張 釗 宋保銀 宋軍輝 李 岡

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逆向載荷下矩形通道內水流動沸騰臨界熱流密度

張 釗 宋保銀 宋軍輝 李 岡

（南京航空航天大學航空宇航學院 南京 210016）

臨界熱流密度（CHF）是流動沸騰過程中一個重要的參數(shù)，在旋轉平臺上以蒸餾水為工質，采用單側加熱的矩形通道，對逆向載荷下兩種不同加熱方位下的流動沸騰CHF特性進行了實驗研究，獲得了逆載下發(fā)生臨界換熱時的質量流速、入口壓力、實驗段壓降和壁溫的變化特性。研究討論了逆載、入口溫度、質量流速和加熱方位對CHF的影響。結果表明：臨界換熱現(xiàn)象發(fā)生時，壁溫迅速上升，有效熱流密度迅速減少，實驗段壓降增大，質量流速減小；逆載和質量流速越大，CHF越大；入口溫度越高，CHF越小，同時加熱方位對CHF也有明顯影響。

逆載；臨界熱流密度；矩形通道；加熱方位；實驗研究

0 引言

臨界熱流密度CHF（Critical Heat Flux）是沸騰換熱中一個重要的參數(shù)。當臨界熱流現(xiàn)象發(fā)生時，會在流體與加熱面之間形成一層蒸汽膜阻礙液體補充到加熱面上，此時濕潤的壁面向著干斑轉變，傳熱系數(shù)迅速降低，壁溫急劇升高，進而導致?lián)Q熱設備發(fā)生故障[1]。因此，對CHF的準確預測對于熱力系統(tǒng)的安全運行非常重要。

近年來窄通道內兩相流臨界熱流密度和質量力對兩相流影響的研究取得了明顯進步。Konishi和Mudawar[2]對在微重力下的流動沸騰和臨界熱流密度的研究予以了綜述，指出了激發(fā)流動沸騰CHF發(fā)生的四種模型，即邊界層分離型、氣泡聚集型、粘性底層燒干型和氣液相界面離壁型。Gelata和Mariani[3]對流動沸騰臨界熱流密度研究予以了概括，給出了影響因素、擬合公式及預測模型。Cornwell和Kew[4]對R113在1.2mm×0.9mm矩形通道流動進行了實驗研究。觀察到窄小通道內三種流型，即游離氣泡流、受限氣泡流和環(huán)—塞狀流。Choi[5]等比較了在微重力、1g和2g環(huán)境下空氣-水沿內徑10mm圓管的流型。他們發(fā)現(xiàn)低流速使得微重力環(huán)境的表面張力扮演主導角色，產生氣泡流；而在地球重力和2g環(huán)境則生成分層流和塞狀流。李勇[6]等通過實驗發(fā)現(xiàn)，窄縫通道在相同實驗工況下的CHF基本不受流道間距的影響。張鵬 等[7]以液氮為工質，選用3個不同長度和窄縫間距尺寸的通道進行實驗，實驗顯示CHF隨著間距的增大而增大。另外，國內外對微小矩形管道?內的兩相流沸騰換熱進行了不少研究，并分析了各種因素對CHF的影響。研究表明工質物性參數(shù)、質量流速、入口溫度、管道的結構及尺寸、管道的加熱方位及工質流動方式等[8-15]都會影響兩相流CHF。

綜上所述，雖然一直以來針對兩相流動沸騰換熱的研究很多，也提出了一些CHF的分析模型和預測公式，但是對流動沸騰臨界熱流密度機理并未形成統(tǒng)一的認識，仍需要大量的理論和實驗研究。由于超重力環(huán)境難于實現(xiàn)，超重力作用下的流動沸騰CHF特性的研究明顯欠缺。本文以旋轉平臺離心力模擬超重力，采用單側加熱矩形通道，對逆向載荷下兩種加熱方位下蒸餾水流動沸騰的CHF特性進行了實驗研究。

1 實驗裝置與實驗步驟

旋轉平臺為本次實驗提供逆載，如圖1所示。旋轉平臺為直徑為2m的圓形鋼盤，其厚度為20mm，設計的最大旋轉速度為200r/min，由380V電壓的三相交流電機驅動。實驗段在平臺上的布置如圖2所示，流體由外向內徑向流動。

