郝仁杰,譙敏,黃衛(wèi)星
(1 四川大學化學工程學院,四川成都610065; 2 中國核動力研究設(shè)計院,四川成都610041)
堆疊篩板填料塔作為一種新型的氣液傳質(zhì)設(shè)備,已被成功應用于核電廢水處理[1-2],具有制造安裝簡單、壓降低、無液泛[3-6]等優(yōu)點,應用前景廣泛。篩板填料幾何結(jié)構(gòu)簡單,但是其兩相流動形態(tài)十分復雜,Shi 等[1]發(fā)現(xiàn),氣液兩相并流通過新型堆疊篩板填料時,由于氣液兩相流量的變化,會產(chǎn)生不同的流型:滴流、連續(xù)流、脈沖流、半分散流和分散流。在現(xiàn)有的研究中,普遍認為脈沖流型比滴流和連續(xù)流的傳質(zhì)與傳熱速率更高[7-12],這是由于脈沖流狀態(tài)下,氣液相互作用顯著,增加了液膜更新率并減少了流動死區(qū)[13-18];同時脈沖流型還擁有遠低于分散流型的流動阻力損失[1]。因此,相比于其他流型,脈沖流具有顯著的優(yōu)勢。
脈沖流作為篩板填料中的一種特殊流型,深入理解其產(chǎn)生的機理及相關(guān)特性,對脈沖流理論模型的建立及篩板填料塔的設(shè)計與操作均有重要作用。但目前關(guān)于堆疊篩板填料中脈沖流動的研究還相對較少,主要研究集中于散堆填料。肖瓊等[19]和劉國柱等[20]研究了不同操作條件下的流型轉(zhuǎn)變,并得到了脈沖流型產(chǎn)生機理。Al-Naimi 等[21]和Urseanu等[22]通過監(jiān)測塔內(nèi)壓降波動情況,發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)壓力波動程度能夠間接反映脈沖流的強弱。Wang 等[23]研究了脈沖流型下氣液兩相分布情況,發(fā)現(xiàn)了脈沖形態(tài)在傳播過程中的變化。Bartelmus等[24]得到了脈沖速度與脈沖頻率的定量實驗結(jié)果,并由此建立了關(guān)聯(lián)式。Zhao 等[9]通過可視化研究,進一步揭示了脈沖轉(zhuǎn)變機理,并對Burghardt 等[10]建立的脈沖速度與頻率關(guān)聯(lián)式進行驗證。然而,篩板填料與以上研究中的填料相比,氣液兩相流動方式明顯不同,因此仍需投入大量的研究工作。
為了進一步研究篩板填料中脈沖流型的影響因素及特性,本文采用不同板數(shù)堆疊的填料,通過高速攝像機及壓差傳感器對氣液兩相通過填料的脈沖流產(chǎn)生機理和脈沖特性進行了系統(tǒng)的研究。
實驗裝置主要由填料塔、壓力測量系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)和氣液輸送系統(tǒng)組成,如圖1 所示。實驗采用了5 種規(guī)格的填料段,外殼均采用有機玻璃制造,高度為600 mm,邊長為200 mm,如圖2所示。每種規(guī)格填料段由不同板數(shù)的不銹鋼篩板錯位90°堆疊而成,篩孔呈正方形排布,具體參數(shù)見表1。填料塔頂部裝有氣液分布器,以實現(xiàn)氣液的均勻混合。填料塔底部裝有氣液分離器,以實現(xiàn)液體回收。
圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus
利用高速攝像機FASTCAM Mini WX100 進行脈沖流可視化研究,由LED 燈提供背景照明。軟件Phoron FASTCAM Viewer 用于控制高速攝像機的拍攝與后期圖像的分析,拍攝速度為500 幀/秒,像素大小為1280×1856。填料內(nèi)部壓降變化通過Omega公司生產(chǎn)的PX 系列壓差傳感器測量。傳感器通過連接PCI-1710 數(shù)據(jù)采集卡,使用PC 端上的Lab View 2014軟件編程控制壓降數(shù)據(jù)的采集與儲存,采集頻率200 Hz,測量前,使用U型管壓力計對傳感器進行標定,以確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。
實驗中,空氣流量通過風機與三個氣相轉(zhuǎn)子流量計控制,水流量由高位槽與一個液相轉(zhuǎn)子流量計控制,同時測量了排空管道處的空氣溫度和水槽中的水溫。每組實驗工況數(shù)據(jù)記錄前設(shè)備連續(xù)運行10 min,以保證流動狀態(tài)達到穩(wěn)定,其中氣相質(zhì)量通量范圍為1.1~15.9 kg·m-2·s-1、液相質(zhì)量通量范圍為23.8~118.8 kg·m-2·s-1。
