螺旋管外空氣-蒸汽冷凝強化傳熱實驗研究

李文濤, 邊浩志, 代麗紅, 周書航, 吳桐雨, 丁銘

(1.哈爾濱工程大學 核科學與技術學院,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學 黑龍江省核動力裝置性能與設備重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.中國艦船研究設計中心,湖北 武漢 430064)

福島核事故之后,人們越來越重視核安全。由于安全殼是防止放射性物質進入外界的第3道屏障,發生事故時應采用有效措施以保證安全殼不被破壞。當核反應堆發生主蒸汽管道破裂或失水事故時,會有大量高溫蒸汽從一回路中進入到安全殼里的大氣空間中,為了防止安全殼被破壞,在目前的一些反應堆(如“華龍一號”)都已經設置了非能動安全殼熱量導出系統(passive containment heat removal system,PCS)[1-3],通過安全殼外的換熱水箱和安全殼內的PCS換熱器,對安全殼中的含空氣蒸汽進行冷凝,非能動地將安全殼內的熱量導出,對安全殼進行降溫降壓,這對提高反應堆的安全性、減小核事故的發生起到了重要作用。空氣的存在使得蒸汽冷凝換熱效果大幅降低,傳統的純蒸汽冷凝得到的研究結論不再適用,需要對含空氣蒸汽冷凝進行單獨研究。

對于含空氣蒸汽冷凝,已有研究大多對豎直管或平板進行研究,提出了一些關聯式[4-10]。而對于強化換熱管的研究較少,且強化效果不明顯[11-13]。螺旋管作為一種常用的強化換熱管,在管內和管外都可有一定的強化效果。本文對螺旋管管外含空氣蒸汽冷凝進行了實驗研究,分析了螺旋管對管外含空氣蒸汽冷凝的影響。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置組成

本實驗的實驗裝置為COAST實驗臺架,裝置如圖1所示。實驗臺主要由壓力殼、供氣系統、電加熱系統、冷卻水系統、數據采集系統組成。壓力殼外部包有保溫材料,用來減少壓力殼的散熱。實驗管放置在壓力殼中央,除換熱段其余部分用隔熱材料包裹。在實驗管兩側分別布置了6個鉑電阻,用于測量壓力殼內混合氣體的溫度,在進出口處各一個鉑電阻用于測量進出口溫度,壓力殼上安裝一個壓力傳感器用于測量殼內壓力值。

圖1 COAST實驗臺架Fig.1 COAST experimental device

壓力殼是直徑為1.5 m,高度為3.5 m的不銹鋼壓力容器,實驗中通過電加熱器產生蒸汽,為實驗提供所需的溫度、壓力和空氣濃度。

供氣系統主要由空氣壓縮機、儲氣罐、減壓閥以及相應管線、閥門等組成。從儲氣罐輸出的壓縮空氣通過輸氣管輸入壓力殼。

冷卻水系統由循環水泵、冷卻水箱、電磁流量計、空氣冷卻塔以及相關管路閥門組成。空氣冷卻塔用于保證水箱內水的溫度處在合適的范圍實驗過程中通過調節冷卻水流經實驗段之前的入口閥門的開度控制冷卻水流量。通過調節流量使壁面過冷度處在預定范圍。

實驗需要測量的物理參數主要包括溫度、壓力和流量,這些參數分別采用鉑電阻、壓力傳感器和流量計進行采集。測量得到的電子信號統一輸入到NI數據采集系統。數據采集系統將測量信號轉化為相應的物理參數實時顯示,同時對測量數據進行實時保存。

在實驗中,通過空氣供應系統向壓力殼中充入空氣調節所需的空氣含量;電加熱系統對壓力殼底部的水進行加熱產生蒸汽,通過調節加熱器功率來調節實驗所需的壓力、溫度等參數;通過調節水泵流量調節壁面過冷度。數據采集系統將實驗中產生的溫度、壓力、流量等參數采集并記錄。

