戴楊洋，陶樂(lè)仁，渠慎玄

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

板式升膜蒸發(fā)器具有優(yōu)良的換熱性能，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種新型換熱器［1-4］。蒸發(fā)器在其工作過(guò)程中不僅僅包括持續(xù)正常運(yùn)行過(guò)程，還包括其運(yùn)行前的啟動(dòng)狀態(tài)和停止運(yùn)行狀態(tài)。渠慎玄等［5］設(shè)計(jì)搭建的熱泵廢堿液回收系統(tǒng)以板式換熱器作為蒸發(fā)器。吳東根等［6］的研究表明，大容量鍋爐再熱器在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生瞬間溫度過(guò)沖突變，嚴(yán)重時(shí)直接影響再熱器的安全運(yùn)行。李興培等［7］研究了鍋爐設(shè)備在啟動(dòng)過(guò)程中汽包壁面溫度差過(guò)大的問(wèn)題，并通過(guò)采取一定的改進(jìn)措施，有效地將汽包壁面溫度差控制在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。孫中寧等［8］在常壓下對(duì)豎直環(huán)隙窄流道及光滑管內(nèi)沸騰換熱啟動(dòng)階段的壁面溫度變化規(guī)律進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，熱流密度、水入口過(guò)冷度、初始水溫、不凝性氣體都會(huì)影響壁面溫度的變化特性。Allen 等［9］采用外加電場(chǎng)的方法消除了沸騰滯后現(xiàn)象，使R-114 在翅片管上的沸騰傳熱系數(shù)增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

本文以去離子水為工質(zhì)，對(duì)豎直矩形窄通道在啟動(dòng)過(guò)程中的壁面溫度變化進(jìn)行研究，對(duì)比一次啟動(dòng)和二次啟動(dòng)時(shí)壁面溫度的變化，并研究入口水溫對(duì)啟動(dòng)壁面溫度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。水箱中的去離子水經(jīng)過(guò)恒壓泵后再經(jīng)過(guò)恒溫水浴達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需入口溫度，在實(shí)驗(yàn)段中與鍋爐產(chǎn)生的蒸汽換熱，后經(jīng)冷凝器冷凝回到水箱，完成循環(huán)。水流量由浮子流量計(jì)測(cè)量，蒸汽質(zhì)量流量由稱(chēng)重法測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)段整體由螺栓及固定支架固定。實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)段形狀為兩側(cè)矩形窄縫，由鋼化玻璃、矩形聚四氟乙烯密封圈、保溫層、實(shí)驗(yàn)段銅板等組成。加熱側(cè)鋼板長(zhǎng)800 mm、寬300 mm、厚20 mm，可視化側(cè)鋼板中間做鏤空處理。實(shí)驗(yàn)段為銅板與鋼化玻璃組成的矩形窄通道，尺寸為720 mm × 250 mm × 3.5 mm。銅板上的熱電偶分布如圖3 所示，4 組熱電偶均勻布置在兩側(cè)壁面上用于測(cè)量通道中的壁面溫度。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍

實(shí)驗(yàn)段壓力為0.101～0.201 MPa，水的質(zhì)量流量為7～11 kg·h-1，水入口溫度為27～60 ℃，加熱功率為0～20 kW·m-2。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由于實(shí)驗(yàn)段與環(huán)境有溫差，實(shí)驗(yàn)段與環(huán)境會(huì)存在對(duì)流換熱，造成熱損失。根據(jù)水單相流動(dòng)時(shí)的能量守恒可以確定熱損失，即

式中：Cp為定壓比熱容，kJ·kg-1·K-1；G為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg·s-1；ti、to分別為工質(zhì)側(cè)通道進(jìn)口和出口水溫，K。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)約有14%的熱損失。

圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental device

圖 2 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure of the test segment

圖 3 熱電偶布置示意圖Fig. 3 Arrangement of the thermocouples

鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)窄通道冷凝為飽和液體，其顯熱相對(duì)于潛熱可以忽略。其中蒸汽加熱量Q為

