【2018年第五期】立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起

DOI:10./

文章来源:《化工学报》2018年第69卷

第5期:1956-1963

立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点特性

孔令健1，韩吉田2，陈常念2，刘志刚2

(1山东省科学院能源研究所，山东 济南 ;2山东大学能源与动力工程学院，山东 济南 )

摘 要

在系统压力P = 412~850 kPa，过冷度 ?Tsub=4.7~15.0℃，热通量q″ = 0.11~10.90 kW·m-2，质量流量G= 147.5~443.7 kg·m-2·s-1的条件下，对立式和卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾起始点特性进行了实验研究。研究结果表明:当实验系统参数相同时，立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的热通量基本相同，但是立式螺旋管内过冷沸腾起始点壁面过热度小于卧式螺旋管;过冷沸腾起始点的热通量、壁面过热度随着过冷度和质量流量的增大而增大，但随着压力、螺旋直径的增大而减小。通过无量纲分析对实验数据进行非线性拟合，发展了适用于螺旋管过冷沸腾起始点的关联式。

引 言

螺旋管作为一种结构紧凑、换热高效的强化换热管型已广泛应用于制冷及低温系统、食品加工和核工业等众多领域。目前，国内外学者已对螺旋管内单相对流传热、沸腾传热、临界热通量和传热恶化及不稳定性等进行了一系列研究。

过冷液体在通道内流动时，通常将加热壁面上气泡开始产生但不脱离的点称为过冷沸腾起始点(ONB)。作为单相对流传热与两相沸腾传热的分界点，过冷沸腾起始点前后传热与流动特性均发生了很大变化。因此，过冷沸腾起始点在工程应用及实验研究中均得到了广泛关注。自20世纪60年代以来，国内外研究者对过冷沸腾起始点进行了大量的理论研究。Hsu最先提出了沸腾起始点的判定准则，认为应以气泡发泡的过热条件与边界层中单相对流的传热条件确定沸腾起始点。Sato等、Davis等以此准则为基础，分别提出了沸腾起始点的热通量与壁面过热度的关联式。同时, McAdams等及Bergles等也对沸腾起始点进行了相关的研究，并以实验数据为基础发展了相关经验关联式。Kandlikar对过冷沸腾起始点的热通量、过热度、干度以及气化核心等进行了系统的理论研究。另外，国内外的研究者还在各种各样的通道中对过冷沸腾起始点开展了相关的实验研究。杨瑞昌等以R12为工质在较大的系统压力、过冷度(?Tsub)和加热功率范围内对环形通道内自然循环过程中过冷沸腾起始点进行了实验研究。Basu等通过直接观察和温度判定的方法对正方形和管束通道内过冷沸腾起始点进行了实验研究。实验结果表明，流体的流量、过冷度和接触角对沸腾起始点的热通量和过热度均有较大的影响。徐光展等以壁温法确定ONB，对多孔介质通道内过冷沸腾起始点的特性进行了研究。实验结果表明，通道内过冷沸腾起始点的过热度和热通量在出口处较低，同时随着工质流速的增大而增大。周云龙等以水为工质，对棒束通道内过冷沸腾起始点进行了实验研究，并分析了相关几何结构和实验参数对过冷沸腾起始点的影响。实验结果表明，在相同工况条件下接近中心通道的子通道发生过冷沸腾时壁面过热度和热通量相对较小。赵楠等对3 mm和4 mm的窄缝通道内过冷沸腾起始点进行了实验研究，结果表明窄缝宽度越小沸腾起始点的热通量越低。Castiglione等在功率为60 kW的内燃机内对发动机冷却系统的过冷沸腾起始点进行了实验研究和理论分析。研究结果表明，冷却剂的压力波动、发动机进出口体积流速比不能判定过冷沸腾的发生情况，但是冷却剂的压力、温度和发动机内壁面温度可以作为过冷沸腾起始点的判定参数。Song等及Al-Yahia等对矩形窄通道内沸腾起始点进行了研究，并分别发展了基于无量纲分析和Jens-Lottes公式的过冷沸腾起始点预测关联式。Shen等通过可视化和数值模拟方法对疏水性表面的气泡行为进行了研究，结果表明水中溶解性气体对沸腾起始点的提前发生有重要的影响。

但是，对螺旋管内过冷沸腾起始点的研究在现有文献中鲜有报道。Kong等以R134a为工质，对卧式螺旋管内过冷流动沸腾起始点进行了实验研究。为进一步研究螺旋管内过冷沸腾起始点的特性，本文在较低压力和流量参数范围内，对立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的特性进行了比较，分析了实验参数对立式和卧式螺旋管内过冷沸腾起始点的影响，并基于实验数据发展了螺旋管内过冷沸腾起始点热通量的关联式。

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