紧凑管束蒸发换热器内水的沸腾强化换热特性

　　紧凑管束蒸发换热器内水的沸腾强化换热特性刘振华，秋雨豪（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030）一种新式满液型蒸发换热器，利用水平传热管管束间狭窄受限空间内早期沸腾强化换热机理和同一管束中两管缝隙强化沸腾换热机理，将中小热负荷条件下的自然对流换热转化为充分发展核态沸腾换热，其换热性能大大优于传统的满液型蒸发换热器。对水平传热管管束在受限空间内沸腾强化换热的，实验装置由不锈钢高压实验箱、实验管管束、不锈钢管束支架箱、加热电源和测量系统组成。传热管束由18根直径和管长相同的水平电加热管组成，呈顺排排列，每排中各管上下互相紧密接触（见）。中间一列管束中的4根管子为测量管。传热管是外径18mm总长100mm的紫铜管，内插直径为12mm、有效加热长度100mm、总长160mm的电热棒，电热棒两端各套上一根外径18mm总长40mm的聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管安装在支架箱上。聚四氟乙烯管和紫铜管端面圆周上开4个直径1. 1mm的小孔，深度达到紫铜管管长的1/2，孔内插入直径1mm的铠装式热电偶，紫铜管、电热棒和热电偶间填满焊锡。管束距离S= 0.15，0.3，0.5，1.0，2.0，4.0mm，通过更换支架箱实现不同管束距离。管束两端面用硅胶密封，气液只能沿垂直方向进出管束。实验工质是纯水。实验压力p 303MPa.传热管表面温度由4根热电偶测得的平均温度和一维圆柱导热公式推算得出。壁面热流密度qw根据传热面积和加热电功率换算得出。水的饱和温度由2根放置在管束上下部的热电偶测量，热电偶校正误差大±误差约为25，热负荷测量误差（仪器误差、传热面面积测量误差、两端散热损失）大不超过5.实验沿升温方向进行，壁面过热度ATsat是传热管表面温度减去测量到的水饱和温度，所有热电偶连接到一台数字采集系统上。实验中产生的蒸汽被实验箱上部的冷凝器冷凝成液体，通过调节冷却水流量来控制实验压力。大气压实验时，实验箱上部打开。

　　2头验结果和讨论首先用纯水对测量管进行单管池内沸腾实验。

　　结果与Stephan等的计算式十分符合，确认了实验装置的可靠性。本文对单管实验结果不作讨论。

　　差大0.206m可能引引起的壁面过热度大1相对ublish友（a）给出了在大气压下，管束距离S对下部管（管D）换热特性的影响。对下部管，S对换热特性没有显著影响，不同S对应的沸腾曲线比较接近，密度范围内，0. 5mm时的沸腾曲线十分陡直，显示出充分发展核态沸腾特性；当S>1mm时，低热流密度范围内沸腾曲线显示出部分核态沸腾特性；而在中热流密度范围内沸腾曲线显示出充分发展核态沸腾特性。和单管相比，S= 0.5mm时的换热系数可以提高1倍左右。（b）给出了在大气压下，管束距离对上部管（管A）换热特性的影响。由图可见，管束距离对换热特性有显著影响。S=2mm时沸腾换热强化效果好，和单管相比，换热系数可以提高34倍。S=1和4mm时沸腾换热特性与S=2mm时的比较接近。在本实验的管束距离变化范围内，换热特性都能得到很大提高。但是当S很小时，由于供液不足引起的沸腾危机出现很早，临界热流密度（图中的水平线）迅速下降。

　　比较（a）和（b）可以认为，下部管的换热强化主要是由于同一管束中各管子紧密接触形成的三化核心作用，相当于一种强化传热表面，从而在较低热流密度条件下也出现沸腾换热现象。由于管束底部处的气液两相流的空泡份额不高，因而管束距离，也就是流路尺寸的影响不显著。而对于上部管子，由于气液两相流的空泡份额比较高，形成了强烈扰动的大气泡流，换热强化来自于三角形细缝汽化核心和管束间狭窄空间的共同作用，因此管束距离有明显影响，存在佳管束距离，同时沸腾换热也得到进一步强化。关于窄缝沸腾的大量研究已经证明，在窄缝空间很小时，很小的热负荷就可以快速加热受限空间内的液体，形成过热层而产生沸腾，不断成长的联体大沸腾气泡使液体在窄缝空间形成非常薄的液膜层，微膜蒸发是窄缝沸腾强化的主导因素。对于窄缝沸腾，存在一个佳间隙，间隙过大，薄膜层不易形成；间隙过小，阻碍气液流动。在大气压下对于纯水的实验表明，垂直窄缝流路的佳间隙为0.5-2.0mm（这一数值和热流密度有关系），基本等于气泡脱离直径。本实验中佳管束距离约为2mm.角形细缝的h这些三角形细缝起到了有效的汽紧凑躜bookmark2由可见，随着压力增加，沸腾曲线逐渐左移，沸腾传热强化效果迅速增加。而且随着热流密度增加，过热度不是增加，而是先有一个明显的减小，然后再趋于逐渐增加。在高压条件下，窄缝沸腾换热强化效果更好。高压条件下的管束沸腾曲线显示出一些特异性，由于迄今未发现其他的高压条件下管束沸腾实验，因此还无法进行比较。当传热管径是相同的，但定量上可能会有一些变化，这种定量上的变化需要根据实际换热装置通过实验确定。

　　2和0.5mm时管位置对各传热管换热特性的影响。越是上部的管子，换热强化效果越好。这与的实验结果是一致的，说明在S较大时，管束中各管位置对换热特性有强烈影响。

　　3结论紧凑型顺排光滑管管束形成的管束间窄缝和管间三角形细缝能够显著地强化管束沸腾换热特性。在中低热负荷范围，和单管相比，沸腾换热系数可以提高14倍。

　　管束距离对沸腾特性的影响十分复杂。对管束上部管子有较强烈的影响，存在着一个佳管束距离。对管束底部管子的影响则很微弱。

　　传热管位置对沸腾特性的影响十分复杂。

　　当管束距离在1mm以上时，传热管位置对沸腾特性有明显影响；当管束距离在0. 5mm以下时，传热管位置对沸腾特性的影响十分微弱。

　　压力对沸腾特性有显著影响，随着压力增加，沸腾曲线逐渐左移，沸腾传热强化效果进一步增加。