圖2 填料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of packing
表1 篩板填料幾何參數(shù)Table 1 Sieve plate packing geometric parameters
實驗過程中發(fā)現(xiàn),當氣液相通量處于特定范圍內(nèi)時,氣液兩相會以富液區(qū)和富氣區(qū)的狀態(tài)交替通過篩板填料,從而形成脈沖流,且操作條件不同,脈沖流的強度差異較大。通過分析脈沖流狀態(tài)下的液相脈沖形態(tài)特性和發(fā)展過程,能夠從本質(zhì)上理解脈沖流現(xiàn)象產(chǎn)生的機理。
2.1.1 液相脈沖形態(tài) 在脈沖流產(chǎn)生發(fā)展階段,液相質(zhì)量通量WL=44.6 kg·m-2·s-1、氣相質(zhì)量通量WG=4.5 kg·m-2·s-1且不同時刻的液相脈沖結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,圖中陰影部分為液相脈沖。從圖中可以看到,脈沖流產(chǎn)生以后,在向下傳播的過程中會不斷被疊加放大,導致液相脈沖的強度不斷增強。此時,固定氣量,增大液量,由于填料內(nèi)的持液量增加,脈沖流的強度明顯增強,液相脈沖的覆蓋區(qū)域大大增加,如圖3(b)所示。增大氣量,由于氣相對液相脈沖的分散作用增強,導致液相脈沖逐漸減弱,如圖3(c)所示;在此基礎(chǔ)上,進一步增大氣量,液相脈沖會被進一步分散直至整個脈沖流完全消失。
圖3 液相脈沖形態(tài)Fig.3 Liquid pulse morphology
2.1.2 脈沖流發(fā)展過程 實驗過程中發(fā)現(xiàn),脈沖流總是首先出現(xiàn)在填料的某一位置處,然后自上而下傳播,且脈沖流產(chǎn)生的位置與操作條件密切相關(guān)。圖4 為28 塊篩板堆疊的填料中脈沖流產(chǎn)生的位置距頂部第一塊篩板的距離(h)隨氣液通量的變化,從圖中可以看出,固定WL下,增大WG,h 先減小后增大,即對應形成脈沖所需的軸向發(fā)展距離先縮短再增加。這是因為固定液量下,氣量增大,氣相對液相的擾動作用增強,會使得局部脈沖更容易產(chǎn)生,從而導致脈沖流形成所需的軸向發(fā)展距離縮短。進一步增大WG,由于氣相對液相的分散作用增強,導致局部脈沖的疊加放大效應減弱,最終使得脈沖流形成所需的軸向發(fā)展距離增加。此外,從圖4 還可以看到,液量越大,脈沖流產(chǎn)生所需的軸向發(fā)展距離越短。這是因為液速越大,填料內(nèi)的持液量越大[21,25-27],局部脈沖越容易產(chǎn)生,在向下傳播過程中的疊加放大效應越顯著,從而使得發(fā)展形成脈沖流所需的軸向距離縮短。
圖4 28塊篩板填料中h隨氣液質(zhì)量通量的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between h and gas/liquid mass flux in 28 plates
由上文分析可推測,當篩板數(shù)越多,軸向發(fā)展距離越長,那么脈沖流就越可能產(chǎn)生。因此,本文研究了堆疊篩板數(shù)對脈沖流的影響。圖5為三種篩板數(shù)在脈沖流下的壓降波動情況,可以看出,篩板數(shù)越多,壓降波動幅度越大。這是因為,篩板數(shù)越多,液相脈沖的疊加放大作用越明顯,脈沖的強度越強,對氣相流動的阻礙作用越明顯[21,28],由此說明篩板數(shù)對脈沖流產(chǎn)生與發(fā)展的重要作用。
