摘要：在近临界压力区，对垂直上升内螺纹管流动沸腾的偏离泡核沸腾(DNB)型临界热流密度(CHF)现象进行了实验研究。试验段采用φ35 mm×5.67 mm六头内螺纹管。实验参数范围为：压力18～21 MPa，质量流速500～1 000 kg/(m2·s)，进口过冷度3～5 ℃，内壁热负荷40～960 kW/m2。实验得到了不同工况下的内壁温度和传热系数分布特性，分析了流动参数对内螺纹管中DNB型CHF的影响，并根据实验数据拟合出两相区的传热关联式与临界热流密度(qCHF)预测关联式。内螺纹管的qCHF实验数据被用于与光管的qCHF预测值进行对比，发现内螺纹管具有一定的CHF强化作用，但当压力越靠近临界压力时这种作用会被抑制甚至消失。实验结果表明：在近临界压力下，内螺纹管会在低干度区甚至过冷区发生DNB现象，压力的增大和质量流速的减小均会使DNB提前发生。qCHF随压力的减小和质量流速的增大而增大。在特定工况下，试验段不同截面会分别发生偏离泡核沸腾与蒸干。
关键词：近临界压力；内螺纹管；偏离泡核沸腾；临界热流密度
近年来，超临界水冷堆(SCWR)和超超临界循环硫化床(CFB)锅炉得到了广泛重视，国内外学者也开展了大量的基础研究。在SCWR启停堆过程和事故工况以及超超临界CFB锅炉滑压运行方式下，工质必定会通过近临界压力区，因此需保证在各种工况下不发生偏离泡核沸腾(DNB)[1-2]。临界热流密度(CHF)在核反应堆及超超临界锅炉等装置的设计中是一个非常重要的热工限值，是相关研究领域的重要课题之一。内螺纹管能强化传热并有效避免DNB的发生，在实际工程中具有重要的应用前景[3]。但在近临界压力下这种强化作用会被抑制，故研究近临界压力区内螺纹管的CHF现象具有重要的实际价值。
从20世纪70年代开始，诸多学者对CHF开展了深入的实验和理论研究[4-5]。Bowring[6]针对汽水循环系统开展实验并得到了著名的临界热流密度(qCHF)预测关联式，在较宽的工况范围内对光管具有较高的预测精度。Katto和Ohno[7]提出了一种由汽液密度比(ρg/ρl)划分的新的CHF特征机制，改进了由4种机制即分别适用于蒸干(L)、偏离泡核沸腾(H)、中间状态(N)和超高压(HP)的机制来划分的qCHF预测关联式。Shah[8]提出了分别适用于上游条件和当地条件的qCHF预测关联式，并将模型预测值与23种流体的实验数据进行对比，精度较高。张庆等[9]对垂直上升内螺纹管内水的传热特性进行了实验研究，发现在近临界区并未出现明显的传热恶化，认为在亚临界压力下，内螺纹管能有效抑制DNB现象。Shen等[10]通过实验研究发现，在亚临界压力下，发生的CHF现象大多为蒸干，对比光管发现内螺纹管具有CHF强化作用，但在某一近临界压力工况下这种强化作用会消失。Chang等[11]以R134a为工质进行CHF实验，研究发现内螺纹管发生的大多为蒸干型CHF，且在相同工况下，内螺纹管的qCHF值较光管增加了40%～60%。
目前，研究DNB的文献大多集中于光管或采用低压低沸点的制冷剂[12-14]来进行实验研究，而在近临界区有关实际工质水在内螺纹管中的DNB型CHF数据非常少见。因此，研究内螺纹管在近临界压力区的DNB型CHF现象，对SCWR和锅炉水冷壁系统的设计和安全运行具有重要的指导意义。本文对垂直上升内螺纹管在近临界压力区的传热特性和DNB型CHF现象进行深入的实验研究。主要分析内壁温度和传热系数的分布特性以及流动参数对内螺纹管中CHF的影响，最终得到两相区的传热关联式与临界热流密度预测关联式。
1 实验系统装置及实验方法
实验采用低电压大电流全周加热的方式，依靠管子本身电阻产生热量加热管内工质水。试验段采用φ35 mm×5.67 mm的六头内螺纹管，材料为SA-213T12，长度为2 m。内螺纹管结构参数列于表1。实验回路系统如图1所示。
表1 内螺纹管结构参数
Table 1 Structure parameter of rifled tube
试验段内螺纹管外壁温度由布置在9个截面的φ0.254 mm镍铬-镍硅K型热电偶测得，管内壁温度由一维导热计算模型计算得出。工质温度由φ3 mm插入式铠装热电偶测得，热电偶的测量误差均为0.4 ℃。工质流量由RHEONIK质量流量计测得，测量精度为0.2%。试验段压力通过ROSEMOUNT压力变送器采集，测量精度为0.25%。发生CHF现象的截面流体焓由热平衡法依据试验段进口焓求得，再根据干度(x)定义由工质焓得到对应的x，x的最大不确定度为6.59%。实验数据采集系统由工控机和IMP3595lC分散式采集单元构成。试验段结构及其测点布置示于图2。