1.2 實驗管及實驗工況

實驗用的螺旋管如圖2所示,3根管均為不銹鋼材料制成,換熱管外徑分別為19、25、38 mm。3根管的螺距均為200 mm,螺旋半經均為200 mm。

圖2 螺旋管實物Fig.2 Solid figure of spiral tube

本實驗通過調節電加熱器功率使壓力殼內的壓力穩定在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.3 MPa,空氣質量分數控制在15%～75%。

2 實驗數據處理

忽略隔熱材料的散熱,冷凝放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量,即冷卻水的焓升乘以質量流量?？傻脫Q熱量為：

Q=G(Hout-Hin)

管外冷凝換熱系數為換熱量除以換熱管外表面積及壁面過冷度：

其中氣空間溫度Ts由鉑電阻直接測量得到,外壁溫To可由Gnielinski公式及熱阻傳遞公式得到[14],即由公式：

得到：

其中f為管內流動阻力系數：

f=(1.82lgRe-1.64)-2

cr為螺旋管修正系數：

cr=1+10.3(do/R)3

式中：Q為換熱量,W;Hin和Hout為進出口水焓值,J;Ts為氣空間溫度,℃;Ti為內壁溫度,℃;To為外壁溫度,℃;Ao為外壁面面積,m2;Ai為內壁面面積,m2;Nu為努塞爾數,Nu=1;Re為雷諾數,Re=1;Pr為普朗特數,Pr=1;do為管外直徑,m;di為管內直徑,m;L為管長,m;λf為水的導熱系數,W/(m·K);λs為管的導熱系數,W/(m·K);R為螺旋管螺旋半徑,m。

3 實驗結果分析

3.1 管徑對換熱的影響

本研究對管徑為19、25、38 mm的螺旋管分別進行了實驗,其中壓力0.4 MPa空氣質量分數73%和壓力0.6 MPa空氣質量分數46%時冷凝換熱系數隨壁面過冷度的變化如圖3所示。由圖中可以看出,不同管徑的變化規律基本相同,隨著壁面過冷度的增加,冷凝換熱系數逐漸減小。換熱系數隨著管徑的減小而增大。在相同工況下,管徑19 mm的螺旋管的換熱系數分別為25 mm螺旋管的1.30倍、38 mm螺旋管的1.55倍。這與豎直管實驗變化趨勢一致。異形強化換熱管設計時,管徑的選取可以參照數值管的結果,結構改變并不會對隨管徑變化規律產生較大影響。

圖3 管徑對換熱的影響Fig.3 Effect of tube diameter on heat transfer

已有研究表明,蒸汽冷凝后,空氣會留在管外壁附近形成高濃度空氣層,管外的高濃度空氣層是含空氣蒸汽冷凝傳熱的主要熱阻。管徑變化主要會影響對空氣層的束縛能力。管徑越大,對空氣的束縛能力越強,平板時最強,僅垂直換熱面的擾動才會影響空氣層。管徑小時,空氣層較難吸附在管壁附近,在流動時更容易脫離壁面,使得管徑小時,換熱系數更大。

3.2 螺旋管與豎直管換熱對比

同一實驗臺數據得到的豎直管的實驗關聯式為[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為管長,m;d為管徑,m;θ為傾斜角,(°);P為壓力,MPa;ωa為空氣質量分數,%;ωv為蒸汽質量分數,%;ΔT為壁面過冷度,℃。公式適用范圍為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 ℃。

