螺旋管外空气-蒸汽冷凝强化传热实验研究

李文涛, 边浩志, 代丽红, 周书航, 吴桐雨, 丁铭

(1.哈尔滨工程大学 核科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 2.哈尔滨工程大学 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001; 3.中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430064)

福岛核事故之后,人们越来越重视核安全。由于安全壳是防止放射性物质进入外界的第3道屏障,发生事故时应采用有效措施以保证安全壳不被破坏。当核反应堆发生主蒸汽管道破裂或失水事故时,会有大量高温蒸汽从一回路中进入到安全壳里的大气空间中,为了防止安全壳被破坏,在目前的一些反应堆(如“华龙一号”)都已经设置了非能动安全壳热量导出系统(passive containment heat removal system,PCS)[1-3],通过安全壳外的换热水箱和安全壳内的PCS换热器,对安全壳中的含空气蒸汽进行冷凝,非能动地将安全壳内的热量导出,对安全壳进行降温降压,这对提高反应堆的安全性、减小核事故的发生起到了重要作用。空气的存在使得蒸汽冷凝换热效果大幅降低,传统的纯蒸汽冷凝得到的研究结论不再适用,需要对含空气蒸汽冷凝进行单独研究。

对于含空气蒸汽冷凝,已有研究大多对竖直管或平板进行研究,提出了一些关联式[4-10]。而对于强化换热管的研究较少,且强化效果不明显[11-13]。螺旋管作为一种常用的强化换热管,在管内和管外都可有一定的强化效果。本文对螺旋管管外含空气蒸汽冷凝进行了实验研究,分析了螺旋管对管外含空气蒸汽冷凝的影响。

1 实验装置

1.1 实验装置组成

本实验的实验装置为COAST实验台架,装置如图1所示。实验台主要由压力壳、供气系统、电加热系统、冷却水系统、数据采集系统组成。压力壳外部包有保温材料,用来减少压力壳的散热。实验管放置在压力壳中央,除换热段其余部分用隔热材料包裹。在实验管两侧分别布置了6个铂电阻,用于测量压力壳内混合气体的温度,在进出口处各一个铂电阻用于测量进出口温度,压力壳上安装一个压力传感器用于测量壳内压力值。

图1 COAST实验台架Fig.1 COAST experimental device

压力壳是直径为1.5 m,高度为3.5 m的不锈钢压力容器,实验中通过电加热器产生蒸汽,为实验提供所需的温度、压力和空气浓度。

供气系统主要由空气压缩机、储气罐、减压阀以及相应管线、阀门等组成。从储气罐输出的压缩空气通过输气管输入压力壳。

冷却水系统由循环水泵、冷却水箱、电磁流量计、空气冷却塔以及相关管路阀门组成。空气冷却塔用于保证水箱内水的温度处在合适的范围实验过程中通过调节冷却水流经实验段之前的入口阀门的开度控制冷却水流量。通过调节流量使壁面过冷度处在预定范围。

实验需要测量的物理参数主要包括温度、压力和流量,这些参数分别采用铂电阻、压力传感器和流量计进行采集。测量得到的电子信号统一输入到NI数据采集系统。数据采集系统将测量信号转化为相应的物理参数实时显示,同时对测量数据进行实时保存。

在实验中,通过空气供应系统向压力壳中充入空气调节所需的空气含量;电加热系统对压力壳底部的水进行加热产生蒸汽,通过调节加热器功率来调节实验所需的压力、温度等参数;通过调节水泵流量调节壁面过冷度。数据采集系统将实验中产生的温度、压力、流量等参数采集并记录。

1.2 实验管及实验工况

实验用的螺旋管如图2所示,3根管均为不锈钢材料制成,换热管外径分别为19、25、38 mm。3根管的螺距均为200 mm,螺旋半经均为200 mm。

图2 螺旋管实物Fig.2 Solid figure of spiral tube

本实验通过调节电加热器功率使压力壳内的压力稳定在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.3 MPa,空气质量分数控制在15%～75%。

2 实验数据处理

忽略隔热材料的散热,冷凝放出的热量等于冷却水吸收的热量,即冷却水的焓升乘以质量流量。可得换热量为：

Q=G(Hout-Hin)

管外冷凝换热系数为换热量除以换热管外表面积及壁面过冷度：

其中气空间温度Ts由铂电阻直接测量得到,外壁温To可由Gnielinski公式及热阻传递公式得到[14],即由公式：

得到：

其中f为管内流动阻力系数：

f=(1.82lgRe-1.64)-2

cr为螺旋管修正系数：

cr=1+10.3(do/R)3

式中：Q为换热量,W;Hin和Hout为进出口水焓值,J;Ts为气空间温度,℃;Ti为内壁温度,℃;To为外壁温度,℃;Ao为外壁面面积,m2;Ai为内壁面面积,m2;Nu为努塞尔数,Nu=1;Re为雷诺数,Re=1;Pr为普朗特数,Pr=1;do为管外直径,m;di为管内直径,m;L为管长,m;λf为水的导热系数,W/(m·K);λs为管的导热系数,W/(m·K);R为螺旋管螺旋半径,m。

