螺旋管外空氣-蒸汽冷凝強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究

李文濤, 邊浩志, 代麗紅, 周書(shū)航, 吳桐雨, 丁銘

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北 武漢 430064)

福島核事故之后,人們?cè)絹?lái)越重視核安全。由于安全殼是防止放射性物質(zhì)進(jìn)入外界的第3道屏障,發(fā)生事故時(shí)應(yīng)采用有效措施以保證安全殼不被破壞。當(dāng)核反應(yīng)堆發(fā)生主蒸汽管道破裂或失水事故時(shí),會(huì)有大量高溫蒸汽從一回路中進(jìn)入到安全殼里的大氣空間中,為了防止安全殼被破壞,在目前的一些反應(yīng)堆(如“華龍一號(hào)”)都已經(jīng)設(shè)置了非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)(passive containment heat removal system,PCS)[1-3],通過(guò)安全殼外的換熱水箱和安全殼內(nèi)的PCS換熱器,對(duì)安全殼中的含空氣蒸汽進(jìn)行冷凝,非能動(dòng)地將安全殼內(nèi)的熱量導(dǎo)出,對(duì)安全殼進(jìn)行降溫降壓,這對(duì)提高反應(yīng)堆的安全性、減小核事故的發(fā)生起到了重要作用?？諝獾拇嬖谑沟谜羝淠龘Q熱效果大幅降低,傳統(tǒng)的純蒸汽冷凝得到的研究結(jié)論不再適用,需要對(duì)含空氣蒸汽冷凝進(jìn)行單獨(dú)研究。

對(duì)于含空氣蒸汽冷凝,已有研究大多對(duì)豎直管或平板進(jìn)行研究,提出了一些關(guān)聯(lián)式[4-10]。而對(duì)于強(qiáng)化換熱管的研究較少,且強(qiáng)化效果不明顯[11-13]。螺旋管作為一種常用的強(qiáng)化換熱管,在管內(nèi)和管外都可有一定的強(qiáng)化效果。本文對(duì)螺旋管管外含空氣蒸汽冷凝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了螺旋管對(duì)管外含空氣蒸汽冷凝的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置組成

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置為COAST實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由壓力殼、供氣系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。壓力殼外部包有保溫材料,用來(lái)減少壓力殼的散熱。實(shí)驗(yàn)管放置在壓力殼中央,除換熱段其余部分用隔熱材料包裹。在實(shí)驗(yàn)管兩側(cè)分別布置了6個(gè)鉑電阻,用于測(cè)量壓力殼內(nèi)混合氣體的溫度,在進(jìn)出口處各一個(gè)鉑電阻用于測(cè)量進(jìn)出口溫度,壓力殼上安裝一個(gè)壓力傳感器用于測(cè)量殼內(nèi)壓力值。

圖1 COAST實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig.1 COAST experimental device

壓力殼是直徑為1.5 m,高度為3.5 m的不銹鋼壓力容器,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)電加熱器產(chǎn)生蒸汽,為實(shí)驗(yàn)提供所需的溫度、壓力和空氣濃度。

供氣系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、減壓閥以及相應(yīng)管線、閥門等組成。從儲(chǔ)氣罐輸出的壓縮空氣通過(guò)輸氣管輸入壓力殼。

冷卻水系統(tǒng)由循環(huán)水泵、冷卻水箱、電磁流量計(jì)、空氣冷卻塔以及相關(guān)管路閥門組成?？諝饫鋮s塔用于保證水箱內(nèi)水的溫度處在合適的范圍實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段之前的入口閥門的開(kāi)度控制冷卻水流量。通過(guò)調(diào)節(jié)流量使壁面過(guò)冷度處在預(yù)定范圍。

實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的物理參數(shù)主要包括溫度、壓力和流量,這些參數(shù)分別采用鉑電阻、壓力傳感器和流量計(jì)進(jìn)行采集。測(cè)量得到的電子信號(hào)統(tǒng)一輸入到NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理參數(shù)實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存。

在實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)空氣供應(yīng)系統(tǒng)向壓力殼中充入空氣調(diào)節(jié)所需的空氣含量;電加熱系統(tǒng)對(duì)壓力殼底部的水進(jìn)行加熱產(chǎn)生蒸汽,通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器功率來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需的壓力、溫度等參數(shù);通過(guò)調(diào)節(jié)水泵流量調(diào)節(jié)壁面過(guò)冷度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的溫度、壓力、流量等參數(shù)采集并記錄。

