張仲彬 劉文生 鄭孔橋 徐志明

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，兩相流越來越多地被應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中，對國民經(jīng)濟(jì)的影響也逐步凸顯。在動力、石油、核能、冶金、制冷、化工及航天等領(lǐng)域有許多設(shè)備都涉及氣液兩相流流動工況。研究兩相流動的換熱、壓降和分布特性對于指導(dǎo)工程實踐具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)在兩相流動中不同的流型對壓差及傳熱特性等有很大的影響[1～3]。因此氣液兩相流流型識別的研究受到關(guān)注，并提出許多實時流型識別方法[4,5]。為了直觀研究兩相流流型的變化規(guī)律，文獻(xiàn)[6，7]對實驗臺進(jìn)行了可視化設(shè)計。由于不同尺寸的氣泡所產(chǎn)生諸如含氣率分布、湍流強度、流型的形成及轉(zhuǎn)變等方面的特征差異[8，9]，因此文獻(xiàn)[10～12]針對氣泡尺寸、速率和分布情況對水流流場、流速的脈動強度、傳熱效果和壓降的影響進(jìn)行了研究。

板式換熱器作為一種高效的換熱設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力、食品及化工等行業(yè)。對于板式換熱器內(nèi)的兩相流動，國外學(xué)者研究較多。文獻(xiàn)[13]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)由水和空氣組成氣液兩相流，隨著氣相流速的增加，氣液兩相流的流型從泡狀流、旋轉(zhuǎn)泡狀流到環(huán)狀流依次變化；向下流動時觀察到彈狀流、環(huán)狀流和分層流動，并且流型不是突變的而是連續(xù)變化的，文獻(xiàn)[14]研究結(jié)果表明板式換熱器內(nèi)兩相流動具有良好的換熱性能，也證實了氣、液相的速度對兩相壓降都有很大影響，但流型對壓降幾乎沒有影響[15]。氣液兩相流在板式換熱器中的流動時，由于增加了流動變量，并且氣液兩相的相對速度及氣相的體積分?jǐn)?shù)等物性參數(shù)有很大的隨機性，因此流動換熱情況復(fù)雜且具有隨機性[16，17]，然而文獻(xiàn)中對氣泡尺寸影響板式換熱器性能卻鮮見報道。

筆者通過實驗和數(shù)值模擬的方法來分析研究不同尺寸氣泡對板式換熱器性能的影響。以便更好地了解氣泡在板式換熱器中的分布狀態(tài)，為進(jìn)一步研究氣泡流動演變特性提供參考。

1 實驗系統(tǒng)與原理

1.1實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。實驗系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖1中未畫出)和待測板式換熱器5部分組成。系統(tǒng)的循環(huán)系統(tǒng)分為冷水側(cè)和熱水側(cè)，冷水側(cè)由壓縮機壓縮的空氣經(jīng)平衡閥、壓力表和空氣轉(zhuǎn)子流量計到混合器與低溫介質(zhì)循環(huán)泵輸送的水組成冷卻工質(zhì)進(jìn)入板式換熱器吸熱，然后流入冷卻水箱，在冷卻水箱中由變頻風(fēng)冷系統(tǒng)調(diào)整溫度，使溫度維持在一定范圍。而熱水側(cè)熱水由電加熱器加熱經(jīng)高溫介質(zhì)水泵、渦輪流量計進(jìn)入換熱器放熱后重新流回恒溫介質(zhì)水箱再加熱，如此循環(huán)往復(fù)。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

實驗使用的氣液兩相流裝置，在其內(nèi)部粘合一塊塑料孔板，上面均勻分布直徑大小相同的小孔，既保證氣相能夠較為均勻地分布在液相中，又使氣泡尺寸一致。通過改變孔徑d來改變氣泡尺寸，本實驗應(yīng)用了4個不同孔徑的孔板，其進(jìn)氣孔徑分別為0.5、1.0、1.5、2.0mm。

