利用熱式傳感器測量環(huán)狀流濕氣含率

張?濤，王嬌嬌，徐?英，袁?超

?

利用熱式傳感器測量環(huán)狀流濕氣含率

張?濤，王嬌嬌，徐?英，袁?超

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

為實(shí)現(xiàn)濕氣兩相流的在線不分離含氣率測量，探究了濕氣兩相流的傳熱特性，設(shè)計一種新型熱式傳感器，并在天津大學(xué)中壓濕氣裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)涵蓋了0.3～1.2,MPa之間的6個壓力點(diǎn)，氣相弗勞德數(shù)范圍為0.5～2.7，濕氣含率的變化范圍為96.5％,～100％,，共對215個點(diǎn)進(jìn)行了傳感器測量特性的實(shí)驗(yàn)研究，引入了無量綱傳熱系數(shù)+，并基于+建立了體積含氣率的模型，該模型平均誤差為0.39％,，均方根誤差為0.59％,．

濕氣；濕氣含率；傳熱系數(shù)

濕氣是多相流中的一種特殊流動形態(tài)，廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)過程中．目前國際上尚無統(tǒng)一定義，按照ISO組織發(fā)布的11583號技術(shù)報告(ISO/TR11583)[1]中的定義，在氣液兩相流動中氣相體積含率大于95％即為濕氣．濕氣的流動形態(tài)主要以環(huán)狀流、霧狀流和分層流為主，正是由于存在流動形態(tài)的差別，使得濕氣兩相流的研究難度很大．很多學(xué)者為研究復(fù)雜的兩相流動，選擇將濕氣含率作為基本的目標(biāo)，研究方法主要有光學(xué)法、射線法以及本文所用到的熱學(xué)法.光學(xué)法主要有光纖探針法[2]和光強(qiáng)調(diào)制法[3]．光纖探針法的原理是不同介質(zhì)對光線有不同的折射率；光強(qiáng)調(diào)制法則是依據(jù)管道內(nèi)混合流體各相對電磁波的吸收譜段不同來實(shí)現(xiàn)含率的檢測．射線法是目前測量相含率應(yīng)用比較廣泛的方法，主要利用射線經(jīng)過流體產(chǎn)生的衰減來測量相含率．而在熱力學(xué)領(lǐng)域，也有學(xué)者嘗試通過將流動過程與傳熱過程相結(jié)合的方式來解析兩相流的流動情況．1981年，Toral[4]就利用熱線式風(fēng)速儀對兩相流動中的含氣率進(jìn)行了研究．2001年，Kwon等[5]對考慮夾帶的湍流環(huán)狀液膜流動的冷凝傳熱進(jìn)行了研究，建立了湍流環(huán)狀液膜流動的冷凝傳熱系數(shù)模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．2013年，李慧君等[6]以水蒸氣、空氣混合物為例，得到混合氣體水平管外凝結(jié)換熱的一種總平均傳熱系數(shù)和平均氣膜厚度的計算模型．

本文在前人的研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以濕氣兩相流為研究對象，采用傳熱分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，在內(nèi)徑為50,mm口徑的水平管內(nèi)，以水-空氣兩相流為介質(zhì)，在天津大學(xué)中壓濕氣裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的趨勢探索了濕氣含率與傳熱系數(shù)的特性關(guān)系，并建立了相應(yīng)關(guān)系式模型，分析了模型的誤差，得到了可以用于濕氣測量的傳熱模型，為熱式傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用提供了理論與實(shí)驗(yàn)的支撐．

1?濕氣兩相流傳熱系數(shù)影響因素的理論分析

1.1?傳熱系數(shù)

根據(jù)傳熱學(xué)中的對流傳熱公式[7]推導(dǎo)出

???(1)

式中：為熱流量，W；為加熱面積，m2；為溫差，℃；為傳熱系數(shù)，即單位面積產(chǎn)生單位溫差所需的功率強(qiáng)度，W/(m2·K)．

由此可見當(dāng)已知熱流量、加熱面積以及溫差便可計算兩相流的傳熱系數(shù)．

???(2)

