第卷第期西安交通大学学报附
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水平管束池沸腾换热机理的研究
陈学俊朱长新周芳德张鸣远
能源与动力工程学院
摘要以容积对流模型为塞础考虑滑移气泡机制对管束沸腾换热的影响建立了管束池沸腾的“组合模型”总的换热效果由三部分组成核态沸腾换热滑移气泡形成的
液体薄膜导热及自然对流换热在整个热流密度区域内清移气泡热流份额小于
关锐词管束沸腾换热机理
中国图书资料分类法分类号
符号表导温系数△壁面温差管束中管子外径月体积膨胀系数几气泡脱离直径密度,气泡脱离频率人导热系数重力加速度尸动力粘度,,葛拉晓夫数表面张力管束中任意管排巾滑移气泡脱离角度了修正数‘户丁两如下标平均气化核心密度。计算值滑移气泡密度实验值“努谢尔特数液相尸普朗特数核态沸腾热流密度,自然对流各热流密度份额饱和状态气泡影响面积份额次刀三滑移气泡时间气相温度壁面
收到日期一一陈学俊男年月生教授工程热物理研究所国家教委优秀教师基金资助项目
第期陈学俊等水平管束池沸腾换热机理的研究
前言
对于孤立表面池沸腾已提出许多机理模型其中较有代表性的是容积对流机理模型川
这一模型认为来自加热表面的热流由两部分组成在不受脱离气泡影响的部分热流由通常
的自然对流关系给出在受脱离气泡影响的部分热流则由气泡容积的置换效应所控制受脱
离气泡影响的加热表面区域为具有二倍脱离气泡直径的一个圆形区管束池沸腾具有不同于一般孤立表面的特点其过程也更为复杂现有的机理模型主要有三种即对流循环机理模型薄层导热模型和过热液体边界层扰动模型川迄今尚很少有人给
出了细致的定量计算分析,‘三
对管束池沸腾换热机理的理论及实验研究尚待加强本文以容积对流模型为基础引入滑
移气泡机制提出一种适合于管束池沸腾的组合机理模型认为在管束池沸腾时总的沸腾换
热效果由三部分组成核态沸腾换热滑移气泡形成的薄膜导热及自然对流换热
管束池沸腾“组合模型”的数学描述
本模型的基本换热方程
、
以下分别给出式右边各项的表达式及求解方法
核态沸腾热流密度如
根据容积对流模型川如图所示随着气泡的脱离及周围液体的置换在壁面附近的液
体中形成一维不稳态导热此时的液体层可按半无限大处理导热方程
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对于气泡生长脱离的整个周期其平均值
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对整个表面平均
二二。。
根据文献〕气泡脱离直径采用下式
刀「一一竺一一〕,,,‘一火一对于水一‘对于其它液体一‘
气泡脱离频率的求法采用下式
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这里取
滑移气泡机制产生的热流密度
管束沸腾与单管沸腾的主要区别之一是管束中各管排都不同程度地受到来自下排管子
西安交通大学学报第卷
上升气泡的冲刷这些上升气泡有一部分会紧贴上排管壁面形成滑移气泡滑移气泡的组成除
了下排管的上升气泡外还有本排管子自身下半部产生的气泡首先考虑一个滑移气泡的运动和换热情况如图所示假定气泡底部液体微层厚度为占由于液膜很薄其内传热可按一维不稳态导热问题处理其导热方程的形式仍如式所
示川本文实验现象及文献〕的观察结果表明滑移气泡的脱离角约为中一因此滑移气泡的平均滑移路程为一二。若认为滑移气泡的直径与脱离气泡直径相当根据估算壁
面对滑移气泡运动速度的影响可以忽略因而滑移气泡速度的大小可按大空间单个气泡浮升速度公式计算。〔。,一刀子〕‘‘
故气泡滑移的平均时间为。二代。,
滑移气泡在滑行时间内的平均热流密度为
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不稳态导热液层单个气泡的运动情况自然对流液层滑移气泡的生成图容积对流机理模型示意图图滑移气泡运动示意图将。对整个管子表面进行平均时需计入滑移气泡数目及影响区域占总面积的份额滑移气泡的个数及分布密度对于管束各管排来说是不同的滑移气泡来源于两部分一是下排管
子的上升气泡据文献这部分占上升气泡的由于滑移气泡效应主要在紧邻两排管子之间发生图故认为除紧邻的下排管子外其余管排的上升气泡都随主流而去不再形成对该
排管子的滑移运动滑移气泡的另一组成部分是由本排管子自身产生的管子下部产生的部分
气泡在达到脱离直径后并不是跃离壁面远去而是在自然对流流场的作用下贴管壁上升形成对自身管壁表面的滑移运动这部分滑移气泡可占总脱离气泡数目的护习这里应注意的
是来源于下排的“上升气泡”也由两部分组成一是下排管子本身产生的脱离气泡二是对下
排管子的滑移气泡至此可求得管束中各管排滑移气泡密度沿高度的分布规律
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第期陈学俊等水平管束池沸腾换热机理的研究