式中：Gv為蒸汽質(zhì)量流量，kg·s-1，hi、ho分別為蒸汽流道進(jìn)口、出口時(shí)流體對(duì)應(yīng)的焓值，kJ·kg-1。

計(jì)入熱損失后的平均熱流密度q為

式中，A為加熱面積，A= 0.18 m2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為使溫度的測(cè)量值更加準(zhǔn)確，在實(shí)驗(yàn)段設(shè)置了4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1、2、3、4，記錄0～700 s 內(nèi)一次啟動(dòng)與二次啟動(dòng)時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖4 所示。鍋爐加熱功率為1.83 kW，實(shí)驗(yàn)段工質(zhì)質(zhì)量流量為9 kg·h-1，平均熱流密度為10.18 kW·m-2，入口溫度為27 ℃。

圖 4 啟動(dòng)過(guò)程壁面溫度變化Fig. 4 Wall temperature evolution during the start-up process

圖4（a）為實(shí)驗(yàn)段由開(kāi)始啟動(dòng)加熱到整個(gè)流道內(nèi)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)壁面溫度的變化。從圖中可以明顯看到，壁面溫度的上升可以分為三個(gè)階段：

（1）壁面溫度急劇上升階段。此時(shí)最先升溫的是測(cè)點(diǎn)1、2，這是因?yàn)榧訜岜诿媾c工質(zhì)間主要以導(dǎo)熱方式進(jìn)行換熱，各局部壁面溫差較大，壁面溫度急劇上升。

（2）壁面溫度緩慢升高階段。該階段加熱壁面與工質(zhì)間的換熱形式由導(dǎo)熱逐漸過(guò)渡到單相對(duì)流換熱。隨著對(duì)流換熱的進(jìn)行，加熱腔內(nèi)蒸汽溫度和壓力緩慢上升，壁面溫度緩慢升高，但由于主流溫度低于飽和溫度，加熱腔內(nèi)仍有少量氣泡出現(xiàn)，且氣泡呈彌散狀，出現(xiàn)了過(guò)冷沸騰現(xiàn)象。但過(guò)冷沸騰對(duì)壁面溫度的影響不大，過(guò)冷沸騰中汽泡吸收的熱量略大于壁面?zhèn)鬟f給汽泡的熱量，在此階段壁面溫差有小幅降低，但對(duì)壁面溫度的影響不大，該過(guò)程可近似為等壁面溫度換熱過(guò)程。

（3）壁面溫度緩慢上升至最高溫度后又緩慢降至穩(wěn)態(tài)飽和沸騰階段。在此階段500～600 s時(shí)工質(zhì)與加熱壁面的換熱形式是過(guò)冷沸騰向飽和沸騰的過(guò)渡階段即飽和核態(tài)沸騰階段。在飽和核態(tài)沸騰起始點(diǎn)區(qū)域，壁面溫度出現(xiàn)一個(gè)最大值。這是因?yàn)轱柡秃藨B(tài)沸騰的產(chǎn)生條件就是需要足夠的過(guò)熱度，此時(shí)汽泡吸收的熱量大于壁面?zhèn)鬟f給汽泡的熱量，從而導(dǎo)致飽和核態(tài)沸騰階段有較高的換熱系數(shù)。此后沸騰產(chǎn)生并迅速達(dá)到飽和沸騰，此時(shí)壁面溫度略有小幅下降。

