1 前言

    隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，工業(yè)裝備日趨高參數(shù)化和大型化，工況條件越來越惡劣。尤其在航天領(lǐng)域，所涉及的管路系統(tǒng)或裝置越來越復(fù)雜，高溫閥門的應(yīng)用越來越廣泛。本文主要針對用于風(fēng)洞試驗的超高溫閥閥座的換熱性能進(jìn)行研究，該閥門安裝在空氣加熱器出口至超聲速風(fēng)洞進(jìn)氣口的連接管路上，在風(fēng)洞試驗中用于啟動和關(guān)閉風(fēng)洞高溫空氣源。閥座內(nèi)腔流道通高溫空氣，為了降低閥座表面的溫度和減小溫差應(yīng)力，在其外壁開設(shè)矩形小槽道并在槽內(nèi)通冷卻水，以強(qiáng)化對流換熱，對于如此超高溫閥閥座的換熱是一個較為復(fù)雜的過程。

    國內(nèi)對于矩形小槽道換熱性能的研究尚且不多，尤其是將矩形小槽道應(yīng)用到閥門領(lǐng)域。羅小平等通過對不同尺寸槽道的換熱性能進(jìn)行試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水力直徑為2mm的矩形小槽道在對流傳熱方面與常規(guī)尺寸槽道接近，對于本文所研究的閥座矩形槽道可采用傳統(tǒng)常規(guī)尺寸經(jīng)典理論進(jìn)行分析計算。本文主要目的在于，通過對多種不同尺寸矩形槽道在不同流量下的傳熱進(jìn)行試驗研究和理論分析，揭示閥座換熱與槽道尺寸及冷卻水流量之間的關(guān)系，并通過優(yōu)化得出最佳換熱性能時冷卻水流量與槽道尺寸的關(guān)系，供以后的研究參考。

    2 閥座結(jié)構(gòu)與傳熱過程

    2.1 閥座結(jié)構(gòu)與工質(zhì)參數(shù)

    閥座的結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥座內(nèi)腔流道直徑為150mm，閥座外壁均勻開設(shè)50個尺寸為10mm×5mm的矩形小槽道，閥座長為400mm，閥座壁厚為5mm。由于工質(zhì)溫度很高，閥座材料選擇鋯青銅，閥座外層敷設(shè)絕熱材料以減少熱量散失。

    閥座內(nèi)腔流道工質(zhì)為高溫空氣，進(jìn)氣溫度為1500℃，工作壓力5MPa，流速為60m/s；閥座外壁槽道工質(zhì)為冷卻水，進(jìn)口水溫為10℃。

    2.2 傳熱過程

    閥座總傳熱過程如圖2所示，閥座內(nèi)腔流道的高溫空氣高進(jìn)低出，為達(dá)到充分換熱，冷卻水通過閥座下部的分配管道進(jìn)入到閥座外壁的矩形小槽道低進(jìn)高出。閥座內(nèi)壁與高溫空氣、小槽道里的冷卻水與閥座外壁均為管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱，閥座內(nèi)外壁為熱傳導(dǎo)。

    3 理論分析與試驗研究

    3.1 理論分析

    根據(jù)要求，冷卻水出口溫度應(yīng)小于單相流的最高溫度100℃，高溫空氣出口溫度應(yīng)大于進(jìn)行風(fēng)洞實驗的最低溫度1465℃，閥座壁面最高溫度不得超過300℃，以保證不被高溫氧化。對閥座進(jìn)行理論分析，目的是為計算冷卻水出口溫度、高溫空氣出口溫度及閥座內(nèi)壁溫度。

    假定已知冷卻水和高溫空氣的出口溫度，由管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱準(zhǔn)則、傅里葉定律及熱量傳遞過程中能量守恒定理得出相關(guān)方程，根據(jù)已有條件校核冷卻水和高溫空氣出口溫度。具體過程如下：對冷卻水和高溫空氣的出口溫度分別進(jìn)行假設(shè)，分別得出冷卻水和高溫空氣的平均溫度，從而確定相關(guān)物性參數(shù)。

