逆向载荷下矩形通道内水流动沸腾临界热流密度

张 钊 宋保银 宋军辉 李 冈



逆向载荷下矩形通道内水流动沸腾临界热流密度

张 钊 宋保银 宋军辉 李 冈

（南京航空航天大学航空宇航学院 南京 210016）

临界热流密度（CHF）是流动沸腾过程中一个重要的参数，在旋转平台上以蒸馏水为工质，采用单侧加热的矩形通道，对逆向载荷下两种不同加热方位下的流动沸腾CHF特性进行了实验研究，获得了逆载下发生临界换热时的质量流速、入口压力、实验段压降和壁温的变化特性。研究讨论了逆载、入口温度、质量流速和加热方位对CHF的影响。结果表明：临界换热现象发生时，壁温迅速上升，有效热流密度迅速减少，实验段压降增大，质量流速减小；逆载和质量流速越大，CHF越大；入口温度越高，CHF越小，同时加热方位对CHF也有明显影响。

逆载；临界热流密度；矩形通道；加热方位；实验研究

0 引言

临界热流密度CHF（Critical Heat Flux）是沸腾换热中一个重要的参数。当临界热流现象发生时，会在流体与加热面之间形成一层蒸汽膜阻碍液体补充到加热面上，此时湿润的壁面向着干斑转变，传热系数迅速降低，壁温急剧升高，进而导致换热设备发生故障[1]。因此，对CHF的准确预测对于热力系统的安全运行非常重要。

近年来窄通道内两相流临界热流密度和质量力对两相流影响的研究取得了明显进步。Konishi和Mudawar[2]对在微重力下的流动沸腾和临界热流密度的研究予以了综述，指出了激发流动沸腾CHF发生的四种模型，即边界层分离型、气泡聚集型、粘性底层烧干型和气液相界面离壁型。Gelata和Mariani[3]对流动沸腾临界热流密度研究予以了概括，给出了影响因素、拟合公式及预测模型。Cornwell和Kew[4]对R113在1.2mm×0.9mm矩形通道流动进行了实验研究。观察到窄小通道内三种流型，即游离气泡流、受限气泡流和环—塞状流。Choi[5]等比较了在微重力、1g和2g环境下空气-水沿内径10mm圆管的流型。他们发现低流速使得微重力环境的表面张力扮演主导角色，产生气泡流；而在地球重力和2g环境则生成分层流和塞状流。李勇[6]等通过实验发现，窄缝通道在相同实验工况下的CHF基本不受流道间距的影响。张鹏 等[7]以液氮为工质，选用3个不同长度和窄缝间距尺寸的通道进行实验，实验显示CHF随着间距的增大而增大。另外，国内外对微小矩形管道内的两相流沸腾换热进行了不少研究，并分析了各种因素对CHF的影响。研究表明工质物性参数、质量流速、入口温度、管道的结构及尺寸、管道的加热方位及工质流动方式等[8-15]都会影响两相流CHF。

综上所述，虽然一直以来针对两相流动沸腾换热的研究很多，也提出了一些CHF的分析模型和预测公式，但是对流动沸腾临界热流密度机理并未形成统一的认识，仍需要大量的理论和实验研究。由于超重力环境难于实现，超重力作用下的流动沸腾CHF特性的研究明显欠缺。本文以旋转平台离心力模拟超重力，采用单侧加热矩形通道，对逆向载荷下两种加热方位下蒸馏水流动沸腾的CHF特性进行了实验研究。

1 实验装置与实验步骤

旋转平台为本次实验提供逆载，如图1所示。旋转平台为直径为2m的圆形钢盘，其厚度为20mm，设计的最大旋转速度为200r/min，由380V电压的三相交流电机驱动。实验段在平台上的布置如图2所示，流体由外向内径向流动。

图1 旋转平台简图

图2 转台上实验段位置示意图

流动沸腾临界热流密度实验系统回路见图3，由储液罐、离心水泵、软管、过滤阀、预热器、加热器、电动阀门、实验段、风冷冷凝器等组成。

图3 实验回路简图

测试系统包括流量计、热电阻、压力传感器、压差变送器等仪器，数据采集控制系统包括ADAM数据采集模块和计算机，以此获取温度、压力、压差、逆载、流量、热流密度等数据。测量仪器及精度如表1所示。

表1 测量仪器及精度

实验段的结构和测温点布局见图4。加热铜块上的两个直径10mm孔洞供加热棒放置。实验段采用钢化玻璃粘接的矩形通道和无氧纯铜块（供单侧加热）组成。在五个节点处布置10个热电阻，以获取温差，进而算出热流密度。

实验中测量的是加热铜块不同位置的温度，用一维导热傅里叶公式算出有效热流密度：

式中：为铜块的热传导系数；T、T分别为同一节点处下面和上面的测温点温度；为上下两测温点的间距。

式中：为上面测温点距离加热块上表面的距离，为2mm。

实验步骤：

（1）开启实验回路至较大流量，打开加热器与预热器将蒸馏水温度烧至实验所需值；

（2）调节变频器使转台转速至所需逆载的预定值；

（3）调节电动阀门，使液体流量稳定在所需工况值；

（4）通过可控硅变压器调节预热器功率，使实验段入口温度达到预定值；

（5）通过可控硅变压器调节实验段加热功率，使其缓慢地上升，当上部测温点温度出现突升时，实验段的热流密度达到临界，用遥控开关迅速切断加热电源和预热电源，以保证实验安全；

