垂直矩形窄通道启动过程壁温变化特性研究

戴杨洋，陶乐仁，渠慎玄

（上海理工大学 能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093）

板式升膜蒸发器具有优良的换热性能，是目前国内外广泛应用的一种新型换热器［1-4］。蒸发器在其工作过程中不仅仅包括持续正常运行过程，还包括其运行前的启动状态和停止运行状态。渠慎玄等［5］设计搭建的热泵废碱液回收系统以板式换热器作为蒸发器。吴东根等［6］的研究表明，大容量锅炉再热器在启动过程中会产生瞬间温度过冲突变，严重时直接影响再热器的安全运行。李兴培等［7］研究了锅炉设备在启动过程中汽包壁面温度差过大的问题，并通过采取一定的改进措施，有效地将汽包壁面温度差控制在安全运行范围内。孙中宁等［8］在常压下对竖直环隙窄流道及光滑管内沸腾换热启动阶段的壁面温度变化规律进行了大量实验研究，结果表明，热流密度、水入口过冷度、初始水温、不凝性气体都会影响壁面温度的变化特性。Allen 等［9］采用外加电场的方法消除了沸腾滞后现象，使R-114 在翅片管上的沸腾传热系数增加了一个数量级。

本文以去离子水为工质，对竖直矩形窄通道在启动过程中的壁面温度变化进行研究，对比一次启动和二次启动时壁面温度的变化，并研究入口水温对启动壁面温度的影响。

1 实验方法

1.1 实验装置

实验装置如图1 所示。水箱中的去离子水经过恒压泵后再经过恒温水浴达到实验所需入口温度，在实验段中与锅炉产生的蒸汽换热，后经冷凝器冷凝回到水箱，完成循环。水流量由浮子流量计测量，蒸汽质量流量由称重法测量。

实验在常温常压下进行，实验段整体由螺栓及固定支架固定。实验段结构示意图如图2 所示。实验段形状为两侧矩形窄缝，由钢化玻璃、矩形聚四氟乙烯密封圈、保温层、实验段铜板等组成。加热侧钢板长800 mm、宽300 mm、厚20 mm，可视化侧钢板中间做镂空处理。实验段为铜板与钢化玻璃组成的矩形窄通道，尺寸为720 mm × 250 mm × 3.5 mm。铜板上的热电偶分布如图3 所示，4 组热电偶均匀布置在两侧壁面上用于测量通道中的壁面温度。

1.2 实验参数范围

实验段压力为0.101～0.201 MPa，水的质量流量为7～11 kg·h-1，水入口温度为27～60 ℃，加热功率为0～20 kW·m-2。

1.3 实验数据处理

由于实验段与环境有温差，实验段与环境会存在对流换热，造成热损失。根据水单相流动时的能量守恒可以确定热损失，即

式中：Cp为定压比热容，kJ·kg-1·K-1；G为工质质量流量，kg·s-1；ti、to分别为工质侧通道进口和出口水温，K。

根据实验所得数据，通过计算得到本实验系统约有14%的热损失。

图 1 实验装置Fig. 1 Experimental device

图 2 实验段结构示意图Fig. 2 Structure of the test segment

图 3 热电偶布置示意图Fig. 3 Arrangement of the thermocouples

锅炉产生的饱和蒸汽经窄通道冷凝为饱和液体，其显热相对于潜热可以忽略。其中蒸汽加热量Q为

式中：Gv为蒸汽质量流量，kg·s-1，hi、ho分别为蒸汽流道进口、出口时流体对应的焓值，kJ·kg-1。

计入热损失后的平均热流密度q为

式中，A为加热面积，A= 0.18 m2。

2 实验结果分析

为使温度的测量值更加准确，在实验段设置了4 个温度测点，编号为1、2、3、4，记录0～700 s 内一次启动与二次启动时各测点温度随时间的变化情况，结果如图4 所示。锅炉加热功率为1.83 kW，实验段工质质量流量为9 kg·h-1，平均热流密度为10.18 kW·m-2，入口温度为27 ℃。

