兩相流動(dòng)中氣泡尺寸影響板式換熱器性能的研究*

張仲彬 劉文生 鄭孔橋 徐志明

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，兩相流越來(lái)越多地被應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響也逐步凸顯。在動(dòng)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(dòng)工況。研究?jī)上嗔鲃?dòng)的換熱、壓降和分布特性對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)在兩相流動(dòng)中不同的流型對(duì)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(shí)別的研究受到關(guān)注，并提出許多實(shí)時(shí)流型識(shí)別方法[4,5]。為了直觀研究?jī)上嗔髁餍偷淖兓?guī)律，文獻(xiàn)[6，7]對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了可視化設(shè)計(jì)。由于不同尺寸的氣泡所產(chǎn)生諸如含氣率分布、湍流強(qiáng)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(duì)氣泡尺寸、速率和分布情況對(duì)水流流場(chǎng)、流速的脈動(dòng)強(qiáng)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(duì)于板式換熱器內(nèi)的兩相流動(dòng)，國(guó)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(dòng)時(shí)觀察到彈狀流、環(huán)狀流和分層流動(dòng)，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(dòng)具有良好的換熱性能，也證實(shí)了氣、液相的速度對(duì)兩相壓降都有很大影響，但流型對(duì)壓降幾乎沒(méi)有影響[15]。氣液兩相流在板式換熱器中的流動(dòng)時(shí)，由于增加了流動(dòng)變量，并且氣液兩相的相對(duì)速度及氣相的體積分?jǐn)?shù)等物性參數(shù)有很大的隨機(jī)性，因此流動(dòng)換熱情況復(fù)雜且具有隨機(jī)性[16，17]，然而文獻(xiàn)中對(duì)氣泡尺寸影響板式換熱器性能卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法來(lái)分析研究不同尺寸氣泡對(duì)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(dòng)演變特性提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與原理

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)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(huà)出)和待測(cè)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(jī)壓縮的空氣經(jīng)平衡閥、壓力表和空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)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(guò)改變孔徑d來(lái)改變氣泡尺寸，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了4個(gè)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(shí)驗(yàn)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(duì)誤差η=|Φ1-Φ2|/Φ1×100%，若η≤5%，則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)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(duì)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(cè)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(guò)測(cè)量氣體在管內(nèi)的延伸長(zhǎng)度L，計(jì)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(cè)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(guò)改變不同氣液混合比，當(dāng)流動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行分別測(cè)量，每組連續(xù)采集200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(dòng)，所以采用概率統(tǒng)計(jì)的方法，最終求取平均值得出不同孔板孔徑對(duì)應(yīng)的不同氣泡尺寸(表1)。

表1 不同孔徑板片對(duì)應(yīng)所得不同直徑的氣泡

2 實(shí)驗(yàn)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(duì)板式換熱器傳熱性能的影響，本實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中孔板孔徑d=1.5mm，并以單相流動(dòng)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(guò)兩相流的傳熱系數(shù)大于單相流的，說(shuō)明兩相流動(dòng)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(dòng)，液體的流動(dòng)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(qiáng)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(duì)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(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)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(shí)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(qiáng)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(dòng)越大，增強(qiáng)了流體湍流強(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖7所示，在相同的液體ReL流動(dòng)下與單相流動(dòng)對(duì)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(shì)，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(qiáng)化。而壓降的變化趨勢(shì)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(duì)流道內(nèi)的流動(dòng)、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(duì)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(gè)邊界設(shè)為無(wú)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(duì)板式換熱器中氣液兩相的單邊流動(dòng)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(chǎng)

圖9為相同入口水流速和空氣體積含氣率時(shí)，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(shuō)明流道內(nèi)的速度分布是不均勻的；氣泡直徑較小時(shí)進(jìn)口附近壓力高的區(qū)域較小，因而可以說(shuō)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(chǎng)

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(dòng)，進(jìn)出口連線一側(cè)的換熱較強(qiáng)，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(shí)，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(shuō)明氣泡尺寸越大換熱效果越差；因而說(shuō)明小尺寸氣泡具有一定的強(qiáng)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(dòng)，增大了兩相流動(dòng)的湍流強(qiáng)度，增強(qiáng)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(dòng)換熱效果優(yōu)于單相流，同時(shí)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，通過(guò)數(shù)值模擬能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流場(chǎng)分布，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究的不足，對(duì)板式換熱器內(nèi)流流場(chǎng)的研究有重要的參考價(jià)值。

[1] 陳斌，郭烈錦，張西民.水平管束氣液兩相流水動(dòng)力特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999，19(2)：105～109.

[2] Nilpueng K，Wongwises S.Flow Pattern and Pressure Drop of Vertical Upward Gas- Liquid Flow in Sinusoidal Wavy Channels[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2006，30(6)：523～534.

[3] 白博峰，郭烈錦，陳學(xué)俊.空氣-水兩相流壓差波動(dòng)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(3)：22～26.

[4] 周云龍，顧楊楊.基于獨(dú)立分量分析和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流流型識(shí)別[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63(3)：796～799.

[5] 孫斌，周云龍.基于支持向量機(jī)和小波包能量特征的氣液兩相流流型識(shí)別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(17)：93～99.

[6] 陳常念，韓吉田，邵莉，等.R134a 兩相流換熱可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(14)： 83～89.

[7] 馬虎根，涂文靜，謝榮建，等.微尺度通道內(nèi)氣液兩相流型可視化研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(29)： 85～90.

[8] Liu T J.Bubble Size and Entrance Length Effects on Void Development in a Vertical Channel[J].International Journal of Multiphase Flow，1993，19(1)：99～113.

[9] Buwa V V，Ranade V V.Characterization of Dynamics of Gas- Liquid Flows in Rectangular Bubble Columns[J]. AIChE Journal，2004，50(10)：2394～2407.

[10] Lu J，Tryggvason G.Effect of Bubble Size in Turbulent Bubbly Down Flow in a Vertical Channel[J].Chemical Engineering Science，2007，62(11)：3008～3018.

[11] 肖柏青，張法星，戎貴文.氣泡尺寸對(duì)曝氣池內(nèi)氣液兩相流數(shù)值模擬的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2012，32(11)： 2006～2010.

[12] 何聯(lián)格，左正興，向建華.氣泡尺寸對(duì)氣缸蓋沸騰換熱的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2013，31(1)：72～77.

[13] Nilpueng K，Wongwises S.Two- phase Gas- Liquid Flow Characteristics inside a Plate Heat Exchanger[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8)：1217～1229.

[14] Vlasogiannis P，Karagiannis G，Argyropoulos P，et al. Air- Water Two- phase Flow and Heat Transfer in a Plate Heat Exchanger[J].International Journal of Multiphase Flow，2002，28(5)：757～772.

[15] Nilpueng K，Wongwises S.Two- phase Gas- Liquid Flow Characteristics inside a Plate Heat Exchanger[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8)：1217～1229.

[16] Khan T S，Khan M S，Chyu M C,et al. Experimental Investigation of Single Phase Convective Heat Transfer Coefficient in a Corrugated Plate Heat Exchanger for Multiple Plate Configurations[J].Applied Thermal Engineering，2010，30(8)：1058～1065.

[17] Minsung Kim，Young- Jin Baik，Seong Ryong Park，et al. Experimental Study on Corrugated Cross Flow Air- Cooled Plate Heat Exchangers[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8)：1265～1272.

[18] Pacek A W，Nienow A W.Measurement of Drop Size Distribution in Concentrated Liquid- Liquid Dispersions- Video and Capillary Techniques[J].Chemical Engineering Research & Design，1995，73(5)：512～518.