图1 传热实验回路系统
Fig.1 Heat transfer experimental loop system
图2 试验段结构及测点布置
Fig.2 Test section structure and measuring point arrangement
实验过程中，通过对预热段加热功率的控制维持试验段入口流体过冷度为3～5 ℃，并通过主回路调节阀和旁路调节阀将试验段的压力和流量保持在设定值，逐渐增加试验段的电加热功率以增加试验段热负荷，直至试验段发生CHF现象或壁温飞升值超过650 ℃。每次增加功率后待流动稳定及时采集内螺纹管的流动传热数据。
2 实验结果与分析
2.1 系统参数对近临界区传热特性的影响
1) 质量流速G的影响
图3示出了当压力p为19 MPa时，G对垂直上升内螺纹管的内壁温度和传热系数的影响规律。因为CHF现象发生在低含汽率区，且壁温和传热系数变化剧烈，故可判定发生的是DNB型CHF。由图3可知，DNB发生后，壁温开始急剧飞升且传热系数大幅下降。在G=500 kg/(m2·s)与G=550 kg/(m2·s)工况下，内壁温均飞升至630 ℃左右。
在DNB发生前，随试验段热负荷的缓慢增加，传热系数随工质焓的增加而逐渐上升。相应工况下的qCHF如图3所示。当G分别为500、550和710 kg/(m2·s)时，发生DNB时的临界干度分别为0.172、0.186和0.258。由此可见，同一p工况下，随G的减小，临界蒸汽干度越小，代表DNB提前发生。增大G可增强内螺纹管的旋流作用和工质的湍流扩散能力，因此能有效强化传热并推迟DNB的发生。
2) p的影响
图4示出了当G为600 kg/(m2·s)时，p对内螺纹管的内壁温度和传热系数的影响。由图4可知，CHF发生在过冷沸腾区与低干度区，由此可确定发生的是DNB型CHF。DNB发生后壁温和传热系数分别出现飞升和急剧下降现象，且p越低，壁温飞升幅度越大；同时，随p的降低，传热系数的峰值会相应增加，CHF点后传热系数下降的幅度更大。18 MPa下的传热系数峰值是21 MPa下的1.8倍，由此说明内螺纹管的强化传热作用在近临界区会被抑制，且p越靠近临界压力抑制越明显。
图3 G对内壁温度和传热系数的影响
Fig.3 Effect of mass flux on inner wall temperature and heat transfer coefficient
图4 p对内壁温度和传热系数的影响
Fig.4 Effect of pressure on inner wall temperature and heat transfer coefficient
在G=600 kg/(m2·s)工况下，当p分别为18、20和21 MPa时，临界干度分别为0.259、0.190和-0.108。随p的增大，临界干度逐渐减小，表明DNB提前发生。
3) 试验段截面的影响
为研究沿着试验段加热管长的壁温分布和传热特性，针对试验段的9个截面布置了相应的热电偶。图5示出了在p=19 MPa、G=500 kg/(m2·s)工况下，第3截面和第9截面的内壁温度和传热系数变化情况。
由图5可知，第3截面和第9截面发生CHF时的临界蒸汽干度分别为0.172与0.726，第3截面CHF发生后壁温飞升曲线和传热系数下降曲线均较第9截面相应曲线陡峭得多，且飞升与下降幅度远大于第9截面。故可判定在第3截面发生的是DNB而在第9截面发生的是蒸干。因此，在相应工况下，同一垂直上升内螺纹管中可同时发生DNB和蒸干，前者较后者严重得多，会对热工水力工况的安全运行造成巨大危害，必须加以避免。
图5 试验段截面对内壁温度和传热系数的影响
Fig.5 Effect of test cross-section on inner wall temperature and heat transfer coefficient
2.2 系统参数对CHF的影响
1) G对CHF的影响
图6示出了不同p下临界热流密度随G的变化。由图6可知，qCHF和G几乎呈线性变化。在同一p下，随G的增加，qCHF逐渐增加。这是由于G的增加会同时增强工质湍流强度和内螺纹管的扰流作用，使传热得到改善，推迟CHF现象的发生。
图6 G对临界热流密度的影响
Fig.6 Effect of mass flux on critical heat flux