實驗開始時注入空氣,然后通過調整加熱功率改變壓力。實驗中不同壓力對應的空氣質量分數如表1所示。

表1 各壓力工況下空氣質量分數Table 1 Air mass fraction at each pressure condition

將25 mm螺旋管實驗數據與關聯式得到的豎直管結果進行比較,0.2～1.3 MPa結果如圖4所示。從圖中可以看出：0.2 MPa時,換熱系數比豎直管要小,當壓力大于0.4 MPa時,螺旋管較豎直管有一定強化換熱效果,且壓力越大強化效果越大。0.2 MPa時螺旋管的冷凝換熱系數比豎直管低2%左右,0.4、0.6、0.8、1.0、1.3 MPa時螺旋管的冷凝換熱系數分別比豎直管增強6%、10%、25%、40%、65%左右。

圖4 螺旋管與豎直管換熱系數對比Fig.4 Comparison of heat transfer coefficient between spiral tube and plain tube

豎直管在冷凝時,空氣層向下會逐漸積累增厚,從而換熱系數向下逐漸減小。螺旋管可以看成多段傾斜管組成,相較于豎直管,螺旋管上方空氣不容易聚集,空氣在重力作用下會向下脫落,且向下有一定速度,會沖刷下一層的螺旋管管壁。壓力越高,殼內的溫度越高,分子熱運動較大,向下沖刷及管附近擾動更加明顯,從而壓力較高時螺旋管較豎直管換熱增強效果更明顯。

螺旋管與豎直管的換熱量對比如圖5所示,可以看出螺旋管較豎直管換熱量有很大提升,壓力升高,換熱量提高越大,1.3 MPa時換熱量為豎直管的10倍左右。0.2 MPa時換熱系數較豎直管有所降低,但換熱量仍為豎直管的5.7倍左右?？梢钥闯鲈趩挝桓叨壬下菪軗Q熱量較豎直管提升明顯,可以排走更多的熱量。

圖5 螺旋管與豎直管換熱量對比Fig.5 Comparison of heat transfer rate between spiral tube and plain tube

3.3 空氣質量分數對換熱的影響

為了研究空氣質量分數對換熱的影響,應用25 mm管在0.4、1.3 MPa通過調整空氣質量分數為70%、50%、36%附近分別進行實驗。實驗結果如圖6所示?？梢钥闯?螺旋管和豎直管的變化趨勢一致,空氣含量越低,換熱系數越高,這是由于空氣含量低形成的高濃度空氣層越薄,濃度越低,從而熱阻更小,換熱效果更好。

圖6 空氣質量分數對換熱影響Fig.6 Effect of mass fraction of air on heat transfer

當壓力為0.4 MPa時,空氣質量分數為70%、50%、36%時螺旋管較豎直管的強化效果分別為-3%、4%、9%左右;1.3 MPa時強化效果分別為16%、33%、63%左右。螺旋管較豎直管的強化換熱效果隨空氣質量分數的增大而減小。0.4 MPa高空氣質量分數時會出現傳熱惡化。在同一空氣質量分數下,壓力越高強化換熱效果越明顯,空氣含量越低強化效果越明顯。與3.2節分析結果一致,壓力越高,分子熱運動更劇烈,空氣層更容易產生波動,蒸汽越容易穿過空氣層到達壁面進行冷凝;氣體更容易向下流動,對下方的部分沖刷更明顯,因而強化效果更好。

4 結論

1)管徑對螺旋管的影響與豎直管一致,在其他條件相同的情況下,管徑越小,換熱系數越大。管徑19 mm的螺旋管換熱系數分別為25 mm管的1.30倍、38 mm管的1.55倍。

2)螺旋管在低壓、高空氣質量分數的情況下,換熱效果比豎直管差,換熱系數低3%左右,但換熱量仍為豎直管的5倍以上。螺旋管在壓力高時有很好的強化換熱效果,當壓力1.3 MPa時,換熱系數比豎直管高65%左右。

3)同一壓力下,空氣質量分數越高,螺旋管強化效果越差,壓力越高差別越明顯?？諝赓|量分數0.7和0.36時在0.4 MPa強化效果相差12%;1.3 MPa時可相差47%。

未來需要進一步考慮由螺旋管組成的管束的換熱特性,為換熱器的優化設計提供支持。