（6）改变质量流速和入口温度，重述步骤（2）-（5）；

注意事项：为确保铜块加热面光滑，要定期取下加热块，用砂纸对其进行打磨，除去水垢，另外过滤器也需定期检查清理。

2 实验结果分析及讨论

2.1 临界实验中典型参数

图5为实验段（宽4mm，高10mm）在整个实验过程中壁面温度、进口压力及压降、质量流速和加热热流随时间变化关系。实验条件为逆载G=0.5、质量流速=310kg/(m2·s)、入口温度T=80℃、加热方位=0°，即加热面朝上。

（a）壁面温度变化曲线

（b）进口压力变化曲线

（c）实验段压降变化曲线

（d）质量流速和热流密度变化曲线

图5 加热壁面温度、进口压力、实验段压降、质量流速和热流密度随时间的变化

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

从图5（a）中可以看出，测点温度经历四个阶段：迅速上升；缓慢上升；温度突升；温度迅速下降。在0～120s内，壁面温度上升迅速，这时为单相换热，换热系数较低。实验到120s后，流体开始沸腾，这时为两相换热，换热量增加，壁面温度上升趋缓。随着实验的进行，到480s时，壁面温度骤然升高，同时热流密度迅速下降，此时传热恶化，临界换热发生。然后，关闭加热电源，壁面被流体迅速冷却，温度下降。图5（b）和图5（c）所示为实验段进口压力和实验段压降变化：单相换热阶段实验段进口压力和压降受扰动较小，基本不发生波动；两相换热阶段，实验段进口压力和压降剧烈波动，这与实验段内气泡的迅速产生和消亡有关；关闭加热电源后实验段进口压力和压降趋于平缓，逐渐回归至初始状态。图5（d）为质量流速与有效加热热流密度的变化。从中可以看出，有效加热热流密度不断增大，质量流速开始慢慢减小，这是因为气泡生长由低热流密度下的分散状态，逐渐聚合形成大气泡或者大气块，汽化相变也导致了流体体积膨胀，这些都增加了流阻，导致实验段压降增大，而在实验回路中，使用的是固定功率水泵，由于流阻增大，导致流动减弱，质量流速减小。

2.2 质量流速对临界热流密度的影响

图6为加热方位=0°时，入口温度为70℃和80℃时，质量流速和逆载对CHF的影响。从中可以看出，CHF随着逆载的增大而增大，质量流速为=412kg/(m2·s)时的CHF大于质量流速为=310kg/(m2·s)时的CHF。主要原因是离心力方向与流动方向相反，增强了矩形通道内循环工质的扰动，逆载越大，扰动情况越明显，气泡的产生和破裂也就越剧烈，必须在较大的加热功率下才能达到临界换热现象。对于较大的质量流速，要使其达到临界换热，自然需要的热流密度也更大。

图6 质量流速和逆载对CHF的影响

2.3 入口温度对临界热流密度的影响

图7所示为加热方位=0°时，质量流速分别为=310kg/(m2·s)、=412kg/(m2·s)时，不同入口温度下CHF随着逆载的变化。从图中可以看出，CHF随着逆载的增大而增大；随着入口温度的升高反而下降。主要原因是入口温度越高，其过冷度越小，气泡生成的速度会更快，气泡更易聚集形成大气泡或者大气块，进而增大了热阻，使得沸腾流动临界换热更易达到，因此所需CHF值更小。

图7 入口温度和逆载对CHF的影响

2.4 加热方位对临界热流密度的影响

图8 加热方位和逆载对CHF的影响

图8为在质量流速=310kg/(m2·s)，入口温度T=80℃时，两种不同的加热方位=0°（加热面朝上）、=180°（加热面朝下）的CHF随逆载的变化。从图中可以看出，加热面朝上的CHF远大于加热面朝下的；不论是加热面朝上还是朝下，CHF均是随着逆载的增加而增加，只是加热面朝下时的增幅小于加热面朝上的。

原因是，加热面朝上时通道内产生的汽泡会在浮力的作用下，远离加热面，故而形成膜态沸腾需要更高的壁面温度，壁温的升高需要更大的热流密度，而加热面朝下时流道内的汽泡一产生便会在汽化核心附近停留并聚合，更容易形成气膜，因此所需热流密度较小。

3 结论

本文对不同加热方位下逆载对横截面为10mm×4mm的矩形通道内流动沸腾CHF的影响进行了实验研究。对质量流速、入口温度、逆载、加热方位等四种因素对矩形通道内流动沸腾CHF的影响进行分析后，得出如下结论：

（1）在同样的质量流速和入口温度下，逆载增大则CHF增加；在相同的逆载作用下，CHF随着质量流速增大而增大，随着入口温度的升高反而降低。

（2）加热方位对流动沸腾CHF有较大影响，相同工况下，加热面向上时的CHF比加热面向下时的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

国家自然科学基金资助项目（50576035）

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

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

2017-11-23

1671-6612（2018）05-470-06