2.1.3 脈沖流產(chǎn)生機理 在堆疊篩板填料的特殊流道內(nèi),其基礎(chǔ)單元為孔口,氣液兩相在篩板間的流動是通過孔口進行反復收縮與擴張的過程,再結(jié)合上文對脈沖流動行為的分析,因此可以認為脈沖流是重力和氣流曳力作用下,孔口液相波動在向下傳播過程中被疊加放大的動力學過程,且與氣、液流量密切相關(guān)。具體地,當氣液兩相并流向下通過篩板孔口時,篩板表面的液膜在重力和氣流曳力作用下產(chǎn)生波動,此時波動將對通過孔口的氣相產(chǎn)生阻礙,從而導致孔口上方局部壓力驟增。隨著孔口上下兩側(cè)壓差的增大,將推動液相波動通過孔口,由此形成局部脈沖,并在傳播過程中被疊加放大形成可見脈沖流。值得注意的是,脈沖流的產(chǎn)生需要一個最小臨界液量。而脈沖流產(chǎn)生以后,在向下傳播的過程中會被進一步疊加放大,從而使得脈沖流的強度增強;且液量越大,脈沖流的強度也越強。脈沖流狀態(tài)下,進一步增大氣量,由于氣相對液相的分散作用增強,會導致脈沖流強度減弱,直至完全消失。
圖5 不同板數(shù)下的壓降波動幅度(WL=74.3 kg·m-2·s-1,WG=4.5 kg·m-2·s-1)Fig.5 Fluctuation amplitude of pressure drop with different number of plates
通過實驗觀測界定了其他流型和脈沖流的轉(zhuǎn)換邊界,并基于此獲得了不同篩板數(shù)下的脈沖流型圖,如圖6所示。從圖中可以看出,不同篩板數(shù)下的脈沖流轉(zhuǎn)換邊界變化趨勢一致,即在液量超過某一臨界值時,脈沖流開始產(chǎn)生,且液量越大,脈沖流范圍越寬。因為液量越大,填料內(nèi)持液量越大,局部脈沖越容易產(chǎn)生,其疊加放大效應就越明顯。此外,從圖6 還可以看出,隨著篩板數(shù)增加,脈沖流范圍越寬,而且脈沖流的轉(zhuǎn)換邊界上限變化尤其明顯,這是因為篩板數(shù)越多,局部脈沖的疊加放大效應越明顯,脈沖流越容易產(chǎn)生,且產(chǎn)生以后的液相脈沖的強度越強,分散這些液相脈沖所需的氣量也就越大。為進一步探究篩板數(shù)對脈沖流產(chǎn)生的重要影響,實驗中通過逐層減少篩板數(shù)并觀測脈沖流型。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當篩板數(shù)低于3塊時,在實驗條件范圍內(nèi)未觀測到脈沖流,即3 塊篩板數(shù)是脈沖流產(chǎn)生所需的最少堆疊數(shù)量。
圖6 不同板數(shù)的篩板填料流型圖Fig.6 Flow map for packing with different sieve plates
脈沖傳播速度是描述脈沖特性的一項重要參數(shù)。通過高速攝像機記錄了液相脈沖在28 塊篩板填料中的傳播過程,利用脈沖的傳播距離和傳播時間計算得到了脈沖傳播速度。為了減小誤差,每組實驗重復六次,然后計算其平均值。
圖7表示了不同氣液質(zhì)量通量下的脈沖傳播速度變化趨勢,可以看出,WL固定時,隨著WG增大,脈沖傳播速度先增大后減小,而后又緩慢增大。脈沖傳播速度第一次增大主要是因為隨著氣量增加,脈沖逐漸增強;而隨著氣量進一步增大,液相脈沖逐漸被分散,脈沖減弱,導致其傳播速度減小;更高氣量下,盡管液相脈沖被分散,但是由于氣速增大明顯,氣相的拖拽作用又導致脈沖傳播速度增大。從圖7 還可以看出,WG固定時,脈沖速度隨WL增大而增大,這是由于WL越大,一方面,脈沖強度越強,另一方面,液相流速增大,從而最終導致脈沖傳播速度增大。
結(jié)合相關(guān)文獻研究[29-30],考慮脈沖速度與填料結(jié)構(gòu)、流動參數(shù)有關(guān),結(jié)合脈沖速度變化規(guī)律,在不同操作條件下對數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。
當WG- 43.032W-0.53L<0時:
當WG- 43.032W-0.53L≥0 且WG- 4.443W0.0908L<0時:
當WG- 4.443W0.0908L≥0時:
圖8 表示了由式(1)~式(3)計算的脈沖速度與實驗值的比較,可以看出預測值與實驗值的整體變化趨勢吻合,且數(shù)值接近。圖9 為脈沖速度實驗值與計算值的誤差,偏差基本在±15%以內(nèi),表明預測公式具有較好的預測效果。
圖7 28塊篩板填料中脈沖速度與氣液質(zhì)量通量的關(guān)系Fig.7 Relationship between pulse velocity and gas/liquid mass flux in 28 plates
圖8 脈沖速度計算值與實驗值對比Fig.8 Comparison of calculated and experimental pulse velocity