1.2 實(shí)驗(yàn)管及實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)用的螺旋管如圖2所示,3根管均為不銹鋼材料制成,換熱管外徑分別為19、25、38 mm。3根管的螺距均為200 mm,螺旋半經(jīng)均為200 mm。

圖2 螺旋管實(shí)物Fig.2 Solid figure of spiral tube

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱器功率使壓力殼內(nèi)的壓力穩(wěn)定在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.3 MPa,空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在15%～75%。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

忽略隔熱材料的散熱,冷凝放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量,即冷卻水的焓升乘以質(zhì)量流量?？傻脫Q熱量為：

Q=G(Hout-Hin)

管外冷凝換熱系數(shù)為換熱量除以換熱管外表面積及壁面過(guò)冷度：

其中氣空間溫度Ts由鉑電阻直接測(cè)量得到,外壁溫To可由Gnielinski公式及熱阻傳遞公式得到[14],即由公式：

得到：

其中f為管內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)：

f=(1.82lgRe-1.64)-2

cr為螺旋管修正系數(shù)：

cr=1+10.3(do/R)3

式中：Q為換熱量,W;Hin和Hout為進(jìn)出口水焓值,J;Ts為氣空間溫度,℃;Ti為內(nèi)壁溫度,℃;To為外壁溫度,℃;Ao為外壁面面積,m2;Ai為內(nèi)壁面面積,m2;Nu為努塞爾數(shù),Nu=1;Re為雷諾數(shù),Re=1;Pr為普朗特?cái)?shù),Pr=1;do為管外直徑,m;di為管內(nèi)直徑,m;L為管長(zhǎng),m;λf為水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λs為管的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);R為螺旋管螺旋半徑,m。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 管徑對(duì)換熱的影響

本研究對(duì)管徑為19、25、38 mm的螺旋管分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),其中壓力0.4 MPa空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)73%和壓力0.6 MPa空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%時(shí)冷凝換熱系數(shù)隨壁面過(guò)冷度的變化如圖3所示。由圖中可以看出,不同管徑的變化規(guī)律基本相同,隨著壁面過(guò)冷度的增加,冷凝換熱系數(shù)逐漸減小。換熱系數(shù)隨著管徑的減小而增大。在相同工況下,管徑19 mm的螺旋管的換熱系數(shù)分別為25 mm螺旋管的1.30倍、38 mm螺旋管的1.55倍。這與豎直管實(shí)驗(yàn)變化趨勢(shì)一致。異形強(qiáng)化換熱管設(shè)計(jì)時(shí),管徑的選取可以參照數(shù)值管的結(jié)果,結(jié)構(gòu)改變并不會(huì)對(duì)隨管徑變化規(guī)律產(chǎn)生較大影響。

圖3 管徑對(duì)換熱的影響Fig.3 Effect of tube diameter on heat transfer

已有研究表明,蒸汽冷凝后,空氣會(huì)留在管外壁附近形成高濃度空氣層,管外的高濃度空氣層是含空氣蒸汽冷凝傳熱的主要熱阻。管徑變化主要會(huì)影響對(duì)空氣層的束縛能力。管徑越大,對(duì)空氣的束縛能力越強(qiáng),平板時(shí)最強(qiáng),僅垂直換熱面的擾動(dòng)才會(huì)影響空氣層。管徑小時(shí),空氣層較難吸附在管壁附近,在流動(dòng)時(shí)更容易脫離壁面,使得管徑小時(shí),換熱系數(shù)更大。

3.2 螺旋管與豎直管換熱對(duì)比

同一實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)得到的豎直管的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為[15]：

hc=35.8×(290+0.001L1.3/d2.6)(1+0.16cosθ)P0.6·

(ωa/ωv)-0.53ΔT-0.05P-0.02(ωa/ωv)-0.000 5ΔT-0.5

式中：L為管長(zhǎng),m;d為管徑,m;θ為傾斜角,(°);P為壓力,MPa;ωa為空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ωv為蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ΔT為壁面過(guò)冷度,℃。公式適用范圍為0.012 m≤d≤0.038 m;1.0 m≤L≤3.5 m;0.15 MPa≤P≤1.6 MPa;7.5%≤ωa≤90%;5 ℃≤ΔT≤130 ℃。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)注入空氣,然后通過(guò)調(diào)整加熱功率改變壓力。實(shí)驗(yàn)中不同壓力對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 各壓力工況下空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Air mass fraction at each pressure condition

