非均匀受热条件下螺旋管内流动沸腾换热特性

刘伟，崔文智，刘晓见（重庆大学动力工程学院，重庆 400044）

研究开发

非均匀受热条件下螺旋管内流动沸腾换热特性

刘伟，崔文智，刘晓见
（重庆大学动力工程学院，重庆 400044）

目前对螺旋管在其管外表面均匀受热，管内两相流动换热的研究已十分丰富；但是在其管外表面非均匀受热条件下，管内两相流动沸腾换热特性的研究鲜有报道。为了解决螺旋管在实际运用中遇到的非均匀受热问题、得到其换热特性，本文采用了实验的方法研究了卧式螺旋管周向非均匀受热条件下管内流动沸腾换热特性。其中实验工况范围为系统压力P=0.7～1.0MPa，质量流速G=181～364kg/（m2·s），质量干度χ=0.07～0.69。实验考察了螺旋管管外壁在两种非均匀受热条件下管内的两相流动沸腾换热系数与热流密度、质量流速、质量干度的关系，并与管周向均匀受热工况进行了比较。结果表明，在螺旋管外壁面“外半周绝热、内半周受热”情况下管内流动沸腾换热系数值最大，而管外壁面“内半周绝热、外半周受热”情况下最小。

螺旋管；流动沸腾；两相流；换热系数；非均匀受热

螺旋管作为一种具有结构紧凑、适应性强和传热系数大等优点的换热器件得到了广泛的应用［1］。与直管相比较，螺旋管管内工质受离心力的作用，在管截面上产生二次流［2］，换热得到强化；其次由于螺旋管因热偏差导致的热应力较小，利于提高设备的安全性和稳定性。

国内外对于螺旋管内流动沸腾传热特性的研究多基于定壁温或定热流条件［3-4］。常春等［5］通过对太阳能吸热管施加非均匀的热流密度得到了其传热性能以及流动不稳定性的特性。VAFAIE和DUNN［6］以水为工质对蝶式太阳能热发电中的螺旋管式集热器内的单相和两相传热过程进行了实验研究，采用辐射加热的方式模拟了在聚光条件下仅有一半的螺旋管圈外表面受热的情形。JENSEN和BERGKES［7］把制冷剂R113作为工质，对外侧壁面热流偏大条件下的螺旋管内饱和沸腾和过冷沸腾的临界热流密度进行了实验研究。但是表面非均匀热负荷条件下螺旋管内两相流动沸腾传热特性及其与均匀热负荷条件下的差异的研究并不充分。

本文实验研究了制冷剂R22在卧式螺旋管管内的流动沸腾换热特性，重点考察了螺旋管外壁面非均匀受热条件对传热和流动的影响。

1　实验装置

实验系统如图 1，从贮液罐底部出来的处于过冷状态的制冷剂由微型磁力驱动齿轮泵驱动分成两路，一路经旁路流回到贮液罐中；另一路则经金属浮子流量计和温度与压力测点后进入预热段，其流量既可以通过微型磁力驱动齿轮泵上的调速器来调节，也可以由旁通阀门来调节。经过预热段的制冷剂被加热到一定干度后进入实验螺旋管段，换热后的两相流体进入冷凝器，被完全冷凝到过冷状态，再返回贮液罐。其中预热段和实验段都是通过缠绕在管外的电阻加热丝加热，由调压器调整加热电压，从而调节加热功率。在实验回路相应位置上布置了流量（金属浮子流量计，绝对误差±2.0kg/h）、温度（T形热电偶，绝对误差±0.15℃）、压力（压力变送器，绝对误差±2.0kPa）的测点。在实验螺旋管段的外壁面上按照一定的间距布置了5组T形热电偶测量管壁温度，每组热电偶沿管周向每 90°布置一个，如图2（a）所示。

螺旋管采用紫铜管制作，如图2（b）所示，管内径 di=8mm，外径 do=10mm，螺旋管圈直径Dc=217mm，螺旋管曲率δ=0.0369。图2（a）中蛇形、均匀间距布置的电阻加热丝构成加热层，其在螺旋管圈外壁面内侧和外侧独立布置，加热层外表面用一层玻璃纤维棉作为绝热材料。

实验考察了3种不同加热方式对流动沸腾换热的影响，如图3所示。其中周向非均匀加热条件包括管圈外半周受热、内半周绝热［图3（a）］和外半周绝热、内半周受热［图3（b）］两种情况，而图3（c）为管壁周向均匀受热条件。