    冷卻水的平均溫度：

    T=（T_in+T_out）/2    （1）

    式中  T———冷卻水的平均溫度，K

    T_in、T_out———冷卻水進(jìn)、出口溫度，K

    高溫空氣的平均溫度：

    T_f=（T_{f_in}+T_{f_out}）/2     （2）

    式中  T_f———高溫空氣平均溫度，K

    T_{f_in}、T_{f_out}———高溫空氣進(jìn)、出口溫度，K

    根據(jù)管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱準(zhǔn)則，分別計算出閥座內(nèi)腔流道高溫空氣和閥座外壁槽道冷卻水的雷諾數(shù)，經(jīng)判定，均為湍流，故可以選擇格尼林斯基關(guān)聯(lián)式分別求得兩種工質(zhì)的努塞爾數(shù)，進(jìn)而求出兩種工質(zhì)與壁面的對流換熱系數(shù)。經(jīng)整理得冷卻水與槽道壁的對流換熱系數(shù)：

    式中  h———水對流換熱系數(shù)，W/（m²?K）

    q_m———水的質(zhì)量流量，kg/s

    n———槽道個數(shù)

    ρ———水的密度，kg/m³

    ν———水的運動粘度，m²/s

    d_e———槽道水力直徑，m

    λ———水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m?K）

    Pr———水的普朗特數(shù)

    C_l———閥座外壁槽道短管修正系數(shù)

    C_r———閥座外壁槽道彎管修正系數(shù)

    C_t———閥座外壁槽道溫差修正系數(shù)

    高溫空氣與流道壁的對流換熱系數(shù)：

    式中  h_f———高溫空氣換熱系數(shù)，W/（m²?K）

    u_f———高溫空氣流速，m/s

    d———閥座內(nèi)腔流道直徑，m

    λ_f———高溫空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m?K）

    ν_f———高溫空氣運動粘度，m²/s

    P_rf———高溫空氣普朗特數(shù)

    C_fl———閥座內(nèi)腔流道短管修正系數(shù)

    C_fr———閥座內(nèi)腔流道彎管修正系數(shù)

    C_ft———閥座內(nèi)腔流道溫差修正系數(shù)

    在實際工程應(yīng)用中，可將該超高溫閥座導(dǎo)熱體近似認(rèn)為是圓筒壁，由傅里葉定律求得閥座壁面溫差。

    流道內(nèi)壁與槽道內(nèi)壁溫差：

    根據(jù)熱量傳遞過程中能量守恒的定理，閥座內(nèi)腔流道高溫空氣的散熱量等于閥座壁面導(dǎo)熱量，也必然等于閥座外壁槽道冷卻水的對流換熱量。

    閥座整體換熱量：

    根據(jù)已有閥座特性、冷卻水進(jìn)口溫度和高溫空氣進(jìn)口溫度、冷卻水流量和高溫空氣流速等，由方程組（1）～（9）校核出口水溫和高溫空氣出口溫度，并計算出閥座內(nèi)壁溫度。

    3.2 試驗研究

    整個試驗系統(tǒng)如圖3所示。

    冷卻水由水源流出，經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)至合適流量后，進(jìn)入到試驗段的閥座矩形槽中，當(dāng)高溫空氣流經(jīng)試驗段的閥座中腔通道時，則會與冷卻水進(jìn)行對流換熱。試驗段裝有溫度測量系統(tǒng)，可對冷卻水和高溫空氣進(jìn)的出口溫度及閥座壁面溫度進(jìn)行測量。

    3.3 試驗與理論結(jié)果對比

    試驗時，通過控制調(diào)節(jié)閥使得泵的質(zhì)量流量分別為1、2、3kg/s，試驗進(jìn)行時間均為10min，此時閥座壁面溫度均已達(dá)到穩(wěn)定，同時對3種不同流量下閥座的換熱進(jìn)行理論計算。所得出的試驗值和理論值如表1所示。

通過試驗研究和理論分析得知：最大誤差不超過5%，理論值與實驗值基本吻合。為研究方便，可進(jìn)一步采用對流換熱理論分析不同槽道尺寸及不同冷卻水流量下閥座的換熱特性。

