空气对水平管内蒸汽强制对流冷凝换热特性的影响

徐慧强，孙中宁，谷海峰，李昊

(哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨150001)

新型三、四代核电技术中为避免在核电站发生LOCA以及主蒸汽管道破裂等严重事故下，安全壳因超压而发生破损的情况出现，设计了非能动安全壳冷却系统(possive containment cooling system，PCCS)。通过该系统内设置的冷凝器使安全壳内含不凝性气体的高温蒸汽发生冷凝，从而最终实现安全壳的减压降温，确保其完整性不受破坏［1－2］。目前大多数PCCS系统主要使用竖直管换热器，但是由于水平管冷凝器具有更强的换热能力，更高的耐压效果［3］，在沸水堆ABER－Ⅱ的PCCS系统设计中采用了U型水平管冷凝器，以获得更好的减温降压效果［4］。研究水平管内含不凝性气体的蒸汽冷凝特性对改进PCCS系统的设计具有重要意义。

相对于竖直管冷凝，水平管内的冷凝换热过程受气液两相流型的影响较大。这使得已有的有关竖直管冷凝换热特性的研究结果并不能很好的应用于水平管内。目前国内外针对含不凝性气体的蒸汽冷凝换热特性研究主要集中于竖直管;有关水平管内强制对流冷凝的研究相对较少［5－8］。本文对含空气蒸汽在水平管内强制对流冷凝换热进行了实验研究，分析了空气含量及气相流速对局部换热系数的影响，并对不同空气入口质量分数条件下，局部换热系数和换热管上、下壁面温度沿管轴向分布规律进行了研究，以期对水平管内含空气条件下的蒸汽强制对流冷凝换热过程有更完整的认识和了解。

1 实验装置与实验方法

1.1 实验装置

实验装置如图1，由蒸汽系统，空气系统，冷却水系统及实验件组成。饱和蒸汽由电加热锅炉产生，与空压机供应的空气进行充分混合后进入换热管内，与管外环腔内的冷却水进行热量交换，使部分蒸汽凝结成水。凝液与未被冷凝的混合气体一同进入汽水分离器进行汽液分离，分离出的气体通过汽水分离器上部阀门排放到大气;凝液向下通过凝液罐排放到地沟。冷却水由离心泵驱动与换热管内混合气体呈逆向流动，吸收热量后流回到冷却水箱内。

蒸汽与冷却水的体积流量分别由涡街流量计和涡轮流量计进行测量;空气质量流量由质量流量计进行测量;混合气和冷却水进出口温度由布置在相应位置上的T型铠装热电偶测量;换热管进出口压力由压力传感器测量。

图1 实验系统简图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 实验段

实验段由外径28 mm，壁厚1.5 mm的不锈钢管插入内径为42 mm，壁厚为3 mm的套管内组成，有效换热长度1 500 mm。为使内、外套管间保持良好的同轴度，在沿套管轴向的3个截面上采用定位螺钉进行同心定位。

在实验段环腔内，沿蒸汽流动方向等间距设置6个测量截面，具体位置如图2(a)所示。每个测量截面处上下对称地布置2对热电偶(如图2(b)所示)，分别测量环腔冷却水温度和换热管外壁面温度。

图2 实验段结构图Fig.2 Structure diagram of test section

1.3 实验方法及实验数据处理

实验过程中通过不断调节蒸汽入口阀门，空气入口阀门及汽水分离器上的排气阀门，使蒸汽流量，空气流量及换热管入口压力达到预设值，待所测各项参数稳定后，通过NI系统采集并记录数据，之后通过调节蒸汽与空气入口流量，改变实验工况，重复上述步骤。

由热平衡关系式:

可以得到换热管外壁面侧局部热流密度q为

式中:Mc为冷却水质量流量，kg/s;cp为冷却水定压比热容，kJ/(kg·K);Do为换热管外径，m;Tc为截面冷却水平均温度，℃;dTc/dL为冷却水沿轴向温度梯度。本文通过对各截面冷却水平均温度进行拟合得到其沿轴向的分布曲线，再通过求导即求得该温度梯度。

