李濤，宗瀟，楊小平，劉繼平

（西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710049，西安）

汽液兩相流噴射式熱交換器是一種高速蒸汽與過冷水在有限空間內(nèi)完成直接接觸凝結(jié)換熱（Direct Contact Condensation，DCC）的設(shè)備，具有體積緊湊、換熱強(qiáng)度高、可回收換熱過程中的有用能進(jìn)行升壓等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

在DCC過程中，汽液相界面是質(zhì)量、動量和能量的主要傳輸場所，很多學(xué)者對于這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Celate等對低速蒸汽在層流水平過冷水表面的直接接觸凝結(jié)過程進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)溫度梯度集中在汽液界面的液體側(cè)，相界面按等溫面處理獲得的層流對流換熱理論模型，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好［1］；Chun等通過實(shí)驗(yàn)研究了大空間內(nèi)音速蒸汽在過冷水中水平射流的流動和凝結(jié)特性，將穩(wěn)定射流含汽區(qū)的汽羽分為圓錐形和橢圓形得到的平均換熱系數(shù)為［2］1.0～3.5MW·m－2·℃－1；Xu等對水流中的蒸汽射流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過熱平衡方法計(jì)算得到穩(wěn)定射流的平均換熱系數(shù)為［3］0.34～11.36MW·m－2·℃－1；Wu等對大空間超音速蒸汽浸沒射流進(jìn)行了研究，獲得了汽羽最大膨脹比、無量綱收縮長度及換熱系數(shù)等參數(shù)［4］。

當(dāng)高速蒸汽與過冷水在有限通道內(nèi)進(jìn)行直接接觸凝結(jié)換熱時，由于通道壁面對流體產(chǎn)生的剪切力，導(dǎo)致汽液相界面迅速地撕裂、破碎，使DCC過程表現(xiàn)出截然不同的特點(diǎn)?，F(xiàn)有研究主要針對有限通道內(nèi)汽液的流動特性［5］，而對換熱特性的研究相對較少。Malibashev等通過實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下通道內(nèi)流動參數(shù)的變化規(guī)律，采用過冷水進(jìn)出口平均溫度所對應(yīng)的飽和壓力作為汽液兩相的混合壓力［6］。Deberne等對通道內(nèi)的流動過程進(jìn)行了可視化研究，采用γ射線測定了混合腔內(nèi)含汽率的變化，發(fā)現(xiàn)截面平均含汽率在凝結(jié)過程中不斷增加，并且剛接觸時空泡率上升迅速，然后逐漸趨于常數(shù)直至產(chǎn)生凝結(jié)激波［7］。與大空間中相比，有限通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水的DCC過程缺乏系統(tǒng)的研究，有很多基本問題尚未完全研究。

由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究采用的圓柱形軸對稱結(jié)構(gòu)無法直觀獲得相界面的變化，因此設(shè)計(jì)搭建了矩形通道結(jié)構(gòu)的高速蒸汽與過冷水DCC過程的可視化實(shí)驗(yàn)臺，通過營造準(zhǔn)二維平面流動結(jié)構(gòu)，采用高速攝像機(jī)拍攝流動過程，研究相界面的演化規(guī)律，并通過分析其溫度和壓力參數(shù)，揭示其流動換熱機(jī)理，為有限通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水DCC過程的理論研究及工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

矩形通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水DCC可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要由可視化測試段、蒸汽鍋爐、給水泵、回水泵、主副水箱、閥門、高速攝像機(jī)、點(diǎn)光源、冷卻塔和管路系統(tǒng)等組成。

測試段結(jié)構(gòu)如圖2所示，主體為不銹鋼，可視化窗口由前后壁面加裝的耐高溫玻璃與流道上下壁面構(gòu)成。測試段主要幾何尺寸如表1所示。為了研究混合腔內(nèi)溫度和壓力參數(shù)的分布規(guī)律，在流道上下壁面分別布置11組測點(diǎn)進(jìn)行溫度測量，測點(diǎn)位置如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2 可視化測試段示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)使用全自動電熱蒸汽鍋爐，最大蒸汽流量為0.4t·h－1；實(shí)驗(yàn)中高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)設(shè)置采樣頻率為3 500Hz；壓力測量采用量程為0～1.0MPa的絕對壓力變送器，滿量程精度為0.1%；溫度測量采用精度為1℃的K型熱電偶，在使用前統(tǒng)一用標(biāo)定水槽進(jìn)行標(biāo)定。