1.2實驗原理

理論上換熱器的換熱量Φ等于熱側(cè)放熱量Φ1與冷側(cè)吸熱量Φ2之和，但考慮到換熱器的散熱損失，兩者并不相等，定義熱平衡相對誤差η=|Φ1-Φ2|/Φ1×100%，若η≤5%，則認(rèn)為實驗數(shù)據(jù)合理?？倐鳠嵯禂?shù)k為：

(1)

(2)

(3)

式中A——換熱面積，m2；

k——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Δtm——對數(shù)平均溫差，℃；

Δtmax——換熱器端部溫差的最大值，℃；

Δtmin——換熱器端部溫差的最小值，℃。

1.3氣泡尺寸的測量

如圖2所示，筆者采用抽取混合的氣液兩相流導(dǎo)入細(xì)管內(nèi)，通過測量氣體在管內(nèi)的延伸長度L，計算氣泡直徑d氣=(1.5L·d管)1/3[18]，其中d管為毛細(xì)管內(nèi)徑。

圖2 氣泡直徑測量方法示意圖

研究發(fā)現(xiàn)在采用不同進(jìn)氣孔徑的孔板可得到不同大小的氣泡。通過改變不同氣液混合比，當(dāng)流動穩(wěn)定后進(jìn)行分別測量，每組連續(xù)采集200個數(shù)據(jù)點，研究發(fā)現(xiàn)相同進(jìn)氣孔徑的板片導(dǎo)出兩相流中的L基本在很小范圍內(nèi)波動，所以采用概率統(tǒng)計的方法，最終求取平均值得出不同孔板孔徑對應(yīng)的不同氣泡尺寸(表1)。

表1 不同孔徑板片對應(yīng)所得不同直徑的氣泡

2 實驗結(jié)果分析

2.1氣相雷諾數(shù)變化的影響

為分析氣液兩相雷諾數(shù)對板式換熱器傳熱性能的影響，本實驗對比分析了4組不同液相雷諾數(shù)ReL和5組不同氣相雷諾數(shù)ReG板式換熱器傳熱性能的實驗數(shù)據(jù)。其中孔板孔徑d=1.5mm，并以單相流動為基準(zhǔn)，得出兩相與單液相總傳熱系數(shù)k與ReL之間的變化關(guān)系。從圖3可以看出隨著液相雷諾數(shù)的增加，兩相流和單相流的傳熱系數(shù)均增大，不過兩相流的傳熱系數(shù)大于單相流的，說明兩相流動提高了板式換熱器的換熱能力。導(dǎo)致這種情況的原因是，氣泡的出現(xiàn)加大了液體的擾動，液體的流動狀態(tài)不斷改變，減薄了板壁與液體之間的熱邊界層，進(jìn)而增強了換熱效果。但隨著ReL的增大，進(jìn)出口壓降也隨之增大(圖4)，這就需要消耗更多的泵功。

圖3 兩相流傳熱系數(shù)k與ReL之間的關(guān)系

圖4 兩相流壓降Δp與ReL之間的關(guān)系

2.2氣相雷諾數(shù)對氣泡尺寸的影響

在液相雷諾數(shù)ReL一定的條件下，重復(fù)做了4組不同孔板直徑和4組不同氣相雷諾數(shù)的實驗研究，通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著氣泡直徑的減小傳熱系數(shù)值逐漸增大，但變化不是很顯著。同時隨著氣相雷諾數(shù)ReG的增大，傳熱性能也有一定的提高，起到強化傳熱作用。主要原因是含有的氣泡數(shù)量越多，氣泡產(chǎn)生的擾動越大，增強了流體湍流強度進(jìn)而提高了換熱能力。然而，隨著氣泡直徑的增大壓降也逐漸增大(圖6)，表明流動阻力也隨之增大。導(dǎo)致此種現(xiàn)象原因是，在相同的流道內(nèi)氣泡的尺寸越小越容易被流體帶走，流動阻力越小，氣泡的尺寸越大越容易阻塞。

