高速蒸汽與過冷水直接接觸凝結局部換熱特性研究

宗瀟,劉浩,楊赪石,嚴俊杰,劉繼平

(1.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室,710049,西安;2.中國船舶重工集團公司第705研究所,710075,西安;3.河南博騰環(huán)保技術有限公司,450046,鄭州)

汽液兩相流噴射器具有換熱強度大、體積小、可靠性高等優(yōu)點,在能源動力、石油化工等領域有廣闊的應用前景。由于氣液兩相流噴射器內高速蒸汽與過冷水的直接接觸凝結過程十分復雜,從20世紀70年代開始,國內外學者從氣液界面出發(fā),對汽水直接接觸凝結現(xiàn)象進行了研究。美國學者Simpson等對亞聲速蒸汽浸沒射流進行了可視化研究,觀察到了界面的周期性運動[1]。意大利學者Celata等對靜止飽和及過熱蒸汽在低速水平流動狀態(tài)下過冷水表面的直接接觸凝結現(xiàn)象進行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)凝結換熱過程的熱阻主要集中在氣液界面的過冷水側[2]。美國學者Chawla等對聲速和亞聲速射流氣液界面穩(wěn)定性進行了理論研究,從小擾動模型出發(fā),建立氣相和液相非線性運動方程,分析了低黏性以及高黏性液體下氣液界面的穩(wěn)定性[3]。巴基斯坦學者Khan等對超聲速蒸汽浸沒射流凝結氣液界面不穩(wěn)定性的傳播以及耗散進行了研究,結果表明氣液界面不穩(wěn)定性的傳播與耗散受過冷水溫度的影響更加顯著[4]。

在汽水直接接觸凝結換熱特性方面,韓國學者Kim等提出了3種界面?zhèn)鬏斈Ｐ汀牧鲝姸饶Ｐ?、表面恢復模型和剪切力模?以預測平均凝結換熱系數[5]。日本學者Aya和Nariai研究了不同流型下的換熱系數,發(fā)現(xiàn)在蒸汽間歇流區(qū),凝結換熱系數達到2 MW·m-2· ℃-1;在凝結振蕩區(qū),換熱系數為0.1～1 MW·m-2· ℃-1;在層狀流動的表面,凝結換熱系數為3～30 kW·m-2· ℃-1[6]。國內學者徐強等研究了蒸汽與低速過冷水豎直同向流動的蒸汽浸沒射流現(xiàn)象,實驗中得到的平均凝結換熱系數在0.34～11.36 MW·m-2· ℃-1之間[7]。武心壯等使用熱平衡方法得到的超聲速蒸汽浸沒射流平均凝結換熱系數在0.7～2.5 MW·m-2· ℃-1之間,并使用歸一化穿透長度實驗關聯(lián)式、分子動力學模型、湍流強度模型以及表面恢復模型預測了平均凝結換熱系數[8]。

盡管前人對蒸汽射流凝結過程進行了大量研究,但是由于直接接觸凝結過程的復雜性,其氣液界面的波動特性,尤其是與界面波動相關的局部凝結換熱特性的研究尚未開展。本文將從氣液界面出發(fā),分析界面波動機理,研究高速蒸汽與過冷水直接接觸凝結過程的局部換熱特性,為氣液兩相流噴射器的優(yōu)化和設計提供實驗依據和理論基礎。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1所示為實驗系統(tǒng)示意圖,實驗系統(tǒng)主要由鍋爐、給水泵、調節(jié)閥、流量計、實驗段、可視化系統(tǒng)及數據采集系統(tǒng)組成。鍋爐產生的飽和蒸汽通過蒸汽流量計、調節(jié)閥以及矩形截面的縮放形蒸汽噴嘴進入實驗段,與由給水泵升壓并流過調節(jié)閥和流量計的過冷水在混合腔中相遇,發(fā)生汽水直接接觸凝結過程。

圖1 實驗系統(tǒng)圖[9]

圖2所示為可視化實驗段結構和測點布置示意圖,實驗段采用矩形截面的蒸汽與水噴嘴,前后壁面安裝耐高溫玻璃,與混合腔上下壁面組成矩形混合腔,通過耐高溫玻璃構成的可視化窗口可以觀察和拍攝混合腔內流動與換熱過程,通過在壁面附近安裝的22組測點可同時進行溫度和壓力測量。實驗段主要尺寸和實驗條件如表1所示。

圖2 可視化實驗段示意圖

實驗時高速攝像機曝光時間設置為20 μs,采樣頻率為10 kHz;溫度測量使用K型熱電偶,適用量程為0～150 ℃,溫度不確定度為1 ℃,測量前統(tǒng)一用標定水槽標定,為減小溫度測量對流場的干擾,熱電偶末端與上下壁面齊平布置;入口過冷水流量使用電磁流量計測量,量程為0～10 t·h-1,測量精度為0.2級;蒸汽質量流量使用渦街流量計測量,量程為0～0.27 t·h-1,測量精度為1級。