1.2 蒸汽質(zhì)量流量的計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)中采用縮放形蒸汽噴嘴。當(dāng)運(yùn)行壓比低于臨界壓比時，蒸汽在噴嘴內(nèi)已經(jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，因此其質(zhì)量流量僅與入口蒸汽的狀態(tài)和噴嘴喉部截面積有關(guān)［8］

式中：ms為蒸汽質(zhì)量流量；Acr為噴嘴喉部截面積；κ為絕熱指數(shù)，飽和蒸汽取1.135；P0s為噴嘴入口蒸汽壓力；ρ0s為噴嘴入口蒸汽密度。

1.3 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)中存在的系統(tǒng)誤差與測量誤差必然會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文使用Moffat的方法［9］對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析。假設(shè)間接測量變量R是獨(dú)立的直接測量量X1，X2，…，Xn的函數(shù)，則R的不確定度為

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中測量儀器的精度和上述不確定度的計(jì)算方法，可以計(jì)算得出本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)壓力、溫度、蒸汽質(zhì)量流量、換熱系數(shù)的不確定度分別為1.0%、3.3%、2.5%和10.2%。

2 凝結(jié)形態(tài)分析

2.1 穩(wěn)定射流的凝結(jié)形態(tài)分析

在一定的入口蒸汽與過冷水參數(shù)下，矩形通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水的DCC過程會出現(xiàn)穩(wěn)定射流。圖3為Ps＝0.3MPa、Pw＝0.1MPa時通道內(nèi)的流動形態(tài)，可劃分為蒸汽區(qū)、過冷水區(qū)、汽液混合層、回流區(qū)和均勻泡狀流區(qū)，蒸汽區(qū)與汽液混合層之間有清晰的汽液相界面。

圖3 穩(wěn)定射流的凝結(jié)形態(tài)

在蒸汽區(qū)內(nèi)，噴嘴出口的蒸汽具有較高的速度，動量與能量較大，保持單相透明的狀態(tài)，在流動過程中，受過冷水壓力、溫度以及自身流動特性的影響形成一系列膨脹波與壓縮波，出現(xiàn)與相關(guān)研究中類似汽羽形狀的膨脹與收縮［4］。

在蒸汽區(qū)上部，水噴嘴出口與尾部回流區(qū)之間的區(qū)域?yàn)檫^冷水區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，過冷水由于受到在蒸汽噴嘴出口處形成的真空的影響不斷被加速；與此同時，由于壓力降低，過冷水中溶解的氣體不斷析出，產(chǎn)生少量的氣泡。

在蒸汽區(qū)與汽液混合層之間為汽液相界面。不少學(xué)者利用分子動力學(xué)理論進(jìn)行模擬，從分子水平上揭示出汽液界面可能是一個有幾個分子到幾十個分子層厚度的區(qū)域［10］。本文通過實(shí)驗(yàn)觀察確認(rèn)了汽液相界面的存在。

汽液相界面與過冷水區(qū)之間為汽液混合層，此區(qū)域?yàn)槠汗泊媲页嗜榘咨膮^(qū)域，蒸汽以小氣泡的形式存在并且產(chǎn)生小尺度的旋渦，溫度為局部壓力下的飽和溫度，湍流脈動產(chǎn)生的小旋渦對汽液相界面的形狀以及界面?zhèn)鬏斢蟹浅４蟮挠绊懀?1］。

在相界面的下游為由大量氣泡與水組成的回流區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，高速蒸汽與過冷水進(jìn)行強(qiáng)烈的動量、能量交換，使相界面附近的過冷水水流速度相對較大，從而在相界面下游上方產(chǎn)生大尺度的回流渦。該回流渦將大量氣泡輸送至過冷水區(qū)的下游并產(chǎn)生劇烈的摻混作用，使流動形態(tài)很快轉(zhuǎn)為均勻泡狀流。