3 实验结果分析

3.1 管径对换热的影响

本研究对管径为19、25、38 mm的螺旋管分别进行了实验,其中压力0.4 MPa空气质量分数73%和压力0.6 MPa空气质量分数46%时冷凝换热系数随壁面过冷度的变化如图3所示。由图中可以看出,不同管径的变化规律基本相同,随着壁面过冷度的增加,冷凝换热系数逐渐减小。换热系数随着管径的减小而增大。在相同工况下,管径19 mm的螺旋管的换热系数分别为25 mm螺旋管的1.30倍、38 mm螺旋管的1.55倍。这与竖直管实验变化趋势一致。异形强化换热管设计时,管径的选取可以参照数值管的结果,结构改变并不会对随管径变化规律产生较大影响。

图3 管径对换热的影响Fig.3 Effect of tube diameter on heat transfer

已有研究表明,蒸汽冷凝后,空气会留在管外壁附近形成高浓度空气层,管外的高浓度空气层是含空气蒸汽冷凝传热的主要热阻。管径变化主要会影响对空气层的束缚能力。管径越大,对空气的束缚能力越强,平板时最强,仅垂直换热面的扰动才会影响空气层。管径小时,空气层较难吸附在管壁附近,在流动时更容易脱离壁面,使得管径小时,换热系数更大。

3.2 螺旋管与竖直管换热对比

同一实验台数据得到的竖直管的实验关联式为[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为管长,m;d为管径,m;θ为倾斜角,(°);P为压力,MPa;ωa为空气质量分数,%;ωv为蒸汽质量分数,%;ΔT为壁面过冷度,℃。公式适用范围为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 ℃。

实验开始时注入空气,然后通过调整加热功率改变压力。实验中不同压力对应的空气质量分数如表1所示。

表1 各压力工况下空气质量分数Table 1 Air mass fraction at each pressure condition

将25 mm螺旋管实验数据与关联式得到的竖直管结果进行比较,0.2～1.3 MPa结果如图4所示。从图中可以看出：0.2 MPa时,换热系数比竖直管要小,当压力大于0.4 MPa时,螺旋管较竖直管有一定强化换热效果,且压力越大强化效果越大。0.2 MPa时螺旋管的冷凝换热系数比竖直管低2%左右,0.4、0.6、0.8、1.0、1.3 MPa时螺旋管的冷凝换热系数分别比竖直管增强6%、10%、25%、40%、65%左右。

图4 螺旋管与竖直管换热系数对比Fig.4 Comparison of heat transfer coefficient between spiral tube and plain tube

竖直管在冷凝时,空气层向下会逐渐积累增厚,从而换热系数向下逐渐减小。螺旋管可以看成多段倾斜管组成,相较于竖直管,螺旋管上方空气不容易聚集,空气在重力作用下会向下脱落,且向下有一定速度,会冲刷下一层的螺旋管管壁。压力越高,壳内的温度越高,分子热运动较大,向下冲刷及管附近扰动更加明显,从而压力较高时螺旋管较竖直管换热增强效果更明显。

螺旋管与竖直管的换热量对比如图5所示,可以看出螺旋管较竖直管换热量有很大提升,压力升高,换热量提高越大,1.3 MPa时换热量为竖直管的10倍左右。0.2 MPa时换热系数较竖直管有所降低,但换热量仍为竖直管的5.7倍左右。可以看出在单位高度上螺旋管换热量较竖直管提升明显,可以排走更多的热量。

图5 螺旋管与竖直管换热量对比Fig.5 Comparison of heat transfer rate between spiral tube and plain tube

3.3 空气质量分数对换热的影响

为了研究空气质量分数对换热的影响,应用25 mm管在0.4、1.3 MPa通过调整空气质量分数为70%、50%、36%附近分别进行实验。实验结果如图6所示。可以看出,螺旋管和竖直管的变化趋势一致,空气含量越低,换热系数越高,这是由于空气含量低形成的高浓度空气层越薄,浓度越低,从而热阻更小,换热效果更好。

图6 空气质量分数对换热影响Fig.6 Effect of mass fraction of air on heat transfer

当压力为0.4 MPa时,空气质量分数为70%、50%、36%时螺旋管较竖直管的强化效果分别为-3%、4%、9%左右;1.3 MPa时强化效果分别为16%、33%、63%左右。螺旋管较竖直管的强化换热效果随空气质量分数的增大而减小。0.4 MPa高空气质量分数时会出现传热恶化。在同一空气质量分数下,压力越高强化换热效果越明显,空气含量越低强化效果越明显。与3.2节分析结果一致,压力越高,分子热运动更剧烈,空气层更容易产生波动,蒸汽越容易穿过空气层到达壁面进行冷凝;气体更容易向下流动,对下方的部分冲刷更明显,因而强化效果更好。

4 结论

1)管径对螺旋管的影响与竖直管一致,在其他条件相同的情况下,管径越小,换热系数越大。管径19 mm的螺旋管换热系数分别为25 mm管的1.30倍、38 mm管的1.55倍。

2)螺旋管在低压、高空气质量分数的情况下,换热效果比竖直管差,换热系数低3%左右,但换热量仍为竖直管的5倍以上。螺旋管在压力高时有很好的强化换热效果,当压力1.3 MPa时,换热系数比竖直管高65%左右。

3)同一压力下,空气质量分数越高,螺旋管强化效果越差,压力越高差别越明显。空气质量分数0.7和0.36时在0.4 MPa强化效果相差12%;1.3 MPa时可相差47%。

未来需要进一步考虑由螺旋管组成的管束的换热特性,为换热器的优化设计提供支持。