垂直矩形窄通道流动沸腾可视化和换热特性实验研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.51MB 53 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 两相流传热的背景及意义...............................................................................1
§1.2 流动沸腾换热概述...........................................................................................2
§1.2.1 沸腾换热分类.........................................................................................2
§1.2.2 流动沸腾换热过程.................................................................................4
§1.3 课题研究的现状...............................................................................................5
§1.3.1 窄通道的定义.........................................................................................6
§1.3.2 流型研究进展.........................................................................................7
§1.3.3 换热特性研究进展.................................................................................8
§1.4 本文的主要研究内容.....................................................................................11
§1.4.1 研究目的...............................................................................................11
§1.4.2 主要内容...............................................................................................11
第二章 窄通道流动沸腾实验装置及数据处理...........................................................12
§2.1 实验系统.........................................................................................................12
§2.2 实验段装置结构.............................................................................................13
§2.3 实验设备和仪器..............................................................................................14
§2.4 实验数据采集系统..........................................................................................20
§2.5 实验步骤..........................................................................................................21
§2.6 实验参数及数据处理......................................................................................21
§2.6.1 需测量的参数.......................................................................................21
§2.6.2 热电偶的布置.......................................................................................22
§2.6.3 系统热平衡计算...................................................................................23
§2.6.4 实验数据处理.......................................................................................23
§2.7 本章小结.........................................................................................................24
第三章 窄通道流动沸腾可视化实验研究...................................................................25
§3.1 概述.................................................................................................................25
§3.2 流型描述.........................................................................................................25
§3.3 实验现象分析.................................................................................................27
§3.4 本章小结.........................................................................................................30
第四章 窄通道流动沸腾换热特性实验研究...............................................................32
§4.1 概述.................................................................................................................32
§4.2 流动沸腾换热机理研究.................................................................................32
§4.3 实验结论.........................................................................................................33
§4.3.1 气泡沸腾起始点的变化........................................................................34
§4.3.2 窄通道壁面温度的分布........................................................................37
§4.3.3 流动饱和沸腾换热系数实验研究........................................................39
§4.3.4 流动饱和沸腾换热系数影响因素........................................................42
§4.4 本章小结.........................................................................................................45
第五章 结论及展望.......................................................................................................47
