施軼煒 王 文 耑 銳 張 亮 金 鑫

（1 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240）

（2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201108）

1 引言

低溫流體在能源、航天、電子冷卻等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用背景。近十幾年來(lái),低溫流體的應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷擴(kuò)展,不僅用作航天領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑以及在軌預(yù)冷的制冷劑,還被用來(lái)冷卻計(jì)算機(jī)硬件以增加計(jì)算速度[1]。使用低溫流體對(duì)輸運(yùn)管路進(jìn)行預(yù)冷是低溫流體輸運(yùn)中的一項(xiàng)重要工藝流程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多以仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式對(duì)低溫流體管內(nèi)流動(dòng)換熱進(jìn)行研究。

Velat 等[2]以水平管路中的液氮作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)多工況實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液氮的質(zhì)量流量對(duì)水平管內(nèi)流型分布具有很大的影響。Hu 等[3]開展了豎直方向的液氮管路冷卻實(shí)驗(yàn),探究豎直管路冷卻速率與管內(nèi)的流型變化,發(fā)現(xiàn)豎直向上管路的冷卻時(shí)間比豎直向下管路更長(zhǎng),臨界熱流密度更小。Hartwig 等[4]通過(guò)豎直管路預(yù)冷實(shí)驗(yàn),比較了液氮和液氫在流型轉(zhuǎn)變和換熱特性上的差距,發(fā)現(xiàn)液氮預(yù)冷管路以膜態(tài)沸騰為主,而液氫預(yù)冷管路膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間較短。劉海飛等[5]搭建了低溫水平加注管路系統(tǒng)預(yù)冷實(shí)驗(yàn),并安裝了可視化觀察窗以觀察水平管路流型的瞬態(tài)變化。Jin 等[6]采用液氮作為工質(zhì),研究了長(zhǎng)距離輸送管的預(yù)冷特性,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。Darr 等[7-8]以不銹鋼管道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,開展不同流向的預(yù)冷實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)豎直方向管路的預(yù)冷效率優(yōu)于水平和傾斜管路。

綜上所述,現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)多以管內(nèi)流型及整體換熱特性為研究對(duì)象,對(duì)預(yù)冷過(guò)程管內(nèi)流型特征及其換熱性能的分析并不充分,而且對(duì)預(yù)冷流體流動(dòng)角度影響的討論較少。本文搭建了可調(diào)節(jié)角度的管路預(yù)冷實(shí)驗(yàn)臺(tái),并在管路上下游不同截面、不同水平高度處布置壁溫測(cè)點(diǎn),以深入討論管路預(yù)冷過(guò)程的換熱特征。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的裝置實(shí)物圖如圖1 所示,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。液氮從自增壓液氮罐流出后,先后經(jīng)過(guò)截止閥、渦輪流量傳感器、溫度變送器、壓力變送器和安全閥,將上游測(cè)試段管路進(jìn)行預(yù)冷,液氮的流量可根據(jù)液氮罐的壓力以及閥門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。待測(cè)試段完成冷卻后,關(guān)閉旁路閥門,打開實(shí)驗(yàn)端閥門,保證液氮以單相過(guò)冷的狀態(tài)進(jìn)入不銹鋼實(shí)驗(yàn)管路。不銹鋼管路的壁面溫度由四線制鉑電阻進(jìn)行測(cè)量,并與管道入口的壓力、溫度、流量信號(hào)一同由數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34970A）采集儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of experimental system elements

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of experimental test loop

為研究管路沿程液氮預(yù)冷效率的差異,分別選取距離管道入口100 mm、250 mm、550 mm 三個(gè)截面為重點(diǎn)數(shù)據(jù)采集截面；為分析液位及液氮流向?qū)苈防鋮s及換熱特性的影響,在管路同一截面的上、中、下3個(gè)位置均布置鉑電阻,布置位置如圖3 所示。

圖3 壁溫測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of wall temperature measuring points