式中：為努塞爾數(shù)，是流體對流傳熱中的一個重要的無量綱參數(shù)，表示對流換熱強(qiáng)烈程度的一個無量綱參數(shù)；為換熱的特征長度，m；為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，是溫度的函數(shù)；、、分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；為雷諾數(shù)，是表征流體流動狀態(tài)的一個無量綱參數(shù)；為普朗特數(shù)，表征流體流動中動量交換與熱交換相對重要性的一個無量綱參數(shù)．與的表達(dá)式分別為

???(3)

???(4)

通過以上的分析可知，傳熱系數(shù)與管道的幾何尺寸、流體的物性參數(shù)以及流體的流速有關(guān)，而流體的物性參數(shù)與管道內(nèi)的溫度、壓力有關(guān)，故在管道幾何尺寸一定的條件下，傳熱系數(shù)與流體的溫度、壓力以及流速有關(guān)．本研究正是基于上述這些參數(shù)的關(guān)系，找到傳熱系數(shù)與濕氣的流動參數(shù)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到測量濕氣的目的．

1.2?濕氣兩相流的傳熱系數(shù)與相關(guān)參數(shù)

在濕氣兩相流動中，工況下的濕氣含率定義為

???(5)

???(6)

當(dāng)濕氣兩相流為混合均勻的均相流時，可將式(3)應(yīng)用到兩相流中，其中密度、速度、黏度可分別替換為濕氣混合流體相關(guān)參數(shù)[9]，即

???(7)

???(8)

???(10)

由以上各式分析可以看出，兩相流的傳熱系數(shù)是在單相流的傳熱系數(shù)基礎(chǔ)上增加了濕氣含率的影響，本文將影響兩相流傳熱的因素總結(jié)為溫度、壓力、氣相表觀流速以及濕氣含率，其中溫度、壓力和氣相表觀流速的影響可以合并為一個參數(shù)的影響，故兩相流的傳熱系數(shù)與和有關(guān)，即有

???(11)

???(12)

2?實(shí)驗(yàn)裝置及傳感器樣機(jī)設(shè)計

2.1?濕氣實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)雙閉環(huán)可調(diào)壓中壓濕氣實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為壓縮空氣和水．實(shí)驗(yàn)裝置采用雙循環(huán)回路設(shè)計，裝置流程如圖1所示，該裝置的各參數(shù)見文獻(xiàn)[10]．圖2為混相器與實(shí)驗(yàn)管段之間的放大細(xì)節(jié)圖，其中混相器與實(shí)驗(yàn)管段中加熱部分相距50,cm(10)，實(shí)驗(yàn)加熱部分長為30,mm，總的實(shí)驗(yàn)直管段長度為300,cm．在本實(shí)驗(yàn)中所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)如表1所示．

圖1?實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備流程

圖2?混相器與實(shí)驗(yàn)管段局部細(xì)節(jié)

表1中的實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)，均通過修正貝克流型圖進(jìn)行了預(yù)估，預(yù)估結(jié)果均為環(huán)狀流．圖3和圖4分別為根據(jù)修正貝克流型圖預(yù)估的流型分布圖和實(shí)際觀測到的壓力0.3,MPa下、氣相流量為35,m3/h、液相流量為0.3,m3/h時的流型．

表1?實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)

Tab.1?Experimental point

2.2?熱式傳感器設(shè)計

實(shí)驗(yàn)中熱式傳感器如圖5所示．實(shí)驗(yàn)管路為內(nèi)徑50,mm、外徑60,mm的不銹鋼管．熱式傳感器實(shí)驗(yàn)管路示意如圖5所示．熱式傳感器采用恒功率的測量原理，加熱元件選取加熱功率為140,W的電加熱絲，電加熱絲纏繞在管道外壁，周圍用氣凝膠氈隔熱，測溫元件采用鎧裝鉑電阻pt100，精度為0.2％.測量端(冷端)選用4個鉑電阻相隔90°均勻分布在管道的一周，如圖5中的、、、．加熱端同樣將4個鉑電阻間隔90°均勻分布在管道一周，即圖5中、、及，測量端(冷端)與加熱端溫度均取各端4個電阻所測溫度的平均值，使得溫度的獲得更為精確可靠．電加熱絲在濕氣沒有流過時就開始對實(shí)驗(yàn)管段進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱達(dá)到穩(wěn)定所需要的時間為1.5,h左右，預(yù)熱后在實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)測量中只需保證電加熱絲的正常加熱，不用進(jìn)行額外預(yù)熱．采用正交實(shí)驗(yàn)方法即固定氣相流量點(diǎn)改變液相流量點(diǎn)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖3?修正貝克流型圖預(yù)估的流型分布