相应的换热管内壁面温度按下式计算:

式中:Twi、Two分别为换热管内、外壁面截面平均温度，℃;λ为换热管导热系数，W/(m·K);Di为换热管内径，m。

换热管内任一测量截面处的平均冷凝换热系数hi计算公式为

式中:Ts为换热管内蒸汽－空气混合气温度，℃。实验中认为蒸汽与空气温度保持相同，并且蒸汽始终处于饱和状态。因此，Ts即为混合气中蒸汽分压下的饱和温度。

2 实验结果分析

2.1 空气含量与气相流速对局部换热系数的影响

固定混合气入口体积流量，通过改变混合气中蒸汽与空气的质量配比，得到局部换热系数随轴向空气质量分数变化的情况，典型结果如图3所示。

图3 局部换热系数随轴向空气质量分数的变化Fig.3 Variation of local condensation heat transfer coefficient with air mass fraction

从图3可以看出，在不同空气入口质量分数下，局部换热系数均随轴向空气质量分数的增加逐渐减小。这是由于当混合气中的蒸汽与冷壁面接触被凝结成水时，主流气体与凝液交界面上局部压力下降，这使得空气在压差的作用下聚集在凝液表面形成空气层。此时蒸汽必须通过扩散穿过空气层才能进一步与换热管壁接触而被凝结。这个过程增加了冷凝换热的热阻，因此使得局部换热系数随空气含量的增加而减小。

从图3中还可以看到，在局部空气质量分数相同时，不同工况下局部换热系数并不相同，这说明除局部空气含量之外，存在其他影响局部换热能力的因素。考虑到混合气冷凝过程中，随着蒸汽不断凝结，局部空气质量分数发生变化的同时，气相流速也会发生明显的改变。这种气相流速的变化会对凝液厚度以及蒸汽穿过气液界面空气层的扩散过程产生影响。为能够分析气相流速对局部换热能力的影响，通过计算得到相应工况下，气相折算速度随局部空气质量分数变化结果，如图4所示。

在图4中选择3种气相折算速度的变化情况:降流速，定流速和升流速(分别为图4中线①、②、③)，分析对应工况点下局部换热系数随空气质量分数的变化规律(如图3中线①、②和③所示)。从结果中可以清楚地看出，相比定流速条件下局部换热系数随空气质量分数的变化结果(w增加0.23，hi减少31.1%)，在降流速条件下，局部换热系数的变化幅度较大(w增加0.21，hi减少37.7%);而在升流速条件下，局部换热系数的变化幅度较小(w增加0.26，hi减少28.7%)。这说明，气相流速的增加会削弱空气对局部换热系数的影响，反之则会增强。

解释气相流速对局部换热能力的影响，可以从冷凝过程的热阻角度来分析。混合气冷凝换热过程热阻主要由2个部分组成:1)凝液侧热阻，其大小由凝液层厚度决定;2)空气侧热阻，其大小由气液界面处空气扩散层厚度决定。气相流速增加会带来2个方面的效果1)主流气体对凝液膜表面的粘滞应力增大，对凝液的携带作用加强，使得凝液膜厚度减小，相应的凝液侧热阻降低;2)混合气体内部的搅浑更加剧烈，这使得凝液表面的空气扩散层厚度减薄，蒸汽更容易与冷壁面接触而发生凝结，空气侧热阻随之减小。这2个方面的效果使得冷凝换热的总热阻随主流气体流速的增加而减小，减弱了局部空气含量增加对换热的抑制效果，促进了冷凝换热过程的进行。

2.2 空气对换热管外壁面温度沿轴向分布的影响

图5为不同空气入口质量分数工况下，换热管外上、下壁面温度沿换热管轴向的分布。可以发现，在纯蒸汽条件下(w=0)，上壁面温度始终大于下壁面;而在蒸汽中加入空气后，上壁面温度会在换热管轴向某一位置之前大于下壁面，而在此之后，下壁面温度则会大于上壁面，并且该位置随空气入口质量分数的增加逐渐向换热管入口移动。