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)工況介紹

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了7 種不同的工況,用于分析管路流向、流量及管路進(jìn)出口壓差對(duì)管內(nèi)液氮預(yù)冷沸騰換熱性能的影響。其中3 種工況在水平管路中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),4 種工況在傾斜30°的工況下進(jìn)行,通過(guò)實(shí)驗(yàn)段支架角度的調(diào)節(jié)控制液氮流向,管路實(shí)物圖如4 所示。實(shí)驗(yàn)中液氮流量通過(guò)液氮罐閥門及截止閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié),通過(guò)控制閥門開度來(lái)保證液氮流量在趨勢(shì)和數(shù)值上近似相同。管路的壓差通過(guò)調(diào)節(jié)液氮罐的增壓閥進(jìn)行控制。綜上所述,7 種工況的實(shí)驗(yàn)匯總表如表1 所示。

圖4 不同流向?qū)嵨飯DFig.4 Photos of different flow directions in experiments

表1 實(shí)驗(yàn)工況匯總表Table 1 Conditions for experiments

3.2 各工況壓力與流量變化分析

鑒于管路預(yù)冷過(guò)程受復(fù)雜兩相流動(dòng)的影響,流體的壓力和流量均會(huì)對(duì)管壁的溫降和換熱產(chǎn)生影響,因此對(duì)工況1—7 的瞬態(tài)入口壓強(qiáng)和流量進(jìn)行記錄,結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知,管內(nèi)液氮壓力和流量總體呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象,在實(shí)驗(yàn)開始后一段時(shí)間內(nèi)均發(fā)生了波動(dòng)的情況。此外,通過(guò)流量的變化也可以發(fā)現(xiàn),在控制其他因素不變的情況下,控制閥門開度可以對(duì)流量起到有效的調(diào)節(jié)和控制作用。當(dāng)閥門的開度較大時(shí),流量最后會(huì)趨于2.0 m3/h,當(dāng)閥門的開度適中或者較小時(shí),流量會(huì)分別趨于1.5 m3/h 和1.0 m3/h。

圖5 壓強(qiáng)和流量記錄Fig.5 Records of pressure and flow rate

3.3 水平預(yù)冷管路溫降分析

以工況2 為參考工況,管壁面的監(jiān)測(cè)位置以圖3為標(biāo)準(zhǔn),討論水平輸運(yùn)管路的預(yù)冷情況,分析管路沿程方向不同位置處的壁面溫度變化,結(jié)果如圖6所示。

圖6 水平管路壁面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6 Wall temperature traces for horizontal pipe

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特征和現(xiàn)有研究,管路的預(yù)冷換熱過(guò)程可劃分為以下5 個(gè)階段:氣相強(qiáng)制對(duì)流換熱階段、膜態(tài)沸騰階段、過(guò)渡沸騰階段、核態(tài)沸騰階段以及液相強(qiáng)制對(duì)流換熱階段。當(dāng)液氮進(jìn)入管路后,巨大的溫差使得液氮發(fā)生沸騰劇烈汽化,管壁面汽化的速度遠(yuǎn)大于氣體被帶走的速度,因此會(huì)在壁面和液氮之間產(chǎn)生一層氣膜,從而發(fā)生膜態(tài)沸騰,阻礙了壁面的冷卻。此時(shí)管路后段由于沒(méi)有液氮的介入,仍處于氣相強(qiáng)制對(duì)流換熱階段。隨著液氮的不斷注入,氣膜逐漸產(chǎn)生破裂,液氮開始接觸壁面,沸騰模式開始由膜態(tài)沸騰向過(guò)渡沸騰和核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變,管壁面溫度發(fā)生驟降,直至管內(nèi)充滿液氮完成預(yù)冷。從圖中還可以看出:離管道入口最近的截面1 處壁面并沒(méi)有明顯的沸騰模式轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,管壁面的溫度下降趨勢(shì)全程近似相同,而管道前段的截面2 與后段的截面3 均可觀察到壁面溫度發(fā)生驟降的情況,可視為膜態(tài)沸騰結(jié)束的標(biāo)志?，F(xiàn)將截面2、3 的6 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)膜態(tài)沸騰結(jié)束時(shí)間和壁面溫度數(shù)據(jù)重點(diǎn)討論,如圖7 所示。