§5.1 结论.................................................................................................................47
§5.2 对未来工作的展望.........................................................................................48
参考文献.........................................................................................................................49
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................52
致 谢...............................................................................................................................53
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 两相流传热的背景及意义
在自然界和工程中会遇到大量的相变传热过程，相变传热问题也存在于各种
换热设备中，它涉及动力、核能、制冷及低温工程、火箭与航天、化工、冶金、
食品以及多种工业过程。
上世纪 50 年代，由于工业技术的飞速发展，促使了气液两相流和传热研究工
作进一步展开。特别是核反应堆中直流锅炉的使用，要求必须掌握更详细的关于
两相流体的流动结构以及整个干度范围内的传热特性知识以推动工业的发展。随
着世界各国学者对两相流和传热问题的深入研究，总结气液两相流和传热的各种
研究成果的专著也大量出版，汽液两相流及传热已经逐步发展成一门新学科[1]。
进入 21 世纪以来，中国已经成为世界上第二大能源消耗国[2]，2000 年一次能
源消费量为 9.7 亿吨油当量，占世界消费总量的 10.4%，2008 年一次能源消费量为
20.0 亿吨油当量，占世界消费总量的 17.7%。而工业是中国能源消费的主要部门，
工业能耗约占全国能源消费总量的 70%。面对日益紧张的能源资源，中国的能源
利用效率却很低。尽管自改革开放以来,能源强度迅速下降、能源利用效率不断提
高,但能源强度(国内一次能源使用总量或最终能源使用与国内生产总值之比)仍
然为世界平均水平的 3倍。据统计，2006 年中国能源强度为 0. 91t 标准油,而世界
平均水平只有 0. 31t 标准油（如图 1-1 所示）。要提高能源的利用效率，就是要通
过依靠能源、动力、石油、化工及各行各业的科技进步来实现，而其中涉及到许
多关键作用的是多相流热物理问题。
图1-1 2006 年主要国家能源强度比较[2]
垂直矩形窄通道流动沸腾可视化和换热特性实验研究
2
在化工、食品、医药等工业中，如碱液蒸发浓缩、原料脱水等工艺中都涉及
到蒸发过程，而蒸发过程中存在着大量汽液两相流和传热方面的课题；在制冷空
调系统中，换热器和蒸发器里进行的都是气液相变传热过程。随着能源紧张问题
日益突出，世界各国都在寻求节能新技术及途径。充分研究两相流及传热过程，
可以为更好的提高传热效率，强化传热提供可靠的理论依据。从而为优化、设计
和生产节能高效的换热设备找到最有效的方法。
汽液两相流和传热研究的发展与工业的发展密切相关。工业的发展不断向汽
液两相流和传热的研究提出新课题，而气液两相流和传热研究的进展又进一步促
进了工业的发展。因此，两相流传热研究的发展能对我国能源动力工业、石油化
学工业和高新技术等乃至整个国民经济的发展起着极为重要的作用。
§1.2 流动沸腾换热概述
沸腾是指在液体内部以产生汽泡的形式进行的液体汽化过程。沸腾换热就是
伴随气液相变的传热过程，它传热速率高，需要的传热温差小，在各种能源动力
设备中得到了广泛的应用。
§1.2.1 沸腾换热分类
对于沸腾换热，可以按照沸腾发生的条件和特性来进行分类。按沸腾发生的
条件来分，可分为以下两种：
（1）均质沸腾（homogeneous boiling）：液体内部不存在固定的加热壁面，汽
泡是由能量较集中的液体高能分子团的运动和聚集而产生的，液体需要较大的过
热度。这种沸腾通常是对液体采用辐射加热的方法来实现的。由于无固相表面和
异物参与，物理过程比较单纯，所以便于进行实验研究和理论分析，这种沸腾存
在于一些有机液体中。
（2）非均质沸腾（heterogeneous boiling）：汽泡在与液相接触的固体加热壁面
上产生、成长的沸腾过程，又称为表面沸腾。这种沸腾所需过热度远低于均质沸
腾。由于有固体表面的参与，使其影响因素更复杂，但这是一种最常见、最有实
用价值的沸腾类型。
在非均质沸腾中，就流体运动的动力而言，沸腾过程又可以分为以下两种[3]：
（1）大空间沸腾（pool boiling）：液体沉浸在静止的大容器中加热表面上所发
生的沸腾。流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的
（2）流动沸腾（flowing boiling）：指在定向运动的流体中所发生的沸腾过程。
这种定向运动即可由外力驱动而产生，也可以由自然对流所形成。流体既有无相
第一章 绪论
3
变的强迫或者自然对流，又存在由于大量汽泡成长和运动所引起的对流。
无论是大空间沸腾还是流动沸腾，如按照沸腾换热的机理又可以分为以下两
种：
（1）核态沸腾（nucleate boiling）：主要以汽泡核化、生长和脱离为特征,汽化
核心对换热起着决定性作用。一般只需要很小的换热温差，但有很高的换热系数。
（2）对流沸腾（convective boiling）：以流动沸腾为例，是指当壁面上形成液
膜时，壁面和两相流体之间的换热是通过液膜的导热与对流以及膜界面上液体的
强烈蒸发进行的换热过程。
在核态沸腾中，又可以根据液体主流温度是否高于饱和温度而分为以下两个
阶段：
（1）饱和沸腾（saturation boiling）：液体温度高于饱和温度，生成的汽泡跃
离到液体主流后，会逐渐变大。
（2）过冷沸腾（subcooling boiling）：液体温度低于饱和温度，在加热壁面上
生成的汽泡进入到主流液体中会被冷凝而湮灭。
若按沸腾液体的组分来区分，又可以分为单组份液体沸腾和多组分（双组份
及双组份以上）液体沸腾。
从不同角度对沸腾换热进行分类，大致有上述几种，它们之间的关系如图 1-2
所示：
单组份液体沸腾
多组份液体沸腾
均质沸腾
非均质沸腾
大空间沸腾
流动沸腾
核态沸腾
对流沸腾
饱和沸腾
图1-2 沸腾类型
垂直矩形窄通道流动沸腾可视化和换热特性实验研究
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§1.2.2 流动沸腾换热过程
流动沸腾换热是指流体在流动中沸腾时发生的换热过程，它是流动和沸腾两
种过程的有机结合。以管道中流动沸腾为例，图 1-3 是垂直受热管道中的流动结构
和换热工况示意图
（1）单相流体对流传热区（A区）
液体受热升温，温度低于饱和值，且壁面温度仍低于形成气泡所需要的过热
度。液体与壁面的传热过程为无相变的单相液体对流换热。
（2）过冷沸腾区（B区）
液体持续受到壁面热流，液体主流温度仍低于饱和温度，壁温高于液体温度，
且达到产生汽化核心的过热度。壁面上的某些点具备了成核条件，产生了少量的
汽泡。该区域以主流过冷度的高低又可分为高过冷沸腾区和低过冷沸腾区。在高
过冷沸腾区液体温度比饱和温度低很多。汽泡依附在壁面上和弥散在近壁处，壁
面上生长的汽泡在未脱离壁面之前就被主流液体凝结而消失。在低过冷沸腾区，
随着液体逐渐被加热，靠近壁面的液体边界层温度和壁面温度不断升高，但主流
液体温度仍处于过冷状态。一方面，壁面上的汽化核心增多，另一方面，汽泡长
大至到脱离壁面进入到主流流体中时发生凝结而湮灭。在过冷沸腾区，汽泡的产
生和消失对流体起到了扰动作用，使换热系数较单相流体对流传热增高。
（3）饱和核态沸腾区（C和D区）
继续增大热流密度，液体主流温度达到饱和温度，壁面温度有足够的过热度。
在管道中气泡数量增加，可以出现泡状流、弹状流和环状流的初始阶段。该区域
的换热主要靠汽泡吸收蒸发的热量和部分过热液体被汽泡带入主流液体两种方式
的耦合进行。由于核态沸腾换热的作用，该阶段的换热系数很大。
（4）强制对流蒸发区（E和F区）
随着含气率的增加，蒸汽在通道中心形成了气柱，液体以环状的液膜形式沿
管壁向上流动。管壁的热量通过液膜的热传导传到汽-液分界面上。在液膜中，液
体夹带了少量的上游的汽泡。在 F区，由于液膜不断蒸发及液滴夹带，沿管长的
液膜逐渐变薄，最后液膜完全消失，出现蒸干现象。
（5）缺液区（G区）
液相以液滴状态弥散在气流中，壁面也与蒸汽直接接触，因传热恶化，换热
热系数陡降，壁温显著升高。在蒸干初期，蒸汽中尚含有液滴，流体温度仍处于
饱和温度。随着流体继续加热，蒸汽量增大，蒸汽流速也增加。在此区中，流体
呈雾状流动，换热机理为湿蒸汽强制对流换热。
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1两相流传热的背景及意义...............................................................................1§1.2流动沸腾换热概述...........................................................

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