圖4?實(shí)驗(yàn)觀測到的流型

圖5?熱式傳感器實(shí)驗(yàn)管路示意

3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與建模

3.1?影響傳熱的因素分析

驗(yàn)證理論分析中影響傳熱的因素，選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中部分?jǐn)?shù)據(jù)整理如圖6和圖7所示．

（a）＝0.6,MPa

（b）＝1.0,MPa

圖6和的關(guān)系

Fig.6?Relationship betweenand

（a）＝0.6,MPa

（b）＝1.0,MPa

圖7與g之間的關(guān)系

Fig.7?Relationship betweenandg

圖7中sl為液相表觀流速，即忽略氣相影響假設(shè)液相充滿管道的橫截面時的液相流速，m/s．圖6和圖7中傳熱系數(shù)的值是通過實(shí)驗(yàn)測得的溫差數(shù)據(jù)由式(1)計算所得，該公式中的熱流量可以用加熱功率表示．由0.6,MPa條件下測得的溫差分析可知，氣相表觀流速越大，所測溫差越小，由于傳熱系數(shù)與溫差成反比，故傳熱系數(shù)越大；濕氣含率越大，溫差越大，傳熱系數(shù)則越小，故有圖6中的數(shù)據(jù)圖．由圖6分析可得如下結(jié)論．

(2) 由圖7可以看出，當(dāng)及sl固定時，隨的增加而變大，除此之外，一定時，隨sl的增長而增長，越大時，該增長趨勢越明顯，且當(dāng)變大時，傳熱系數(shù)對液相流量的敏感度是先減小后增長的，0.6,MPa時，該敏感度先由800(W·h)/ (m5·K)左右減至120(W·h)/(m5·K)，最后又升至900(W·h)/(m5·K)左右；1.0,MPa時，變化趨勢最先由900(W·h)/(m5·K)左右減小至120(W·h)/ (m5·K)，最后升至1,000(W·h)/(m5·K)．

由上述結(jié)論可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致．

定義無量綱化傳熱系數(shù)為

???(13)

式中：w為熱端溫度；c為冷端溫度；為在同樣的流動條件下將流體從0,℃加熱至環(huán)境溫度所需的功率，本文將此稱為環(huán)境溫度下的參考傳熱系數(shù)．用于表征在一定環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上傳熱的變化情況，所以可以在一定程度上消除環(huán)境波動引起的誤差．

???(14)

???(15)

式(12)可以轉(zhuǎn)化為

???(16)

在表1工況參數(shù)中選取0.6,MPa和0.8,MPa兩個壓力點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為建模樣本(占總樣本數(shù)據(jù)的1/3)給出、及三者的關(guān)系，如圖8所示，可以看出同一下，與基本上呈線性關(guān)系，即，為斜率，為截距．分析表明在不同下，的值基本在0.95左右輕微浮動，為簡化函數(shù)形式，取常數(shù)，擬合與、的關(guān)系式為

（a）＝0.6 MPa

（b）＝0.8 MPa

圖8與的關(guān)系曲線

Fig.8?Relationship betweenand

將式(17)用于全部215數(shù)據(jù)點(diǎn)(即表1中所有數(shù)據(jù))進(jìn)行驗(yàn)證，誤差分布如圖9所示，95％,左右的數(shù)據(jù)絕對誤差落在±1％,以內(nèi)，只有10個點(diǎn)左右誤差超過±1％，對誤差進(jìn)行統(tǒng)計，可得最終的平均誤差為0.39％，均方根誤差為0.59％,．

圖9?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分布

4?結(jié)?論

(1) 本文采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的手段，找出了影響濕氣兩相流傳熱的主要因素為氣相弗勞德數(shù)與濕氣含率，理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致．

［1］ International Organization for Standards. Measurement of Wet Gas Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross-Section Conduits[R]. ISO，2012.