圖7 各測(cè)點(diǎn)膜態(tài)沸騰結(jié)束情況Fig.7 End situation of film boiling for observation points

由圖7 可知,水平管路同一截面的頂部、中部以及底部,膜態(tài)沸騰持續(xù)的時(shí)間幾乎相同,底部會(huì)略微優(yōu)先開始向過(guò)渡沸騰轉(zhuǎn)變,原因可能是因?yàn)樵谥亓Φ淖饔孟?液氮往管路底部沉積導(dǎo)致氣膜更早發(fā)生破裂；管路下游膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間看起來(lái)更長(zhǎng),但鑒于產(chǎn)生氣膜的速率不同,膜態(tài)沸騰的起始時(shí)間也不同,因此無(wú)法作橫向?qū)Ρ?需要進(jìn)行進(jìn)一步的可視化實(shí)驗(yàn)以觀察氣膜的演化；同一截面底部的再濕潤(rùn)溫度最低,其次是中部,頂部的再濕潤(rùn)溫度最高,這點(diǎn)可能是因?yàn)橐旱亩逊e導(dǎo)致管路底部的溫度更低；管路下游的再濕潤(rùn)溫度明顯比上游低；液氮最低膜態(tài)沸騰溫度大致范圍為120—140 K。

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可信度,曾對(duì)水平管的預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算,管路尺寸及壁溫監(jiān)測(cè)位置與實(shí)驗(yàn)保持一致,膜態(tài)沸騰及核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)采用Darr[8]提出的經(jīng)驗(yàn)公式,預(yù)冷沸騰特征點(diǎn)的計(jì)算則分別采用Jin[6]和Darr[9]提出的公式,Wang 等[10]證明了上述公式在水平管路預(yù)冷計(jì)算中的適用性。計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖8 所示。從圖8 可以看出,二者總體上吻合較好,也從一方面說(shuō)明上述針對(duì)實(shí)驗(yàn)的定性分析合理。鑒于數(shù)值計(jì)算根據(jù)壁面溫度決定沸騰模式和傳熱系數(shù),而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中管路上游沸騰模式的轉(zhuǎn)變不如下游明顯,因此下游的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。

圖8 計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Comparison of calculation and experiment

3.4 不同流向?qū)苈奉A(yù)冷的影響

鑒于工況2、7 的液氮壓力和流量變化比較相似,選取工況2、7 作為討論流向?qū)苈奉A(yù)冷影響的參考對(duì)比工況,工況2 為水平管路,工況7 為傾斜30°管路。將兩組工況的管壁面溫度變化情況作圖,如圖9 所示。由圖9 可知,針對(duì)管道預(yù)冷過(guò)程的同一截面位置,水平管路和傾斜管路的溫降趨勢(shì)有所差異。在管道的前段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間比水平管道更短,也更早完成預(yù)冷,而再潤(rùn)濕溫度相差不大；在管道的后段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)的時(shí)間則更長(zhǎng),再潤(rùn)濕溫度比水平管道高,管路整體完成冷卻的時(shí)間也更長(zhǎng)。以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是在重力作用下,液氮在傾斜管道具有沿程加速度,從而對(duì)氣膜形成更大的沖擊力。另一方面,傾斜管道的氣膜會(huì)在管壁面產(chǎn)生滑移現(xiàn)象,逐漸往管道下游移動(dòng),從而在管道下游形成更穩(wěn)定的氣膜。

