高參數熱力設備中臨界熱流密度預測模型研究

林睿南, 王 昊, 安建川, 肖 飛, 王 科

(1. 中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610213； 2.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249； 3. 中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院，四川 成都 610051)

沸騰換熱裝置廣泛存在于石油、化工等工業領域中。流動沸騰時，壁面液體強烈蒸發，過度汽化使得壁面液相的消失，造成壁面溫度突升，且熱壁面幾乎全部被高溫蒸汽覆蓋，導致傳熱惡化的發生，此時對應的熱流密度叫做臨界熱負荷(簡稱CHF)。在非絕熱系統內，加熱使得管內液相份額逐漸減少，氣相份額逐漸增多，導致流道內產生各種流型。在均勻加熱豎直上升管內，傳熱區域可以分為單相流動區、過冷區和飽和沸騰區。通常在飽和沸騰區內，氣液兩相流型可以分為泡狀流、彈狀流、攪拌流和環狀流。

針對干涸型CHF的研究中，環狀流液膜蒸干的假說被廣泛接受，其中以液膜流動模型的應用最為廣泛。在非絕熱系統環狀流內，氣液界面同時存在液滴夾帶、沉積和蒸發等傳質過程。液滴通過夾帶脫離液膜進入氣相場，同時夾帶液滴受氣相場湍流脈動的影響重新沉積到液膜表面，且由于加熱使得一部分液體蒸發，因此在夾帶和蒸發作用下，液膜流量沿流動方向不斷減小，當壁面液膜流量減小為零或者接近零時即達到臨界熱流密度。計算臨界熱流密度通常采用Whalley等【1】提出的環狀流液膜流動模型,其計算控制體如圖1所示，計算表達如式(1)所示。

圖1 液膜流動模型計算控制體