图5 不同空气入口质量分数下换热管上、下外壁面温度沿管长分布对比结果Fig.5 Axial temperature profiles of the top and bottom of tube for different inlet air mass fractions

纯蒸汽冷凝时，换热热阻主要为凝液热阻，凝液层厚度大小直接决定换热能力的强弱，从而影响外壁面温度的高低。由于受重力作用，换热管内上壁面处的凝液厚度始终小于下壁面，使得上壁面处局部换热能力强于下壁面，最终出现上壁面温度始终大于下壁面的结果。

与纯蒸汽冷凝不同，当加入空气后，即使含量较小，也会对冷凝换热产生较大的抑制作用［9］。此时冷凝换热过程的主导热阻由凝液热阻变化为气液界面上的空气侧热阻，凝液表面空气层厚度将决定局部换热的强弱。考虑到气液两相流型可能会对气液界面处空气层内部流动产生影响，间接地影响空气侧热阻，使用Breber流型图［10］对实验结果进行流型判断。结果表明:对于所有实验工况，管内处于均环状流向波状流的转变区域。在此流型条件下，换热管底部凝液表面上会出现明显的波浪。这种波浪会带动气液界面上空气产生径向运动，增加了空气扩散层内部的扰动，减小蒸汽扩散过程的阻力，从而降低了空气侧热阻。当波浪起伏到达一定程度后，由于换热管底部凝液表面波浪幅度远强于换热管顶部，会使得下壁面处局部空气热阻从换热管轴向某一位置处之后小于上壁面，此时下壁面的局部换热强度将大于上壁面，其对应温度也将高于上壁面。并且，当空气入口质量分数增加时，相同轴向位置上气相速度增加，凝液表面的波浪幅度增大，使得空气侧热阻削弱效果的更为明显，相应的下壁面处的局部换热能力更强，最终上、下壁面温度交叉点的位置向换热管入口移动。

2.3 空气对局部换热系数沿轴向分布的影响

图6为纯蒸汽和不同空气入口质量分数工况下，局部换热系数沿换热管轴向的分布情况。结合流型判断结果可以发现:管内处于波状流时，局部换热系数沿轴向的变化趋势基本保持不变，大致呈线性变化;在环状流范围内，局部换热系数沿轴向下降相对较快，随着空气入口含量增加，局部换热系数变化幅度逐渐减小，并向逐渐接近波状流条件下的变化趋势。这种结果说明流型变化对局部换热沿轴向分布的影响会随空气含量的增加逐渐减弱。3)局部换热系数沿轴向分布规律在波状流和分层流下存在一定的差异;当空气入口含量逐渐增加时，波状流内换热系数沿管长的变化会逐渐趋近于分层流。

图6 不同空气入口质量分数下，局部换热系数沿换热管轴向的分布Fig.6 Axial profile of local condensation heat transfer coefficient for different inlet air mass fractions

众所周知，管内气液两相流型通过影响凝液在换热管横截面上的周向分布，改变凝液测热阻，最终令不同流型条件下局部换热系数轴向变化存在差异。根据前文所述，蒸汽－空气混合气冷凝换热的热阻集中于空气侧，凝液侧热阻对换热的影响会随着空气入口含量的增加逐渐减弱，由于流型不同所造成的凝液热阻改变对局部换热系数的影响也会相应减小，使得不同流型下冷凝过程的局部换热系数沿轴向变化规律差异减小，总体变化趋势趋于一致。

3 结论

1)含空气蒸汽冷凝条件下，换热管内局部换热系数随空气含量的增加逐渐减小;气相流速的增加会从增强混合气内部扰动和减薄凝结液膜两方面，减小空气对冷凝换热的抑制效果。

2)由于主导热阻的变化，对于纯蒸汽冷凝，换热管上壁面温度始终大于下壁面;加入空气后，下壁面温度会在轴向某一位置后大于上壁面，并且随着空气入口含量的增加，该位置逐渐向混合气入口位置移动。

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