为西安交通大学能源与动力工程学院博士研究生 ; 贾斗南 :男 ,1965 年毕业于交通大学动力机械系 ,现为西安交通大学核能与热能系教授 ,博士生导师 。
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2 试验情况
本试验研究是在全部为不锈钢材料的中压 热工水力回路上进行的 。试验中以去离子水为 工质 ,高温两相流体由下向上流过电加热内 、外 管壁间的环形狭缝 ,对同心竖直环形狭缝进行 干涸后换热试验研究 。在试验过程中 ,为了测 量试验回路中流体的流量 、压力 、温度 、电加热 功率等 ,在回路中设立了相应的测量设备和仪 表 ,所有的流量 、压力 、温度的测量信号通过数 据采集系统送入微型计算机显示和记录 。
摘 要 :以去离子水为工质的高温流体 ,由下向上流过电加热内 、外管壁间的环形狭缝 ,对同心竖直环形 狭缝进行了干涸后换热试验研究 。试验结果表明 :环形缝隙中的干涸后换热 ,与普通环形通道中的换热 有着明显不同 。试验中发现在相同热流密度下内管换热能力大于外管 。应用 Groeneveld 公式 ,拟给出 适合试验数据的换热公式 。在试验的基础上 ,对内外管中较大的热流密度 ,与内外管热流密度的平均值 的比值建立变量 ,并应用多元线性回归方法 ,建立了适合工程实际应用的环形狭缝通道干涸后传热计算 经验关联式 。 关键词 :环形狭缝 ;干涸后 ;多元线性回归
的分布 。但从确定传热系数的公式中 ,需要知 道的是外管的内壁温度和内管的外壁温度 。由
于外管和内管均通电加热 ,是具有内热源的导 热问题 。因此 ,由内热源公式可推得外管的内 壁温度和内管的外壁温度 。在干涸后传热试验
中 ,按热力学特性 ,流体具有热力学不平衡特 点 ,即液滴是饱和温度 ,而蒸汽是可以过热的 。 由于本试验在狭缝下无法测量蒸汽温度 。因
+
Fi
Fo +
Fo
qo
(6)
根据传热学知识 ,由试验数据的测量可以
求出内管壁热流密度和外管壁热流密度和整体
平均热流密度 ,进一步求出整体平均传热系数
和外管内管传热系数和 N u 。
努赛尔数 : N u = hDeΠk
(7)
式中 : h ———换热系数 ;
k ———导热系数 。
4 环形狭缝换热研究
国内外许多科研工作者虽然对弥散流传热 区域作了许多工作 ,但大多数是针对圆管内的 流动 ,在环状通道中的低质量流速下 ,对干涸后 传热特性研究的结果更少 。普通管道中的干涸 后传热计算公式很多 ,但它们之间的相符性较 差 ,这表明干涸后传热 ,尤其是狭窄通道中的干 涸后传热尚待深入研究 。
形管道 。
应用 Groeneveld 公式拟合间隙为 115 mm
试验数据和间隙为 2 mm 试验数据见图 2 和图
3 。图中的 横 坐 标 X 为 { Reg [ x + ρgΠρf (1 -
x)
]}0. 688
(
Prg
)
1. w
26
Y - 1. 06

当狭缝间隙为 115 mm 时 ,试验数据拟合
1 前 言
狭缝传热技术是一种新兴的传热方法 ,由 于其换热表面为光滑表面 ,在通道内高速流体 的冲刷下 ,不易产生杂质沉淀污染传热表面而 使传热情况恶化 ,而且狭缝结构紧凑 ,不需要复 杂的表面加工处理 。由于这些原因狭缝传热在 航空航天 、微电子 、核反应堆和热能工程等领域 得到了广泛的应用 。尤其是自 20 世纪 80 年代 以来 ,狭缝传热技术已逐渐被认为是一种可产 生强化传热效果的换热方法而受到越来越多的 重视[1 ] 。
(1
-
x)
]}0. 688 (
P
rg
)
1. w
26
Y - 1. 06
(10)
从该拟合公式可以看出 ,当环形狭缝间隙
为 2 mm 时 ,试验数据处理结果表明拟合出的
Groeneveld 公式系数比原始公式系数小一些 。
这是否存在环形狭缝强化换热不易被确定 ? 由
于在本试验中质量流速很小 ,而质量流速对换
雷诺数 : Re = uDeΠv
(2)
式中 : u ———流速 ;
ν———运动黏度 。
传热系数 : h = qΠ( tw - tf )
(3)
式中 : q ———热流密度 ;
w ,f ———下标 ,表示壁面和流体 。
热流密度 q ,由于存在内管和外管分别加
热 ,因此分别有 :
内管热流密度 :
qi = QiΠFi ( Qi 是内管传给流体的热量)
热的影响很大 ,因此有必要扩大试验参数范围
验证 2 mm 间隙是否存在环形狭缝强化换热 。
显然 间 隙 为 2 mm 的 干 涸 后 换 热 能 力 小 于
115 mm间隙 。
在相同热流密度下 ,应用 Groeneveld 公式
形式分别拟合间隙为 115 mm 和 2 mm 的内管
和外管的试验数据 。当间隙为 115 mm 时 ,得
通过总结试验数据得出的公式 。Groeneveld 公 式如下 :
N u = 0. 052{ Reg [ x +
ρg ρf
(1
-
x)
]}0. 688 (
P
rg
)
1. w
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Y - 1. 06
(8)
其中 Y = 1 - 0. 1 (ρfΠρg - 1) 0. 4 (1 - x ) 0. 4 ,
适于质量流速 80010~4 10010 kgΠ( m2 ·s) 的环
试验工作段的内管和外管都是通过直接通 电 (低电压 、大电流) 的方式进行加热 ,并可达到 内外管分别为变热流密度的加热条件 。试验工 作段的外管外壁温用标定过的直径为 015 mm 的镍铬 —镍硅热电偶测量 。热电偶被焊在外管 壁上 。沿试验工作段高度每隔 25 mm 为一个 测点 ,而且在同一个高度的圆周截面上 ,每隔 90°点焊一副热电偶 (数据处理时 ,某一高度处 的壁温 取 该 圆 周 上 四 副 热 电 偶 测 量 值 的 平 均 值) 。试验 段 的 内 管 壁 温 用 标 定 过 的 直 径 为 015 mm 的镍铬 —镍硅热电偶测量 。
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