通常,脈沖頻率是根據(jù)脈沖產(chǎn)生的個數(shù)與時間的比值所確定的[8-9,13]。在28 塊篩板填料中通過高速攝像機拍攝脈沖流圖像,記錄時間為30 s,利用脈沖產(chǎn)生個數(shù)與時間計算得脈沖頻率。為了減小誤差,每組實驗重復三次,然后取平均值。
圖10 表示了28 塊篩板填料中脈沖頻率隨氣液通量的變化關(guān)系,可以看出,固定WL下,增大WG,脈沖頻率先增大后減少。這是由于固定WL,增大WG,會使局部脈沖更容易產(chǎn)生,脈沖逐漸增強,因此脈沖頻率增加。進一步增大WG,氣相對液相的分散作用增強,局部脈沖不容易產(chǎn)生,從而導致單位時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個數(shù)減小,因此脈沖頻率減小。此外,從圖10 還可以看出,脈沖頻率隨著WL的增大而增大,這是由于WL越大,填料內(nèi)的持液量越大,局部脈沖越容易產(chǎn)生,脈沖強度增強,從而導致脈沖頻率增加。
圖9 脈沖速度計算值與實驗值的誤差Fig.9 Deviation between calculated and experimental pulse velocity
圖10 28塊篩板填料中脈沖頻率與氣液質(zhì)量通量的關(guān)系Fig.10 Relationship between pulse frequency and gas/liquid mass flux in 28 plates
最后,根據(jù)脈沖頻率變化規(guī)律,在不同操作條件下對實驗數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。
當WG+ 0.0404WL- 8.248 <0時:
當WG+ 0.0404WL- 8.248 ≥0時:
圖11表示了由式(4)~式(5)計算的脈沖頻率與實驗值的比較,可以看出,計算值與實驗值的整體變化趨勢吻合,而且數(shù)值接近。圖12為脈沖頻率實驗值與計算值的誤差,偏差基本在±20%左右,預測效果良好。
圖11 脈沖頻率實驗值與計算值的對比Fig.11 Comparison of calculated and experimental pulse frequency
圖12 脈沖頻率實驗值與計算值的誤差Fig.12 Deviation of calculated and experimental pulse frequency
本文對氣液兩相并流向下通過篩板填料的脈沖流產(chǎn)生機理、發(fā)展過程、脈沖傳播速度及脈沖頻率進行了系統(tǒng)的研究,主要結(jié)論如下。
(1)脈沖流是重力和氣流曳力作用下,孔口液相波動在向下傳播過程中被疊加放大的動力學過程。一定氣速下,脈沖流的產(chǎn)生需要有一個最?。ㄅR界)液相流量,臨界液量之上,氣液量的增加將促進脈沖的產(chǎn)生與發(fā)展,進一步增大氣量,液相脈沖會被逐漸分散,導致脈沖流減弱直至完全消失。
(2)增加篩板數(shù),有利于增強脈沖流強度,從而導致脈沖流范圍變寬,其對脈沖流轉(zhuǎn)換邊界的上限作用尤其明顯,當篩板數(shù)少于三塊時不會出現(xiàn)脈沖流。
(3)液量越大,越有利于形成局部脈沖,從而導致液相脈沖傳播速度與頻率均增加;增大氣量,氣相對液相的擾動作用越強,局部脈沖越容易產(chǎn)生,從而導致脈沖速度與頻率均增加;進一步增大氣量,液相脈沖會被逐漸分散,導致脈沖速度與頻率逐漸減??;更高氣量下,由于氣相的拖曳作用,又會使得脈沖速度增加。最后,基于實驗結(jié)果分析,提出了脈沖傳播速度與頻率的預測關(guān)聯(lián)式,對其峰值點與變化趨勢有較好的預測效果。
符 號 說 明
b——篩板間距,mm
d——篩孔孔徑,mm
f——脈沖頻率,Hz
h——脈沖產(chǎn)生位置與頂端篩板之間的距離,mm
l——篩孔間距,mm
ΔP——壓降,Pa
t——篩板厚度,mm
UG——氣相通過孔口的表觀速度,m·s-1
Vp——脈沖傳播速度,m·s-1
WG,WL——分別為氣相、液相通過孔口的質(zhì)量通量,kg·m-2·s-1
μG,μL——分別為氣相、液相黏度,Pa·s
φ——篩板開孔率,%
下角標
cal——計算值
exp——實驗值