图1　实验装置及流程示意图

图2　螺旋管几何参数及热电偶布置

图3　管壁加热方式

2　数据处理方法

实验开始前进行了热平衡实验，让制冷剂以过冷状态进入预热段，受热沸腾后以过热状态离开，求得热平衡系数1η。用同样的方法求得实验螺旋管段的热平衡系数2η，见式（1）。

式中，cp，l、cp，g分别为制冷剂的液相和气相定压比热容，kJ/（kg·K）；m为制冷剂的质量流量，kg/s； Δtsc为预热管段进口制冷剂的过冷温度，K；Δtsh为预热管段出口制冷剂的过热温度，K；r为制冷剂在饱和温度下的汽化潜热，kJ/kg；Qpre为预热段的加热功率，kW。

制冷剂质量流速G计算见式（2）。

式中，M为金属浮子流量计示值经过密度修正后的工质体积流量，m3/s；Ai为螺旋管内横截面流通面积，m2；ρ为制冷剂的密度，kg/m3。

干度 χ 是实验螺旋管段进、出口质量干度的平均值，其由热平衡关系获得，见式（3）。

式中，Qtest为实验螺旋管段的加热功率，kW。

忽略螺旋管轴向导热的影响，将通过螺旋管管壁的传热看作一维稳态导热过程，则螺旋管内壁温可由式（4）计算。

式中，to为螺旋管外壁面的温度，K；λ为螺旋管的导热系数，kW/（m·K）。

螺旋管内壁面热流密度qtest计算见式（5）。

式中，Al，i为螺旋管受热管段的管内表面积，m2；L为螺旋管受热管段的长度，m。为了便于比较，周向均匀受热和非均匀受热工况均采用整个内表面积来计算热流密度。

螺旋管内流动沸腾换热系数计算见式（6）。

式中，ts为制冷剂的饱和温度，K；tz为实验螺旋管段内侧壁面平均温度，K。

经计算，本文质量干度的不确定度为±2.39%。流动沸腾换热系数的不确定度为±10.36%。

3　实验结果与分析

3.1质量流速的影响

图4（a）给出了管圈外半周受热、内半周绝热的非均匀受热情况下，当定热流密度q=3.88kW/m2，变化流量G=182kg/（m2·s）、G=242kg/（m2·s）、G=303 kg/（m2·s）、G=363kg/（m2·s）时流动沸腾换热系数的变化。在相同热流密度和质量流速条件下，流动沸腾换热系数随着干度的增大而增大；在相同热流密度和干度条件下，流动沸腾换热系数随着质量流速的增大而递增。在低干度范围内，流动沸腾换热系数随质量流速的变化较小；随着干度的增加，质量流速对流动沸腾换热系数的影响越来越明显。

图 4（b）、4（c）分别给出了管圈外半周绝热、内半周受热以及周向均匀受热两种受热条件下的不同质量流速和干度对流动沸腾换热系数的影响，可见它们和图4（a）受热条件相比，具有相同的变化规律。

图4　在3种不同加热条件下流动沸腾换热系数与质量流速和干度的关系

图5比较了热流密度q=3.88kW/m2、质量流速G=242kg/（m2s）、3种不同受热条件下流动沸腾换热系数与干度的关系。可见在3种加热条件下的流动沸腾换热系数数值大小都相差不大，但内半周受热、外半周绝热时管内流动沸腾换热系数最大。

图5　当定流量、定热流时3种不同加热条件下流动沸腾换热系数与干度的关系

3.2热流密度的影响

图6（a）给出了管圈外壁面均匀的受热情况下当定流量 G=182kg/m2s，变化热流密度 q=3.88kW/m2、q=7.76kW/m2、q=11.64kW/m2、q=19.4kW/m2时对流动沸腾换热系数的影响。在相同热流密度和质量流速条件下，流动沸腾换热系数随着干度的增大而增大；在相同质量流速和干度条件下，流动沸腾换热系数随着热流密度的增加而递增，但当热流密度增大到q=19.4kW/m2时，随着干度的递增，流动沸腾换热系数先逐渐增大；但当干度增加到0.45时，流动沸腾换热系数增加的幅度越来越小。图6（b）、6（c）分别给出了管圈外半周受热、内半周绝热以及外半周绝热、内半周受热两种加热条件下的不同热流密度和干度对流动沸腾换热系数的影响，可见其和图6（a）中热流条件相比，具有相同的变化规律。图7比较了热流密度q=11.64kW/m2、质量流速G=182kg/m2s在3种不同加热条件下，流动沸腾换热系数随着干度变化的情况。结果表明：在3种加热条件下，流动沸腾换热系数的数值都在一个数量级上，且大小都相差不大。区别在于内半周受热、外半周绝热的加热条件下管内流动沸腾换热系数最大，均匀受热的加热条件下次之，外半周受热、内半周绝热的加热条件下最小。