［2］ 楊?勝，羅毓珊，陳聽寬，等. 垂直上升管中采用光纖探針測量截面含氣率的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 動力工程，2006，26(6)：875-878.

Yang Sheng，Luo Yushan，Chen Tingkuan，et al. Measurement of void fraction in vertically rising pipes by using optical fiber probes [J].，2006，26(6)：875-878(in Chinese).

［3］ 劉?磊，周芳德. U 型光導(dǎo)纖維探針對油-氣兩相流的測試[J]. 石油煉制與化工，1994，25(3)：52-55.

Liu Lei，Zhou Fangde. The test of oil-gas two phase flow with a U fiber-optic probe [J].，1994，25(3)：52-55(in Chinese).

［4］ Toral H. A study of the hot-wire anemomter void fraction two-phase flow[J].，1981，14：822-827.

［5］ Kwon J T，Ahn Y C，Kim M H. A modeling of in-tube condensation heat transfer for a turbulent annular film flow with liquid entrainment[J].，2001，27(5)：911-928.

［6］ 李慧君，彭文平. 水平管外混合氣體平均傳熱系數(shù)及氣膜厚度的計算[J]. 工業(yè)加熱，2013，41(6)：37-40.

Li Huijun，Peng Wenping. The calculation of the mean heat transfer coefficient and gas film thickness of mixed gas outside a horizontal tube[J].，2013，41(6)：37-40(in Chinese).

［7］ 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2006.

Yang Shiming，Tao Wenquan.[M]. 4,th ed. Beijing：Higher Education Press，2006(in Chinese).

［8］ 徐?英，袁?超，龍征海，等. 基于雙節(jié)流裝置的濕氣測量方法研究[J]. 中國機(jī)械工程學(xué)報，2012，48(22)：139-147.

Xu Ying，Yuan Chao，Long Zhenghai，et al. Research of the wet gas measurement based on dual-throttle device[J].，2012，48(22)：139-147(in Chinese).

［9］ Cicchirti A. Two phase cooling experiment-pressure drops，heat transfer and burnout measurement[J].，1960，2(6)：407-425.

［10］ 于培寧，徐?英，張?濤，等. 基于截面氣含率的文丘里濕氣壓降模型[J]. 化工學(xué)報，2014，65(12)：4692-4698.

Yu Peining，Xu Ying，Zhang Tao，et al. Modeling of wet-gas flow through horizontal venture based on void fraction[J].，2014，65(12)：4692-4698(in Chinese).

(責(zé)任編輯：孫立華)

Measurement of Void Fraction in Wet Gas in Annular Flow with a Thermal Sensor

Zhang Tao，Wang Jiaojiao，Xu Ying，Yuan Chao

(School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To realize the online void fraction measurement without separation in wet gas two-phase flow，the heat transfer characteristics of wet gas two-phase flow are investigated and a new thermal sensor was designed．Also experiments were taken on the wet device of Tianjin University．There were six pressure points between 0.3,MPa and 1.2,MPa contained in the experiments．The experimental gas Froud number was ranged from 0.5 to 2.7，and the range of void fraction was from 96.5％ to 100％．In the experiments，there were totally 215 points being selected to study the measurement characteristics of the thermal sensor．A new parameter called non-dimensional heat transfer coefficient+was introduced and based on+a model of void fraction was established．The model with the average error is 0.39％，and the root-mean-square error is 0.59％,.

wet gas；void fraction；heat transfer coefficient

10.11784/tdxbz201507089

TH814

A

0493-2137(2016)11-1127-05

2015-07-30；

2015-11-06.

張?濤（1950—??），男，碩士，教授，zt50@tju.edu.cn.

徐?英，xuying@tju.edu.cn.

2016-01-14.

http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20160114.1432.004.html.