將25 mm螺旋管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式得到的豎直管結(jié)果進(jìn)行比較,0.2～1.3 MPa結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出：0.2 MPa時(shí),換熱系數(shù)比豎直管要小,當(dāng)壓力大于0.4 MPa時(shí),螺旋管較豎直管有一定強(qiáng)化換熱效果,且壓力越大強(qiáng)化效果越大。0.2 MPa時(shí)螺旋管的冷凝換熱系數(shù)比豎直管低2%左右,0.4、0.6、0.8、1.0、1.3 MPa時(shí)螺旋管的冷凝換熱系數(shù)分別比豎直管增強(qiáng)6%、10%、25%、40%、65%左右。

圖4 螺旋管與豎直管換熱系數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of heat transfer coefficient between spiral tube and plain tube

豎直管在冷凝時(shí),空氣層向下會(huì)逐漸積累增厚,從而換熱系數(shù)向下逐漸減小。螺旋管可以看成多段傾斜管組成,相較于豎直管,螺旋管上方空氣不容易聚集,空氣在重力作用下會(huì)向下脫落,且向下有一定速度,會(huì)沖刷下一層的螺旋管管壁。壓力越高,殼內(nèi)的溫度越高,分子熱運(yùn)動(dòng)較大,向下沖刷及管附近擾動(dòng)更加明顯,從而壓力較高時(shí)螺旋管較豎直管換熱增強(qiáng)效果更明顯。

螺旋管與豎直管的換熱量對(duì)比如圖5所示,可以看出螺旋管較豎直管換熱量有很大提升,壓力升高,換熱量提高越大,1.3 MPa時(shí)換熱量為豎直管的10倍左右。0.2 MPa時(shí)換熱系數(shù)較豎直管有所降低,但換熱量仍為豎直管的5.7倍左右?？梢钥闯鲈趩挝桓叨壬下菪軗Q熱量較豎直管提升明顯,可以排走更多的熱量。

圖5 螺旋管與豎直管換熱量對(duì)比Fig.5 Comparison of heat transfer rate between spiral tube and plain tube

3.3 空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)換熱的影響

為了研究空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)換熱的影響,應(yīng)用25 mm管在0.4、1.3 MPa通過(guò)調(diào)整空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%、50%、36%附近分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?螺旋管和豎直管的變化趨勢(shì)一致,空氣含量越低,換熱系數(shù)越高,這是由于空氣含量低形成的高濃度空氣層越薄,濃度越低,從而熱阻更小,換熱效果更好。

圖6 空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)換熱影響Fig.6 Effect of mass fraction of air on heat transfer

當(dāng)壓力為0.4 MPa時(shí),空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%、50%、36%時(shí)螺旋管較豎直管的強(qiáng)化效果分別為-3%、4%、9%左右;1.3 MPa時(shí)強(qiáng)化效果分別為16%、33%、63%左右。螺旋管較豎直管的強(qiáng)化換熱效果隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。0.4 MPa高空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化。在同一空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,壓力越高強(qiáng)化換熱效果越明顯,空氣含量越低強(qiáng)化效果越明顯。與3.2節(jié)分析結(jié)果一致,壓力越高,分子熱運(yùn)動(dòng)更劇烈,空氣層更容易產(chǎn)生波動(dòng),蒸汽越容易穿過(guò)空氣層到達(dá)壁面進(jìn)行冷凝;氣體更容易向下流動(dòng),對(duì)下方的部分沖刷更明顯,因而強(qiáng)化效果更好。

4 結(jié)論

1)管徑對(duì)螺旋管的影響與豎直管一致,在其他條件相同的情況下,管徑越小,換熱系數(shù)越大。管徑19 mm的螺旋管換熱系數(shù)分別為25 mm管的1.30倍、38 mm管的1.55倍。

2)螺旋管在低壓、高空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下,換熱效果比豎直管差,換熱系數(shù)低3%左右,但換熱量仍為豎直管的5倍以上。螺旋管在壓力高時(shí)有很好的強(qiáng)化換熱效果,當(dāng)壓力1.3 MPa時(shí),換熱系數(shù)比豎直管高65%左右。

3)同一壓力下,空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,螺旋管強(qiáng)化效果越差,壓力越高差別越明顯?？諝赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7和0.36時(shí)在0.4 MPa強(qiáng)化效果相差12%;1.3 MPa時(shí)可相差47%。

未來(lái)需要進(jìn)一步考慮由螺旋管組成的管束的換熱特性,為換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。