3.5 壓降對(duì)管路預(yù)冷的影響

在控制流向和閥門開度一致的情況下調(diào)節(jié)自增壓液氮罐的增壓閥,可以對(duì)入口液氮實(shí)現(xiàn)加壓。由于實(shí)驗(yàn)出口為開放的環(huán)境壓力,因此可以分析管路進(jìn)出口壓降對(duì)管路預(yù)冷的影響。對(duì)比分析工況5和7 的壓力及流量,如圖10 所示,在控制閥門開度一致的情況下,液氮的流量均在1.5 m3/h 左右浮動(dòng),此時(shí)增加液氮罐的壓力,液氮流量會(huì)在1.0—1.5 m3/h 區(qū)間內(nèi)發(fā)生小范圍的振蕩。在此條件下,分析對(duì)比管路壁面溫降情況,如圖11 所示。由圖11 可知,在改變?nèi)肟谝旱獕毫Φ那闆r下,管路最終預(yù)冷達(dá)到的溫度也不同,且壓力越大,預(yù)冷溫度越高。這是因?yàn)橐旱迌?nèi)存儲(chǔ)的液氮過(guò)冷度比較低,在增大壓力的情況下,液氮的飽和溫度會(huì)相應(yīng)上升,使得管路最終完成預(yù)冷的溫度變高。此外,增大進(jìn)出口壓差可以提高管路預(yù)冷效率,液氮壓力的增大會(huì)使管道壁面溫度更快下降,并且管路下游更為明顯,甚至可以節(jié)省約一半時(shí)間。進(jìn)一步分析溫降曲線,在增大液氮壓力的情況下,壁面的再潤(rùn)濕溫度會(huì)略微上升,但影響不大,過(guò)渡沸騰和核態(tài)沸騰階段溫降趨勢(shì)也較為相似。因此可以推測(cè)增大液氮壓力可以增大氣相強(qiáng)制對(duì)流以及膜態(tài)沸騰階段的傳熱系數(shù)。

圖10 工況5 和7 壓力和流量對(duì)比Fig.10 Comparison of pressure and flow rate for case 5 and 7

圖11 不同入口壓力下管路的壁面溫度變化情況Fig.11 Wall temperature traces for different inlet pressure

如圖10 所示,在液氮流量趨近1.5 m3/h 的工況下,保持閥門開度不變,增大液氮罐的壓力會(huì)使液氮流量在1.0—1.5 m3/h 區(qū)間內(nèi)發(fā)生小范圍震蕩,因此管路完成預(yù)冷過(guò)程中液氮的總消耗量更低。在一定范圍內(nèi)增大液氮的壓力不僅可以加快管路預(yù)冷的效率,還可以減少制冷劑的消耗量。

4 結(jié) 論

建立了內(nèi)徑為20 mm,長(zhǎng)度為700 mm 的不銹鋼輸運(yùn)管路液氮預(yù)冷沸騰實(shí)驗(yàn),探究了水平管路預(yù)冷過(guò)程中沿程不同截面的溫降特點(diǎn),討論了上游預(yù)冷情況、管道流向以及入口液氮壓力對(duì)管路預(yù)冷的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論:

針對(duì)管路上游進(jìn)行預(yù)冷,可以避免液氮在進(jìn)入管路后壓力和流量發(fā)生劇烈的波動(dòng),因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,有必要針對(duì)管路上游進(jìn)行預(yù)冷；管路預(yù)冷沿程方向的沸騰換熱模式會(huì)略有差異,管路前段并無(wú)明顯的膜態(tài)沸騰向過(guò)渡沸騰轉(zhuǎn)變的特征變化,同一截面管路底部的再潤(rùn)濕溫度更低,同一水平面管路后段的再潤(rùn)濕溫度更低；對(duì)于管道前段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間比水平管道短,對(duì)于管道后段,傾斜管道膜態(tài)沸騰持續(xù)的時(shí)間則更長(zhǎng),再潤(rùn)濕溫度比水平管道高；增大管路進(jìn)出口壓降不僅可以加快管路預(yù)冷的效率,還可以減少制冷劑的消耗量。