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对任意排展开整理有
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本文中所用管束为排列呈正方形顺列布置管子外径为。节距为管排编号由低到高为附附即…参见文献〔」的大小如表
表的大小式
从的大小可看出在管束下部滑移气泡数目沿管排高度增加很快而在管束上部滑移气泡数目则增加不多每个滑移气泡的底面积为二己因此滑移气泡机制引起的热流密度可表示为二荟。、。
自然对流换热的热流密度
根据实验数据进行估算得知在中等热流密度时满足勺尸。,故单相液体自然对流可按下式计算〔〕‘
展开可得。又,〔尹户加子〕“△‘‘
在整个管子表面平均可得自然对流热流密度叭为
一一。
将式及代入式有。。一一。
一、。。一。
上述模型的求解步骤如下
①根据实验数据由式求出的表达式△②将分别代入式和求出及
③求出各热流密度所占份额,、
结果分析
与实验结果比较以水和为沸腾工质进行计算并与实验结果进行比较实验系统及实验方法等请
西安交通大学学报第卷
参阅文献二图为热流密度的计算值与实验值的比较总的来说在低热流密度时两者符
合较差在中高热流密度时两者符合较好当时大部分的数据点超出士肠的范围计算值大于实验值这个区域管束处于单相自然对流或过冷沸腾状态
当时数据点几乎全部落在士的范围内这个区域管束处于部分核态沸腾和充分发展核态沸腾区具体到管束中每排管的沸腾曲线计算值与实验值的比较如图所示以水沸腾时的柳管为例可以看出在低热流密度时计算沸腾曲线在实验值的上方两者符合较差在中等热流密度时两者符合较好随着管排增高两者符合程度增强即在更广的热流密度区域内两者
有令人满意的吻合各热流密度的变化
图中还给出了各热流密度的大」、核态沸腾热流密度在高热热流密度时占优势单相自
然对流热流密度在低热流密度时占优势而滑移气泡热流密度在整个热流密度范围内都小于前两者计算结果表明随管排增高核态沸腾热流密度和滑移气泡热流密度增加而自然对流
热流密度略有减小
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一
二一水图热流密度计算值与实验值比较各热流密度份额在管束中各管排的分配规
律是随热流密度增大核态沸腾热流密度份额⑦实验点总热流密度计算值,核态沸腾热流密度。自然对流热流密度滑移气泡热流密度图管中水的热流密度计算值与实验值比较气和滑移气泡热流密度份额增加而自然对流热流密度份额减小在热流密度较小时
较大尤其在管束下部居支配地位以水沸腾时为例在时附的、约为
注热流密度较大时二、较大即核态沸腾占主要地位如当一时的八
在整个热流密度范围内,、。都较小八随管排增高几在更宽广的热流密度区域居主
要地位且各份额随热流密度的变化曲线也变得平坦了即热流密度大小对各换热过程的影响程度减弱图给出了附管各热流密度份额的变化情况
与水的结果比较
对于来说各热流密度随管排的变化趋势与水的情况类似只是其大小相应地低
第示期陈学俊等水平管束池沸费换热机理的研究
于水的值若对各热流密度的份额大小与水作一比较则可发现都随管排增高而增大但的大于相应水的卜值可见在沸腾时核态沸腾过程更为重要都随管排
增高而减小但的值却小于相应水的值随管排增高水和的值都增大
在管束下部的,大于水的值而在管束上部的伽却小于水的值图给出了滑
移气泡热流份额的比较情况
图
今士二目叮仁翅管中各热流密度份额的变化水图虚线一实线一水与水滑移气泡热流密度份额比较
论
本模型热流密度的计算值与实验结果的比较说明在低热流密度时两者符合较差
在中高热流密度时两者符合较好两者偏差在士之内随着管排增高模型计算值与实验
值的符合程度提高随管排增高核态沸腾和滑移气泡热流密度增加而自然对流热流密度略有减小三种热流密度的份额随热流密度大小而变在低热流密度时自然对流热流密度份额最大在高热流密度时核态沸腾热流密度份额最大在整个热流密度区域内滑移气泡热流密度份额都
最小小于铸对水和沸腾时的各热流密度份额大小进行了比较总的来说的核态沸腾热流密度份额大于水的情况而自然对流热流密度份额却比水的小对于滑移气泡热流密
度份额则是管束下部的较大管束上部水的较大参考文献
朱长新水平管束沸腾传热特性研究博士学位论文西安西安交通大学施明恒丁峰纵向阳池内泡状沸腾的管束效应工程热物理学报一
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一蒋勇弧形百叶窗分离装置分离特性和气固两相流动的研究硕士学位论文西安交通大
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上接第页张远君等两相流体动力学基础理论及工程应用北京北京航空学院出版社
凯斯克拉福特巨美习著陈熙翟殿春译对流传热与传质北京科学出版社
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