2.2 凝結(jié)流型研究

如圖4所示，根據(jù)大量的可視化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同的入口參數(shù)下矩形通道內(nèi)DCC過程會出現(xiàn)泡狀流、界面振蕩射流、尾部振蕩射流、穩(wěn)定射流和發(fā)散射流等凝結(jié)形態(tài)。

當(dāng)入口蒸汽壓力小于過冷水壓力時，實(shí)驗(yàn)中觀察到了泡狀流（Ps＝0.25MPa、Pw＝0.3MPa），此時蒸汽噴嘴出口處不能形成穩(wěn)定的射流，蒸汽在噴嘴內(nèi)聚集形成氣泡，在噴嘴出口附近即發(fā)生凝結(jié)；當(dāng)入口蒸汽壓力較小且略大于入口水壓時形成了界面振蕩射流（Ps＝0.2MPa、Pw＝0.1MPa），汽液相界面存在但比較模糊，并且整個界面以一定的頻率劇烈上下擺動；當(dāng)入口蒸汽壓力較大且稍大于入口水壓時為尾部振蕩射流（Ps＝0.4MPa、Pw＝0.3MPa），蒸汽在噴嘴出口處形成射流，在距噴嘴出口較近的范圍內(nèi)觀察到了清晰的汽液相界面，但在射流尾部，相界面劇烈地上下擺動，汽液混合層厚度較大且以一定的頻率振蕩；當(dāng)入口蒸汽壓力相對過冷水壓力較大時觀察到了穩(wěn)定射流（Ps＝0.45MPa、Pw＝0.2MPa），汽液相界面穩(wěn)定且清晰，上一節(jié)中介紹的區(qū)域均會出現(xiàn)；當(dāng)入口蒸汽壓力遠(yuǎn)大于入口水壓時，由于過冷水冷凝能力不足，形成了發(fā)散射流（Ps＝0.4MPa、Pw＝0.15MPa）。

圖4 凝結(jié)形態(tài)圖

2.3 流型隨入口參數(shù)的變化規(guī)律

2.3.1 入口蒸汽壓力 如圖5所示為入口過冷水壓力保持不變時，流型隨入口蒸汽壓力的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著蒸汽壓力的增大，射流開始發(fā)生并且汽液相界面逐漸變得穩(wěn)定、清晰，射流穿透長度逐漸增加。當(dāng)蒸汽壓力較小時為泡狀流，隨著蒸汽壓力的增大形成尾部振蕩流和穩(wěn)定射流。

圖5 流型隨入口蒸汽壓力的變化規(guī)律

2.3.2 入口過冷水壓力 圖6為入口蒸汽壓力保持不變時，流型隨入口過冷水壓力的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著入口過冷水壓力的增大，射流逐漸變得不穩(wěn)定，汽液相界面逐漸變得不穩(wěn)定直至消失，射流穿透長度逐漸減小，流型從穩(wěn)定射流逐漸變?yōu)榕轄盍鳌?/p>

圖6 流型隨入口過冷水壓力的變化規(guī)律

2.3.3 流型圖 對矩形通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水DCC流動特性實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，在入口水溫保持不變時，射流凝結(jié)形態(tài)主要由入口蒸汽壓力、入口過冷水壓力決定。本文在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上建立了矩形通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水DCC流型圖，如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)入口蒸汽壓力較小時，不能形成射流，在較大區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)泡狀流；當(dāng)過冷水壓力較小時，隨著入口蒸汽壓力的相對升高，流型依次為泡狀流、界面振蕩射流、穩(wěn)定射流和發(fā)散射流；當(dāng)過冷水壓力較大時，過冷水對蒸汽區(qū)影響較大，在較大的參數(shù)范圍內(nèi)出現(xiàn)了尾部振蕩射流。