圖1 旋轉平臺簡圖

圖2 轉臺上實驗段位置示意圖

流動沸騰臨界熱流密度實驗系統(tǒng)回路見圖3，由儲液罐、離心水泵、軟管、過濾閥、預熱器、加熱器、電動閥門、實驗段、風冷冷凝器等組成。

圖3 實驗回路簡圖

測試系統(tǒng)包括流量計、熱電阻、壓力傳感器、壓差變送器等儀器，數(shù)據采集控制系統(tǒng)包括ADAM數(shù)據采集模塊和計算機，以此獲取溫度、壓力、壓差、逆載、流量、熱流密度等數(shù)據。測量儀器及精度如表1所示。

表1 測量儀器及精度

實驗段的結構和測溫點布局見圖4。加熱銅塊上的兩個直徑10mm孔洞供加熱棒放置。實驗段采用鋼化玻璃粘接的矩形通道和無氧純銅塊（供單側加熱）組成。在五個節(jié)點處布置10個熱電阻，以獲取溫差，進而算出熱流密度。

實驗中測量的是加熱銅塊不同位置的溫度，用一維導熱傅里葉公式算出有效熱流密度：

式中：為銅塊的熱傳導系數(shù)；T、T分別為同一節(jié)點處下面和上面的測溫點溫度；為上下兩測溫點的間距。

式中：為上面測溫點距離加熱塊上表面的距離，為2mm。

實驗步驟：

（1）開啟實驗回路至較大流量，打開加熱器與預熱器將蒸餾水溫度燒至實驗所需值；

（2）調節(jié)變頻器使轉臺轉速至所需逆載的預定值；

（3）調節(jié)電動閥門，使液體流量穩(wěn)定在所需工況值；

（4）通過可控硅變壓器調節(jié)預熱器功率，使實驗段入口溫度達到預定值；

（5）通過可控硅變壓器調節(jié)實驗段加熱功率，使其緩慢地上升，當上部測溫點溫度出現(xiàn)突升時，實驗段的熱流密度達到臨界，用遙控開關迅速切斷加熱電源和預熱電源，以保證實驗安全；

（6）改變質量流速和入口溫度，重述步驟（2）-（5）；

注意事項：為確保銅塊加熱面光滑，要定期取下加熱塊，用砂紙對其進行打磨，除去水垢，另外過濾器也需定期檢查清理。

2 實驗結果分析及討論

2.1 臨界實驗中典型參數(shù)

圖5為實驗段（寬4mm，高10mm）在整個實驗過程中壁面溫度、進口壓力及壓降、質量流速和加熱熱流隨時間變化關系。實驗條件為逆載G=0.5、質量流速=310kg/(m2·s)、入口溫度T=80℃、加熱方位=0°，即加熱面朝上。

（a）壁面溫度變化曲線

（b）進口壓力變化曲線

（c）實驗段壓降變化曲線

（d）質量流速和熱流密度變化曲線

圖5 加熱壁面溫度、進口壓力、實驗段壓降、質量流速和熱流密度隨時間的變化

Fig.5 Variation of wall temperature, inlet pressure. pressure drop, mass velocity and heat flux with time

從圖5（a）中可以看出，測點溫度經歷四個階段：迅速上升；緩慢上升；溫度突升；溫度迅速下降。在0～120s內，壁面溫度上升迅速，這時為單相換熱，換熱系數(shù)較低。實驗到120s后，流體開始沸騰，這時為兩相換熱，換熱量增加，壁面溫度上升趨緩。隨著實驗的進行，到480s時，壁面溫度驟然升高，同時熱流密度迅速下降，此時傳熱惡化，臨界換熱發(fā)生。然后，關閉加熱電源，壁面被流體迅速冷卻，溫度下降。圖5（b）和圖5（c）所示為實驗段進口壓力和實驗段壓降變化：單相換熱階段實驗段進口壓力和壓降受擾動較小，基本不發(fā)生波動；兩相換熱階段，實驗段進口壓力和壓降劇烈波動，這與實驗段內氣泡的迅速產生和消亡有關；關閉加熱電源后實驗段進口壓力和壓降趨于平緩，逐漸回歸至初始狀態(tài)。圖5（d）為質量流速與有效加熱熱流密度的變化。從中可以看出，有效加熱熱流密度不斷增大，質量流速開始慢慢減小，這是因為氣泡生長由低熱流密度下的分散狀態(tài)，逐漸聚合形成大氣泡或者大氣塊，汽化相變也導致了流體體積膨脹，這些都增加了流阻，導致實驗段壓降增大，而在實驗回路中，使用的是固定功率水泵，由于流阻增大，導致流動減弱，質量流速減小。