    4 換熱性能研究

    4.1 換熱特性評價

    設(shè)計7種槽道水力直徑，分別為5、6、6.667、7.143、7.5、7.778、8mm，對每一尺寸閥座進(jìn)行分析時，分別調(diào)節(jié)冷卻水流量至1、1.5、2、2.5、3kg/s。

    圖4、5分別表示閥座內(nèi)壁溫度和高溫空氣出口溫度隨槽道水力直徑及冷卻水流量的變化趨勢。

    從圖可以看出在相同流量條件下，閥座流道內(nèi)壁溫度和高溫空氣出口溫度均隨槽道水力直徑的增大而逐漸增大。在相同槽道水力直徑條件下，閥座內(nèi)壁溫度和高溫空氣出口溫度均隨流量的增大而減小。閥座內(nèi)壁溫度均小于300℃，符合閥座材料溫度使用要求，高溫空氣出口溫度變化較小，且都大于1465℃，能滿足風(fēng)洞試驗要求。

    圖6表示閥座外壁槽道冷卻水出口溫度隨槽道水力直徑及冷卻水流量的變化趨勢?？梢钥闯鲈谙嗤髁織l件下，冷卻水出口溫度隨槽道水力直徑的增大整體呈現(xiàn)減小的趨勢。在相同槽道水力直徑條件下，流量越大，出口水溫越小。出口水溫均小于100℃，能保證冷卻水為單相流。

    4.2 換熱性能優(yōu)化

    通過對流換熱理論得出不同槽道水力直徑和不同冷卻水流量下的閥座換熱特性，在所研究的范圍內(nèi)，能保證閥座外壁槽道冷卻水為單相流，出口高溫空氣溫度能滿足風(fēng)洞試驗要求，同時閥座內(nèi)壁不會被高溫氧化。由于不同水力直徑及不同冷卻水流量下的冷卻水和高溫空氣的進(jìn)出口溫度可由圖5和圖6查得，為更好了解閥座的整體換熱性能，定義換熱性能ε為實際傳熱量與理想傳熱量之比，也可表示為冷流體或熱流體在閥座中的實際溫度差值的大者與流體在閥座中可能發(fā)生的最大溫度差值的比值。

    顯然，換熱性能ε與槽道的水力直徑d_e及冷卻水流量q_m密切相關(guān)。為保證槽道內(nèi)冷卻水為單相流，ε的最大值為6%。以d_e為X軸，q_m為Y軸，通過Matlab擬合出關(guān)于換熱性能ε的三維曲面，如圖7所示。分析換熱性能時，應(yīng)控制槽道水力直徑不得低于3mm，以保證能采用常規(guī)理論計算，且不得高于8mm，以保證閥座不被高溫氧化。

    由圖7任取4點關(guān)于ε的最大值，對其進(jìn)行擬合，得：

    q_m=－0.0008d²_e－0.0076d_e+0.9799    （11）

    其中，3≤d_e≤8，當(dāng)d_e和q_m的值滿足方程（11），則閥座換熱性能ε達(dá)到最優(yōu)，可為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

    5  結(jié)論

    （1）通過試驗研究和理論分析，閥座對流換熱的理論值與試驗值最大誤差不超過5%。考慮試驗條件有限，可直接采用對流換熱理論分析閥座換熱性能。

    （2）閥座外壁矩形槽道的水力直徑及冷卻水流量對閥座的換熱性能影響顯著。水流量一定時，水力直徑越大，閥座內(nèi)壁溫度、高溫空氣出口溫度均越大，而出口水溫越小；水力直徑一定時，出口水溫、高溫空氣出口溫度及閥座內(nèi)壁溫度均隨水流量的增大而減小。

    （3）在高溫空氣出口溫度大于風(fēng)洞實驗最低溫度，且保證冷卻水為單相流，同時所選閥座材料能滿足溫度使用要求的條件下，只要d_e和q_m的值滿足方程（11），則閥座的換熱性能ε達(dá)到最優(yōu)。

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