圖7 凝結(jié)流型圖

2.4 通道下壁面溫度分布

本文針對不同流型測定了通道下壁面溫度分布，分析了不同流型所對應(yīng)的溫度分布規(guī)律。

圖8 通道下壁面中心軸線處的溫度分布

圖8為通道下壁面中心軸線溫度td的分布情況?？梢钥闯觯寒?dāng)泡狀流、界面振蕩射流和尾部振蕩射流發(fā)生時，由于射流不穩(wěn)定，外部過冷水對內(nèi)部蒸汽影響較大，內(nèi)部蒸汽不能維持自身的流動狀態(tài)，在噴嘴出口處即被凝結(jié)，溫度在0～40mm范圍內(nèi)快速下降；當(dāng)發(fā)生穩(wěn)定射流時，在蒸汽區(qū)內(nèi)出現(xiàn)峰值，這是因?yàn)樵诜€(wěn)定射流內(nèi)部產(chǎn)生了膨脹波與壓縮波，這與Wu等的研究結(jié)果［4］是一致的。

3 凝結(jié)換熱系數(shù)計(jì)算

由于穩(wěn)定射流汽液相界面清晰且穩(wěn)定，其面積較易獲得。本文采用圖像分析的方法測得汽液相界面的長度，進(jìn)而可得汽液相界面的面積。

本文采用兩種方法計(jì)算了矩形通道內(nèi)DCC過程穩(wěn)定射流的平均換熱系數(shù)：方法1根據(jù)水側(cè)能量平衡，通過計(jì)算過冷水的吸熱量，取蒸汽與過冷水的對數(shù)平均溫差為平均換熱溫差，計(jì)算得到了基于水側(cè)的平均換熱系數(shù)；方法2從蒸汽側(cè)出發(fā)，通過計(jì)算蒸汽放熱量，同樣取對數(shù)平均溫差為換熱溫差，計(jì)算得到了基于蒸汽測的平均換熱系數(shù)。采用兩種方法計(jì)算得到的換熱系數(shù)如表2所示。

方法1 根據(jù)水側(cè)能量守恒有

式中：G為進(jìn)口水流量；tw2為混合腔出口水溫；tw1為入口水溫；cp＝4.2kJ·kg－1· ℃－1為水的比熱容；A為汽液相界面面積；have為平均換熱系數(shù)；Δt為對數(shù)平均溫差。

方法2 根據(jù)汽側(cè)能量守恒有

式中：hfg為凝結(jié)潛熱。

本文計(jì)算得到的平均換熱系數(shù)為5.2～9.0MW·m－2·℃－1，比 Chun（1.0～3.5MW · m－2·℃－1）［2］以 及 Wu（0.63～3.44MW · m－2·℃－1）［4］的計(jì)算結(jié)果略大一些。這是因?yàn)镈CC換熱過程的阻力主要集中在水側(cè)［12］，由過冷水的湍流運(yùn)動產(chǎn)生的旋渦增強(qiáng)了汽液之間的質(zhì)量與能量傳遞；另一方面，本文中的過冷水處于流動狀態(tài)，蒸汽凝結(jié)產(chǎn)生的熱水會沿著通道流向下游，蒸汽周圍隨時保持新鮮且溫度較低的過冷水，提高了汽液間的換熱溫差，換熱強(qiáng)度增加。由于本文中觀測到的穩(wěn)定射流工況較少，影響換熱系數(shù)的參數(shù)及其隨各參數(shù)的變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

表2 平均換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文研究了矩形通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水DCC過程的凝結(jié)形態(tài)，根據(jù)其特點(diǎn)，將流動區(qū)域劃分為蒸汽區(qū)、過冷水區(qū)、汽液混合層、回流區(qū)和均勻泡狀流區(qū)；在實(shí)驗(yàn)中觀察到了泡狀流、界面振蕩射流、尾部振蕩射流、穩(wěn)定射流和發(fā)散射流5種流型；在穩(wěn)定射流下，蒸汽區(qū)與汽液混合層之間存在清晰且穩(wěn)定的汽液相界面。研究表明，射流凝結(jié)形態(tài)主要由入口參數(shù)決定，得到了基于入口蒸汽壓力與入口過冷水壓力的流型圖。

對矩形通道下壁面中心軸線處的溫度分布進(jìn)行了分析，計(jì)算得到矩形通道內(nèi)DCC過程穩(wěn)定射流的換熱系數(shù)為5.2～9.0MW·m－2· ℃－1。

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