2.2 質量流速對臨界熱流密度的影響

圖6為加熱方位=0°時，入口溫度為70℃和80℃時，質量流速和逆載對CHF的影響。從中可以看出，CHF隨著逆載的增大而增大，質量流速為=412kg/(m2·s)時的CHF大于質量流速為=310kg/(m2·s)時的CHF。主要原因是離心力方向與流動方向相反，增強了矩形通道內循環(huán)工質的擾動，逆載越大，擾動情況越明顯，氣泡的產生和破裂也就越劇烈，必須在較大的加熱功率下才能達到臨界換熱現(xiàn)象。對于較大的質量流速，要使其達到臨界換熱，自然需要的熱流密度也更大。

圖6 質量流速和逆載對CHF的影響

2.3 入口溫度對臨界熱流密度的影響

圖7所示為加熱方位=0°時，質量流速分別為=310kg/(m2·s)、=412kg/(m2·s)時，不同入口溫度下CHF隨著逆載的變化。從圖中可以看出，CHF隨著逆載的增大而增大；隨著入口溫度的升高反而下降。主要原因是入口溫度越高，其過冷度越小，氣泡生成的速度會更快，氣泡更易聚集形成大氣泡或者大氣塊，進而增大了熱阻，使得沸騰流動臨界換熱更易達到，因此所需CHF值更小。

圖7 入口溫度和逆載對CHF的影響

2.4 加熱方位對臨界熱流密度的影響

圖8 加熱方位和逆載對CHF的影響

圖8為在質量流速=310kg/(m2·s)，入口溫度T=80℃時，兩種不同的加熱方位=0°（加熱面朝上）、=180°（加熱面朝下）的CHF隨逆載的變化。從圖中可以看出，加熱面朝上的CHF遠大于加熱面朝下的；不論是加熱面朝上還是朝下，CHF均是隨著逆載的增加而增加，只是加熱面朝下時的增幅小于加熱面朝上的。

原因是，加熱面朝上時通道內產生的汽泡會在浮力的作用下，遠離加熱面，故而形成膜態(tài)沸騰需要更高的壁面溫度，壁溫的升高需要更大的熱流密度，而加熱面朝下時流道內的汽泡一產生便會在汽化核心附近停留并聚合，更容易形成氣膜，因此所需熱流密度較小。

3 結論

本文對不同加熱方位下逆載對橫截面為10mm×4mm的矩形通道內流動沸騰CHF的影響進行了實驗研究。對質量流速、入口溫度、逆載、加熱方位等四種因素對矩形通道內流動沸騰CHF的影響進行分析后，得出如下結論：

（1）在同樣的質量流速和入口溫度下，逆載增大則CHF增加；在相同的逆載作用下，CHF隨著質量流速增大而增大，隨著入口溫度的升高反而降低。

（2）加熱方位對流動沸騰CHF有較大影響，相同工況下，加熱面向上時的CHF比加熱面向下時的CHF大。

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Critical Heat Flux for Water Flow Boiling in a Rectangular Tube Under Inverse Load

Zhang Zhao Song Baoyin Song Junhui Li Gang

( College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016 )

Critical heat flux is an important parameter in flow boiling. Experimental investigation into flow boiling CHF characteristics in a rectangular tube under inverse load was performed on a rotational platform for distilled water heated unilaterally in two orientations. The change trends of mass velocity, inlet pressure, the pressure drop in test section and wall temperature before and after reaching CHF were obtained. The effects of inverse load, inlet temperature, mass velocity and heating orientation on flow boiling CHF were analyzed. The results show that the wall temperature rises rapidly, the effective heat flux decreases, the pressure drop increases and the mass velocity decreases after the critical heat transfer occurs. CHF increases with the increases of mass velocity and the inverse load, but decreases with the increase of inlet water temperature. Heating orientation has an obviously influence on CHF.

inverse load; critical heat flux; rectangular tube; heating orientation; experimental investigation

V211.1

A

國家自然科學基金資助項目（50576035）

張 釗（1987-），男，博士研究生，E-mail：jjhon@163.com

宋保銀（1956-），男，教授，E-mail：bysong@nuaa.edu.cn

2017-11-23

1671-6612（2018）05-470-06