图 4 启动过程壁面温度变化Fig. 4 Wall temperature evolution during the start-up process

图4（a）为实验段由开始启动加热到整个流道内处于热平衡状态时壁面温度的变化。从图中可以明显看到，壁面温度的上升可以分为三个阶段：

（1）壁面温度急剧上升阶段。此时最先升温的是测点1、2，这是因为加热壁面与工质间主要以导热方式进行换热，各局部壁面温差较大，壁面温度急剧上升。

（2）壁面温度缓慢升高阶段。该阶段加热壁面与工质间的换热形式由导热逐渐过渡到单相对流换热。随着对流换热的进行，加热腔内蒸汽温度和压力缓慢上升，壁面温度缓慢升高，但由于主流温度低于饱和温度，加热腔内仍有少量气泡出现，且气泡呈弥散状，出现了过冷沸腾现象。但过冷沸腾对壁面温度的影响不大，过冷沸腾中汽泡吸收的热量略大于壁面传递给汽泡的热量，在此阶段壁面温差有小幅降低，但对壁面温度的影响不大，该过程可近似为等壁面温度换热过程。

（3）壁面温度缓慢上升至最高温度后又缓慢降至稳态饱和沸腾阶段。在此阶段500～600 s时工质与加热壁面的换热形式是过冷沸腾向饱和沸腾的过渡阶段即饱和核态沸腾阶段。在饱和核态沸腾起始点区域，壁面温度出现一个最大值。这是因为饱和核态沸腾的产生条件就是需要足够的过热度，此时汽泡吸收的热量大于壁面传递给汽泡的热量，从而导致饱和核态沸腾阶段有较高的换热系数。此后沸腾产生并迅速达到饱和沸腾，此时壁面温度略有小幅下降。

在一次启动达到稳态沸腾后，为了去除壁面不凝性气体，再加热0.5 h，然后冷却至室温后，再以相同的加热功率重新启动，此时去离子水中不凝性气体含量大大减少，得到的壁面温度变化如图4（b）所示。对比图4（a）、（b）发现，图4（a）中表现出的沸腾热滞后现象不是很明显，而图4（b）产生了明显的沸腾热滞后现象。沸腾热滞后现象是指沸腾起始时壁面温度过度升高的现象。一次启动时，工质在流道出口处剧烈沸腾，饱和压力为0.112 MPa，出口温度为101 ℃；二次启动时，流道出口处沸腾压力为0.112 MPa，出口温度为103 ℃。热电偶的测量误差远小于两次实验温差，并且两次实验工况相同，流体波动对实验影响很小，所以两次实验温度变化的差别可能是由于一次启动时吸附于加热壁面上的不凝性气体受热膨胀，从而在汽化核心处形成的大量汽泡覆盖在壁面上所导致。随着加热的进行，小汽泡不断长大、脱落、上浮，最后在工质表面破裂。这些小汽泡一方面自身带走热量，另一方面又增加了壁面附近的扰动和工质循环，从而降低了核化温度。但当去除不凝性气体后再以相同加热功率重新启动时，在产生过冷沸腾之前，可以观察到壁面上有一些零星的小汽泡产生，但数量很少，减少了壁面扰动及工质循环，因而产生了明显的沸腾热滞后现象。因此，在换热器启动时为了消除壁面温度过冲带来的危险，可以采用相对粗糙的表面、设置人字形槽道或在壁面附近引入不凝性气体，这样可以使壁面温度上升比较平稳。

在工质流量、平均热流密度均不变的情况下，改变工质侧进口温度，得到的启动壁面温度变化如图5 所示，图中入口温度分别为27、60 ℃，加热功率均为8.49 kW·m-2。

图 5 不同入口温度时启动壁面温度的变化Fig. 5 Wall temperature evolution at different inlet temperatures

对比图5（a）、（b）发现，同样的平均热流密度下，入口温度为27 ℃时测点1、3 的温度波动大于入口温度为60 ℃时的波动，基本上相差3～5 ℃。这说明初始入口温度对壁面温度波动有一定的影响。适当提高入口温度可增加饱和沸腾段，减少壁面温度的波动，使得壁面温度上升较平缓，在一定程度上可避免壁面温度过冲对换热器的损坏。

3 结 论

（1）矩形窄通道启动过程中壁面温度变化经历三个阶段，即急剧上升阶段、缓慢升高阶段、缓慢上升至最高壁面温度并产生小幅回落后又缓慢降至稳态饱和沸腾阶段。

（2）在换热器启动时为了消除壁面温度过冲带来的危险，采用相对粗糙的表面、设置人字形槽道或在壁面附近引入不凝性气体，可以使壁面温度上升较平稳。

（3）适当提高入口温度可增加饱和沸腾段，减少壁面温度的波动，使得壁面温度上升较平缓，在一定程度上可避免壁面温度过冲对换热器的损害。