圖5 兩相流傳熱系數(shù)k與d氣之間的關(guān)系

圖6 兩相流壓降Δp與d氣之間的關(guān)系

2.3液相雷諾數(shù)對氣泡尺寸的影響

氣相雷諾數(shù)ReG一定的條件下，重復(fù)做了4組不同孔板孔徑和4組不同液體流速的對比實驗，如圖7所示，在相同的液體ReL流動下與單相流動對比。隨著孔板孔徑即氣泡直徑的增大傳熱系數(shù)k值有減小的趨勢，但不是很明顯。因此，在氣泡尺寸較小的條件下，傳熱效果能得到一定的強化。而壓降的變化趨勢恰恰相反，如圖8所示。盡管壓降的變化不是很大，但也隨著氣泡直徑的增大而略有增大。

3 數(shù)值模擬分析

3.1數(shù)學(xué)模型與邊界條件

圖7 兩相流傳熱系數(shù)k與d氣之間的關(guān)系

圖8 兩相流壓降Δp與d氣之間的關(guān)系

采用工程上廣泛應(yīng)用的RNGk-ε模型對流道內(nèi)的流動、換熱進(jìn)行模擬。用三維建模軟件Pro/e建立好基本模型后，然后利用Gambit軟件對數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。進(jìn)口邊界設(shè)為速度入口，出口邊界設(shè)為壓力出口。外部各個邊界設(shè)為無滑移邊界條件，中間板片設(shè)為換熱面，其余各面均為絕熱邊界。

3.2模擬結(jié)果分析

筆者對板式換熱器中氣液兩相的單邊流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。水流速為0.1m/s，空氣體積含氣率為0.1，其中氣泡直徑分別為1.0、1.5、2.0、2.5mm的工況進(jìn)行模擬研究。

3.2.1壓力場

圖9為相同入口水流速和空氣體積含氣率時，冷流道中兩相流體壓力隨入口氣泡直徑的變化情況。由圖9可知，隨著入口氣泡直徑的增大，冷流道中兩相流體的壓力梯度變化不是很明顯，圖中等壓線與界面縱向稍有傾斜，且在出口附近傾斜程度略有增大，說明流道內(nèi)的速度分布是不均勻的；氣泡直徑較小時進(jìn)口附近壓力高的區(qū)域較小，因而可以說明氣泡直徑越大，進(jìn)出口壓降變化越大。

圖9 冷流道中兩相流體壓力隨入口氣泡直徑的變化

3.2.2溫度場

圖10為冷流道中兩相溫度隨入口氣泡直徑的變化情況。由圖10可知，隨入口氣泡直徑的增大，進(jìn)口附近換熱死區(qū)位置的低溫區(qū)域和出口附近高溫區(qū)域的變化不太均勻，由于氣體的擾動，進(jìn)出口連線一側(cè)的換熱較強，高溫區(qū)域較進(jìn)出口另一側(cè)的大；當(dāng)氣泡尺寸逐漸變大時，換熱死區(qū)位置的低溫區(qū)域面積也隨之變大，而出口附近高溫區(qū)域面積隨之變小，說明氣泡尺寸越大換熱效果越差；因而說明小尺寸氣泡具有一定的強化換熱效果。

圖10 冷流道中兩相流體溫度隨入口氣泡直徑的變化

4 結(jié)論

4.1由于氣體的擾動，增大了兩相流動的湍流強度，增強了近壁面處的熱邊界層的傳熱能力，使得板式換熱器的兩相流動換熱效果優(yōu)于單相流，同時壓降增大。

4.2隨著氣泡直徑的減小傳熱效果具有一定的強化作用，但效果不是很顯著，且壓降也有一定的減小。

4.3模擬和實驗結(jié)果吻合得很好，通過數(shù)值模擬能較準(zhǔn)確地預(yù)測流場分布，彌補實驗研究的不足，對板式換熱器內(nèi)流流場的研究有重要的參考價值。

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