2) p对CHF的影响
图7示出了当G分别为550 kg/(m2·s)和600 kg/(m2·s)时，临界热流密度随p的变化情况。由图7可知，当G相同时，qCHF随p的增大而逐渐降低。
图7 p对临界热流密度的影响
Fig.7 Effect of pressure on critical heat flux
2.3 内螺纹管的CHF强化作用
现有的预测qCHF的关系式非常多，针对光管发展起来的Bowring关联式[6]是得到普遍认可的一种较为成熟的qCHF预测模型，对于光管中发生的CHF现象具有较高的预测精度，因此可用它来预测同一实验工况且与内螺纹管具有相同尺寸的光管的qCHF，用以研究内螺纹管在近临界区相较于光管的CHF强化作用大小。内螺纹管与光管的qCHF对比结果如图8所示。
图8 内螺纹管与光管的临界热流密度对比
Fig.8 Comparison of critical heat fluxes
in rifled tube and smooth tube
研究表明，在近临界压力区内螺纹管相较于光管仍具有CHF强化作用，但对比文献[15]中亚临界压力下的内螺纹管CHF强化因子为1.3～1.5的研究结果，发现近临界区CHF强化因子较亚临界区要小得多，在21 MPa工况下的CHF强化因子甚至会小于1，这说明近临界压力区内螺纹管的强化传热作用会被抑制，且越接近临界压力，强化传热作用被抑制得越厉害甚至消失，这与文献[11]的研究结果一致。究其原因，是由于近临界区流体密度等物性变化更加剧烈，汽水密度差减小，壁面产生的汽泡不易脱离，内螺纹管的旋流离心效应也逐渐减弱，管壁尤其是肋槽内沉积的水分比例逐渐减少，形成无法润湿的区域，最后形成导热性差的汽膜层，严重削弱内螺纹管的强化传热作用。
2.4 相应传热关联式
1) 两相区正常传热关联式
为给热工水力理论计算提供完整的参考，本文也对两相区CHF现象发生前的正常传热特性进行了实验研究。考虑压力和质量流速的影响[10]，根据Martinelli数(Xtt)整理两相区的正常换热实验数据可得到：
(1)
式中：htp为两相对流换热系数；hlo为全液相对流换热系数；pcr为临界压力，取22.115 MPa；Gmax为实验中的最大G，取1 000 kg/(m2·s)。
式(1)的平均绝对误差为8.2%，标准差为11.4%。htp/hlo计算值与实验值的比较如图9所示。
图9 关联式htp/hlo计算值与实验值的比较
Fig.9 Comparison of calculated and experimental htp/hlo
2) 临界热流密度关联式
临界热流密度一般与G、p、x、管径等因素有关，为预测近临界压力区内螺纹管的qCHF，本文根据实验数据研究得到qCHF经验关联式为：
qCHF=72.427 1(22.115-p)0.333 11·
(2)
式(2)的平均绝对误差为2.5%，标准差为1.6%。适用范围为：p=18～21 MPa，G=500～1 000 kg/(m2·s)，x=-0.13～0.3。内螺纹管的几何结构对其传热性能影响巨大，因此得到的qCHF关联式仅适用于与本文相似结构的内螺纹管和上述工况范围，对近临界区的蒸干型CHF并不适用。qCHF关联式计算值与实验值的比较如图10所示。
图10 qCHF关联式计算值与实验值的对比
Fig.10 Comparison of calculated and experimental qCHF
3 结论
1) 在近临界压力区，垂直上升内螺纹管会在低x及高热流密度下发生DNB型CHF现象。G的减小和p的增加均会使临界干度减小，即DNB提前发生。增大G可改善传热。p越低，DNB型CHF发生后壁温飞升和传热系数下降的幅度越大，并且传热系数峰值会相应增加。
2) G的增加和p的减小均会使qCHF增加。在近临界区，内螺纹管的强化传热作用会受到抑制甚至消失，21 MPa下在过冷沸腾区就发生DNB。相应工况下，DNB与蒸干会在同一试验段不同截面分别发生。
3) 将内螺纹管的qCHF与光管的qCHF进行对比，发现在近临界压力区内螺纹管相较于光管仍具有CHF强化作用，但这种强化作用会随p靠近临界压力而受到抑制甚至消失。
4) 本文实验中发生的CHF现象绝大部分都是DNB型CHF。根据实验数据研究得到的qCHF关联式对近临界区内螺纹管中发生的DNB型CHF现象预测精度良好，但适用于其他实验工况和通道几何结构的qCHF预测关联式还需更深入的研究。