表1 實驗條件

1.2 圖像處理方法

高速蒸汽與過冷水直接接觸凝結流場主要由汽羽、氣液界面、過冷水區(qū)以及氣液混合層組成[9]?？梢暬瘓D像的質量及其后處理過程對氣液界面特征的識別至關重要。為提取氣液界面輪廓,研究界面波動特性,本文使用Matlab軟件編譯圖像處理程序對可視化圖像進行處理,圖3所示為圖像處理過程。

(a)原始圖像 (b)灰度圖

(c)二值圖 (d)處理圖像圖3 圖像處理結果

Matlab軟件內置函數將原始圖像轉化為矩陣,圖像每一個像素點都對應矩陣的一個元素,因此對矩陣的分析和計算過程實現(xiàn)了對原始圖像的處理,圖像處理步驟如下:

(1)原始圖像的讀取;

(2)將原始圖像轉化為灰度圖,增加對比度,使原始圖像輪廓更加清晰;

(3)使用Otsu閾值分割方法將灰度圖變換后得到黑白的二值圖,由于可視化拍照時僅打背光,在蒸汽氣泡濃度較高的氣液混合層內光線不能透過,因此氣液混合層在閾值分割后主要呈黑色(純蒸汽區(qū)正上方部分),而在氣液混合層逐漸向純過冷水區(qū)過渡的過程中,蒸汽氣泡濃度逐漸減小,有部分背光可以從此區(qū)域透過,因此呈較亮顏色,在閾值分割后呈白色,如圖3c所示;

(4)形態(tài)學計算與區(qū)域填充,使用先腐蝕后膨脹的開運算形態(tài)學算子,一般來說,使用開運算能夠使圖像輪廓變得光滑,消除邊界細小毛刺,開運算后對圖像進行區(qū)域填充,消除局部小孔,使聯(lián)通的區(qū)域更加完整,得到連續(xù)的邊界,處理結果如圖3d所示;

(5)使用邊緣檢測函數,從黑白二值圖中獲取輪廓,結果如圖4所示。

圖4 輪廓獲取結果

2 氣液界面波動特性

2.1 界面波動的形成

高速蒸汽射流與過冷水直接接觸凝結過程的氣液界面是蒸汽與過冷水進行質量、動量和能量交換的關鍵區(qū)域。深入了解界面特性,對研究汽水直接接觸凝結過程的換熱機理具有重要意義。

圖5給出了蒸汽質量流率為450 kg·m-2·s-1、過冷水質量流率為8 t·m-2·s-1、水溫為30 ℃時,氣液界面形態(tài)的變化過程,可以看出,氣液界面不斷起伏波動,并且界面波動具有一定的規(guī)律性。初始時刻(τ=0 ms),在距噴嘴出口較近處產生了一個波峰,隨著時間的推移(τ=0.1～0.4 ms),波峰在氣液界面上向汽羽尾部傳播,同時波峰形狀發(fā)生改變。當波峰傳播到汽羽尾部(τ=0.6～1.2 ms)時,波形已經產生較大變化?？梢钥闯?界面波峰向下游的傳播使汽羽穿透長度增加,蒸汽區(qū)擴大。隨著汽羽穿透長度的進一步增加,汽羽尾部開始出現(xiàn)頸縮(τ=1.0 ms),蒸汽區(qū)變得不連續(xù),汽羽尾部發(fā)生汽泡脫離(τ=1.2 ms)。

圖5 氣液界面形態(tài)的變化過程

當兩種不同速度流體同向流動時,在黏性作用下,由速度剪切而引起的界面不穩(wěn)定特征稱為開爾文-赫姆霍茲(K-H)不穩(wěn)定性。K-H不穩(wěn)定性廣泛存在于自然界中,如風吹過水平面產生的水波和天空中形成的波浪云等現(xiàn)象,其形成機理如圖6所示。在黏性作用下,當高速和低速流體相遇時,高速流體流動受阻,流速減小,動能轉化為勢能。因此,在高速流體側局部會形成高壓區(qū),使高速流體流向低速流體一側,原本光滑的界面產生形變,向低速流體一側突出,產生波峰,在慣性力作用下,形變加劇,界面形狀進一步改變。另一方面,表面張力有使氣液界面盡量收縮、界面面積減小的趨勢,使界面趨于穩(wěn)定,在黏性力和表面張力共同作用下,界面形狀不斷變化。由K-H不穩(wěn)定性形成機理可知,本文觀察到的氣液界面波動也是K-H不穩(wěn)定性的一種表現(xiàn)形式。

當氣液界面產生波動時,部分蒸汽在波峰處霧化成氣泡進入過冷水,因此氣液界面波動的存在將會促進汽水之間的質量交換。此外,界面的波動還會增加氣液混合層內擾動,減小換熱阻力,因此界面的波動也會促進氣液兩相間的傳熱過程。

圖6 K-H不穩(wěn)定性形成機理

2.2 界面的波動形式

本文采用高速攝影法和圖像處理技術獲得氣液界面,在測量得到固定位置處的動態(tài)界面高度h后,就獲得了如嵌入式電導探針等直接測量結果類似的動態(tài)界面高度信號,從而為分析界面的波動特性提供了實驗依據。

