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换热器械余热排放性能的探究

来源: 发布时间:2019-01-25 798 次浏览

1实验研究与分析1.1实验系统在非能动余热排出方案中,蒸汽发生器中产生的蒸汽依靠自然循环进入余热排出换热器,在换热管内壁面上冷凝,凝结下来的水流回蒸汽发生器。换热管外侧的换热形式为自然对流换热和沸腾换热。

因为管内凝结换热系数远大于管外侧自然对流换热系数,必须提高换热管外侧的自然对流换热系数,从而提高换热管的整体传热特性。为了确定整体针翅管、多孔管、低肋管和光滑管的换热特性,设计如图1所示的实验装置。

实验装置的实验段高于锅炉出口,整个实验系统为全自然循环。锅炉内产生的饱和蒸汽进入实验段并在实验管内冷凝成水,凝结水由锅炉底部流回锅炉。实验通过测量单位时间内凝结液产量的方法确定实验管的换热量。为了确定实验管外壁面的温度和水箱内冷却水的平均温度,在实验管上焊接了5对镍铬-镍硅热电偶,在水箱内设置了3对铜-康铜热电偶。实验中所采用的整体针翅管、低肋管的结构图如所示。

各实验管的主要结构参数见(其中整体针翅管的翅片间距为2.6mm)。

1.2管外单相自然对流及核态沸腾的实验研究在余热排出系统投入运行初期,换料水箱内的水温较低,此时余热排出换热器的主要换热形式为单相自然对流和过冷沸腾。反应堆紧急停堆后,反应堆的剩余功率在相当长的时间内维持在满功率的7附近,蒸汽发生器内的蒸汽压力和温度等参数亦相对稳定。然而换料水箱内的水温随时间变化而增加,直至产生稳定的核态沸腾。

在实验中始终使换热管入口处的蒸汽压力保持在一个定值(表压力0.14MPa),而水箱内的冷却水由常温变化到沸点。实验中发现,随着冷却水温度的不断增加,换热管壁面的温度也在增加。通过实验,得出了管外侧换热系数随传热温差变化的关系曲线以及换热管总传热系数随传热温差变化的关系曲线。

由实验曲线看出,随着传热温差的不断减小,管外侧换热系数和总传热系数逐渐增大:当传热温差在25~75℃时,各换热管的外侧传热系数和总传热系数上升的速率比较慢,这是因为在这个温差区域,换热管外侧的换热形式主要是单相自然对流,传热温差增加的趋势比较慢。在该区域内,低肋管的传热特性优于其他换热管,因为低肋管的管外有效换热面积大于其他换热管,同时管上的肋片增强了壁面附近流体的扰动。当传热温差在20℃直至换热管表面产生饱和核态沸腾,换热管外侧换热系数和总传热系数急速增加,且各换热管的换热系数相近,因为实验管的外壁温在100℃附近,且随着箱内冷却水温度的不断增加,换热管的外壁温也是增加的,这时换热管外侧的换热主要是过冷沸腾,因此在过冷沸腾区各换热管的换热(中国换热器行业发展)特性相近。从曲线图中也可以看出,在过冷沸腾为主导的区域内,多孔管也有着与低肋管相似的特性,但在单相对流区,其换热系数小于低肋管。

1.3核态沸腾实验因为管壁面附着的气体和实验管内的气体将影响实验的精度和实验的复现性,所以在实验开始前对实验管表面和实验系统内部进行除气,除去实验装置中的不凝性气体,然后检查测量系统的工作状况。接着利用蒸汽加热冷却水箱内的冷却水直至产生稳定的核态沸腾,然后调节电加热锅炉的加热功率使锅炉内压力维持在一个稳定值,待稳定后记录此时换热管壁面的温度及凝结液量。然后调节锅炉电加热功率使锅炉内蒸汽压力达到下一个实验点,待实验稳定后记录此时换热管壁面的温度及凝结液量。重复上述实验过程,完成实验。通过处理实验数据,得出了如所示的实验结果。

可以看出,在核态沸腾状态下,整体针翅管多孔管的管外热流密度随管壁面过热度的变化趋势相近,且都比光管与低肋管的热流密度高,约是光管(壁厚1.5mm)的2倍,是低肋管的1.6倍。这是因为当换热管壁面产生剧烈的核态沸腾时,整体针翅管和多孔管壁面的汽化核心数目多于光管,同时密集的针翅和小孔抑制了大蒸汽泡的形成,使得壁面附近流体的扰动剧烈;此外,整体针翅管针翅的存在增大了管外侧换热面积,使得换热管外表面的过热度较小,管外热流密度大于光管和低肋管。

2结论通过实验研究,对比分析了几种换热管在自然对流、过冷沸腾及核态沸腾状态下的换热特性,得出了如下结论:1)整体针翅管的有效换热面积大于其他结构的换热管,细小的针翅增强了壁面流体的扰动,因此在沸腾区整体针翅管的换热特性优于其他换热管;2)合理的翅化壁面能够提高换热管在单相自然对流和核态沸腾状态下的换热系数,实现换热设备小型化。