在图3中3种加热条件下，流动沸腾换热系数存在不同，可能是因为受离心力和浮力的影响，气液两相区域在管内的分布有所变化。当气相转移到管内壁的某一侧时，造成这一侧的换热强度减弱；当液相转移到管内壁的某一侧时，造成这一侧的换热强度加强，从而整体上减弱或者加强了总的流动沸腾换热。

图6　在3种不同加热条件下流动沸腾换热系数与热流密度和干度的关系

图7　当定流量、定热流时3种不同加热条件下流动沸腾换热系数与干度的关系

4　结　论

本文以R22为工质在3种加热条件下对卧式螺旋管内流动沸腾换热特性进行了实验研究。结果显示热流密度、质量流速、干度和热流分布等参数都对流动沸腾换热系数有影响。当其他条件一定时，管内流动沸腾换热系数随着热流密度和质量流速的增加而增加；在实验干度范围内，流动沸腾换热系数随干度增加也增大。管壁受热状况对管内流动沸腾换热系数产生影响，在本文实验条件下螺旋管管壁外半周绝热、内半周受热情况下流动沸腾换热系数最大。

［1］鲍伟，马虎根，张希忠. 流体在螺旋管内对流换热和压降性能的数值模拟［J］. 上海理工大学学报，2011，33（1）：84-88.

［2］孙宗保. R134a螺旋管内流动沸腾换热特性研究［D］. 济南：山东大学，2007.

［3］邵莉，王美霞，刘瑜，等. 螺旋管内沸腾两相流型与壁温特性实验研究［J］. 中国电机工程学报，2013，33（26）：81-86.

［4］CHUNG Young-Jong，BAE Kyoo-Hwan，KIM Keung Koo，et al. Boiling heat transfer and dryout in helically coiled tubes under different pressure conditions［J］. Annals of Nuclear Energy，2014，71：298-303.

［5］常春，李石栋，李鑫，等. 周向非均匀热流边界条件下混合熔融盐在太阳能高温吸热管内的强化换热研究［J］. 中国电机工程学报，2014，34（20）：3341-3346.

［6］VAFAIE F N，DUNN J R. Forced-convection heat transfer for single and two-phase helical flow in a solar receiver［J］. Journal of Heat Transfer，1986，108（1）：76-83.

［7］JENSEN M K，BERGLES A E. Critical heat flux in helical coils with a circumferential heat flux tilt toward the outside surface［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，1982，25（9）：1383-1395.

Flow boiling heat transfer characteristics in helically coiled tube with circumferentially non-uniform heating

LIU Wei，CUI Wenzhi，LIU Xiaojian
（College of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

At present，researches on coiled tube，about internal flow and heat transfer characteristics，are only limited under the condition of uniformly heated，at the same time，non-uniform heating are rarely reported. But in practice，spiral tube is heated non-uniformly most of the time. To solve the problem，flow boiling heat transfer characteristics in horizontal helically coiled tube with circumferentially non-uniform heating，under the range of system pressure 0.7—1.0MPa，mass flux 181—364kg/（m2·s） and mass quality 0.07—0.69，were experimentally studied in this paper. The in-tube flow boiling heat transfer coefficient variations with surface heat flux，fluid mass flux，and mass quality were examined under two different non-uniform heating modes and also compared with the data of circumferentially uniform heating condition. Results showed that the in-tube flow boiling heat transfer coefficient was the highest under the condition of the inner half wall heated and outer half wall adiabatic，while it was the lowest with the inner wall heated and outer wall adiabatic.

helically coiled tube；flow boiling；two-phase flow；heat transfer coefficient；non-uniform heating

TK 124

A

1000-6613（2016）08-2362-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.09

2015-12-23；修改稿日期：2016-02-05。

重庆市自然科学基金项目（CSTJJA90003）。

刘伟（1991—），男，硕士研究生，研究方向为两相流动与传热。联系人：崔文智，博士生导师，教授。 E-mail wzcui@cqu.edu.cn。