(a)X=0.4

(b)X=0.8

(c)X=1.2

(d)X=1.6圖7 不同歸一化位置的界面波動

圖7給出了蒸汽質量流率為400 kg·m-2·s-1,過冷水質量流率為8 t·m-2·s-1,入口過冷水溫度為45 ℃,歸一化位置X(X=x/de)分別為0.4、0.8、1.2和1.6時的界面波動原始信號,de為蒸汽噴嘴出口當量直徑?？梢钥闯?不同歸一化位置處的界面波動形狀相似,但振幅明顯不同;隨著歸一化位置的增大,界面整體振幅逐漸增大;界面的波動至少是由兩種波動形式疊加而成,兩種波動的頻率有明顯區(qū)別,低頻波動在較大時間尺度內產生波峰,高頻波動在局部時間內也有明顯峰值。

通過觀察原始可視化圖像可以看出,氣液界面的波動同樣存在兩種形式:低頻率的界面整體波動和高頻率的界面局部波動,即上文提到的由K-H不穩(wěn)定性引起的界面波。由此可知,圖7中的界面波動低頻分量由氣液界面的整體波動引起,而高頻分量由界面波引起。為研究由K-H不穩(wěn)定性引起的界面波動,本文使用移動平均的方法將原始波動中的高頻分量分離出來,如圖8所示。界面波平均振幅是反映界面波動強度的主要參數,本文中高頻界面波動的平均振幅由下式計算其中σ為界面高頻波動的標準方差

(1)

(a)X=0.4

(b)X=0.8

(c)X=1.2

(d)X=1.6圖8 高頻界面波動

(2)

圖9給出了界面波平均振幅隨歸一化位置的變化規(guī)律。從圖中可以看出,界面波平均振幅在0.12～0.38 mm之間,界面波平均振幅隨著歸一化位置的增大而增大,表明界面波在沿氣液界面的傳播過程中振幅逐漸增大,強度也逐漸增大。

圖9 界面波平均振幅隨歸一化位置的變化

3 局部凝結換熱特性

3.1 局部凝結換熱系數的計算

圖10所示為局部凝結換熱系數計算示意圖。假設蒸汽的凝結全部發(fā)生在氣液界面上,當蒸汽沿水平方向流動到界面上時,沿法向的部分穿過界面進入氣液混合層內逐漸凝結,切向的部分沿界面流向下游,因此某一界面位置處的熱流密度為

圖10 局部凝結換熱系數計算示意圖

(3)

局部凝結換熱系數可由下式計算

(4)

式中Δtsub為換熱溫差。

在實際計算中,很難得到氣液界面每一點的熱流密度。假設蒸汽區(qū)內部流速均勻,且均為噴嘴出口速度,因此可以通過獲取局部區(qū)域內的平均熱流密度,從而得到局部凝結換熱系數。局部平均熱流密度為

(5)

(6)

圖11給出了局部平均凝結換熱系數隨歸一化位置的變化規(guī)律。從圖中可以看出,局部凝結換熱系數隨歸一化位置的增大而增大,表明越靠近汽羽尾部局部凝結換熱系數越大,凝結換熱強度沿流動方向逐漸增大。

圖11 局部凝結換熱系數隨歸一化位置的變化

3.2 局部凝結換熱特性和界面波動特性的關系

圖12給出了局部凝結換熱系數隨界面波平均振幅的變化。從圖中可以看出,實驗中獲得的局部凝結換熱系數在1.8～5.9 MW·m-2· ℃-1之間,隨著界面波平均振幅的增大,局部凝結換熱系數逐漸增大。事實上,由界面波動的形成機理可知,氣液界面的波動會促進氣液間的質量和熱量交換,同時也會增加界面附近的擾動,因此在界面波動劇烈的區(qū)域內局部凝結換熱系數也會相應較大。界面平均振幅沿流動方向逐漸增大,因此下游局部換熱系數明顯大于上游。從以上實驗結果和分析可以看出,氣液界面的波動對汽水直接接觸凝結換熱過程具有強化作用。

4 結 論

本文對高速蒸汽與過冷水直接接觸凝結過程的局部凝結換熱特性進行了研究,主要結論如下:

(1)在蒸汽與過冷水直接接觸凝結實驗中觀察到了界面波,其形成機理表明本文實驗中的界面波是K-H不穩(wěn)定性的一種表現(xiàn)形式。

(2)界面波在傳播過程中振幅逐漸增大,界面波動強度也逐漸增大,實驗中獲得的界面波平均振幅在0.12～0.38 mm之間;局部凝結換熱系數沿流動方向逐漸增大,實驗中獲得的局部凝結換熱系數在1.8～5.9 MW·m-2· ℃-1之間。

(3)界面波動會促進氣液間的質量和熱量交換;界面波動平均振幅與局部凝結換熱系數對比結果表明,界面波動對高速蒸汽與過冷水直接接觸凝結換熱過程具有強化作用。