在一次啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)沸騰后，為了去除壁面不凝性氣體，再加熱0.5 h，然后冷卻至室溫后，再以相同的加熱功率重新啟動(dòng)，此時(shí)去離子水中不凝性氣體含量大大減少，得到的壁面溫度變化如圖4（b）所示。對(duì)比圖4（a）、（b）發(fā)現(xiàn)，圖4（a）中表現(xiàn)出的沸騰熱滯后現(xiàn)象不是很明顯，而圖4（b）產(chǎn)生了明顯的沸騰熱滯后現(xiàn)象。沸騰熱滯后現(xiàn)象是指沸騰起始時(shí)壁面溫度過(guò)度升高的現(xiàn)象。一次啟動(dòng)時(shí)，工質(zhì)在流道出口處劇烈沸騰，飽和壓力為0.112 MPa，出口溫度為101 ℃；二次啟動(dòng)時(shí)，流道出口處沸騰壓力為0.112 MPa，出口溫度為103 ℃。熱電偶的測(cè)量誤差遠(yuǎn)小于兩次實(shí)驗(yàn)溫差，并且兩次實(shí)驗(yàn)工況相同，流體波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)影響很小，所以?xún)纱螌?shí)驗(yàn)溫度變化的差別可能是由于一次啟動(dòng)時(shí)吸附于加熱壁面上的不凝性氣體受熱膨脹，從而在汽化核心處形成的大量汽泡覆蓋在壁面上所導(dǎo)致。隨著加熱的進(jìn)行，小汽泡不斷長(zhǎng)大、脫落、上浮，最后在工質(zhì)表面破裂。這些小汽泡一方面自身帶走熱量，另一方面又增加了壁面附近的擾動(dòng)和工質(zhì)循環(huán)，從而降低了核化溫度。但當(dāng)去除不凝性氣體后再以相同加熱功率重新啟動(dòng)時(shí)，在產(chǎn)生過(guò)冷沸騰之前，可以觀(guān)察到壁面上有一些零星的小汽泡產(chǎn)生，但數(shù)量很少，減少了壁面擾動(dòng)及工質(zhì)循環(huán)，因而產(chǎn)生了明顯的沸騰熱滯后現(xiàn)象。因此，在換熱器啟動(dòng)時(shí)為了消除壁面溫度過(guò)沖帶來(lái)的危險(xiǎn)，可以采用相對(duì)粗糙的表面、設(shè)置人字形槽道或在壁面附近引入不凝性氣體，這樣可以使壁面溫度上升比較平穩(wěn)。

在工質(zhì)流量、平均熱流密度均不變的情況下，改變工質(zhì)側(cè)進(jìn)口溫度，得到的啟動(dòng)壁面溫度變化如圖5 所示，圖中入口溫度分別為27、60 ℃，加熱功率均為8.49 kW·m-2。

圖 5 不同入口溫度時(shí)啟動(dòng)壁面溫度的變化Fig. 5 Wall temperature evolution at different inlet temperatures

對(duì)比圖5（a）、（b）發(fā)現(xiàn)，同樣的平均熱流密度下，入口溫度為27 ℃時(shí)測(cè)點(diǎn)1、3 的溫度波動(dòng)大于入口溫度為60 ℃時(shí)的波動(dòng)，基本上相差3～5 ℃。這說(shuō)明初始入口溫度對(duì)壁面溫度波動(dòng)有一定的影響。適當(dāng)提高入口溫度可增加飽和沸騰段，減少壁面溫度的波動(dòng)，使得壁面溫度上升較平緩，在一定程度上可避免壁面溫度過(guò)沖對(duì)換熱器的損壞。

3 結(jié) 論

（1）矩形窄通道啟動(dòng)過(guò)程中壁面溫度變化經(jīng)歷三個(gè)階段，即急劇上升階段、緩慢升高階段、緩慢上升至最高壁面溫度并產(chǎn)生小幅回落后又緩慢降至穩(wěn)態(tài)飽和沸騰階段。

（2）在換熱器啟動(dòng)時(shí)為了消除壁面溫度過(guò)沖帶來(lái)的危險(xiǎn)，采用相對(duì)粗糙的表面、設(shè)置人字形槽道或在壁面附近引入不凝性氣體，可以使壁面溫度上升較平穩(wěn)。

（3）適當(dāng)提高入口溫度可增加飽和沸騰段，減少壁面溫度的波動(dòng)，使得壁面溫度上升較平緩，在一定程度上可避免壁面溫度過(guò)沖對(duì)換熱器的損害。