風(fēng)洞真空排氣系統(tǒng)直接接觸傳熱過程

李偉，齊大偉，楊炯良

（成都益志科技有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

某燃?xì)饬黠L(fēng)洞采用氧氣和燃油燃燒后產(chǎn)生的高焓燃?xì)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)，形成超音速流場，模擬飛行器高速飛行時(shí)的熱環(huán)境，其真空排氣系統(tǒng)運(yùn)行原理為大型真空泵以抽排燃?xì)獾姆绞絹砭S持風(fēng)洞真空環(huán)境。該燃?xì)怙L(fēng)洞中作為工作介質(zhì)的燃?xì)?，初始溫度?227～1727℃，在氣流進(jìn)入大型真空泵系統(tǒng)前，需要通過預(yù)噴淋方式將一定量的液態(tài)水霧化后直接噴入高焓燃?xì)庵校盟钠瘽摕峤档蜌饬鳒囟?，噴淋后可將氣流從高溫氣體變成一定溫度下（58.5～91.8℃）處于水蒸氣飽和狀態(tài)的混合氣體，該混合氣體最大水蒸氣含量達(dá)到61.3%。隨著水蒸氣含量的增加，混合氣體的狀態(tài)體積量也相應(yīng)增大，通過直接接觸換熱，使大量水蒸氣冷凝，減輕真空泵系統(tǒng)負(fù)荷，提高了排氣效率，在高溫燃?xì)怙L(fēng)洞中具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然直接接觸換熱早已在化工、石化、能源和環(huán)保行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，但對風(fēng)洞真空工藝系統(tǒng)尚屬首次。

目前大多數(shù)換熱冷凝的經(jīng)驗(yàn)公式與來流傳熱的介質(zhì)、操作條件等有關(guān)，如付海玲等經(jīng)過實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出了戊烷-水直接接觸的換熱系數(shù)公式，李晗等則推導(dǎo)出了空氣-石蠟直接接觸換熱的體積Nusselt 數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，而胡保亭對空氣-水直接接觸換熱過程實(shí)驗(yàn)研究并取得了理想的體積傳熱系數(shù)及其影響規(guī)律?？梢?，對于不同介質(zhì)條件、換熱對象，其傳熱經(jīng)驗(yàn)公式也各有差異。因此本實(shí)驗(yàn)主要基于進(jìn)入冷凝塔的熱流氣體與冷卻水直接接觸換熱過程研究，試圖找到關(guān)于進(jìn)氣壓力、氣體水蒸氣含量、冷卻水質(zhì)量通量、氣液比、傳質(zhì)系數(shù)、體積傳熱系數(shù)和出氣溫度之間的影響關(guān)系，為該類型傳熱傳質(zhì)方式在風(fēng)洞真空排氣系統(tǒng)中的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)及理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

風(fēng)洞熱流氣體和冷卻水分別從冷凝塔底部、頂部進(jìn)入，較高溫度的熱流氣體在冷凝塔內(nèi)的規(guī)整填料段與較低溫度的冷卻水進(jìn)行直接逆流換熱，使來流氣體中的部分水蒸氣冷凝成液體從冷凝塔底與換熱后的冷卻水一同排出，對于熱流氣體來說，這是一個(gè)逆流降溫降濕的過程。

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，熱流氣體流量是通過前段進(jìn)氣管路文丘里流量計(jì)在線測定；熱流氣體的組分來自于高焓燃?xì)馊紵蟮臍怏w，其不凝氣組分CO、N和O各體積占比是一個(gè)定值，而氣體中的水蒸氣含量則是通過氣體水分分析儀測定；冷卻水流量通過電磁流量計(jì)在線測量；熱流氣體和冷卻水的進(jìn)出氣溫度，采用Pt100熱電阻測定；熱流氣體進(jìn)氣壓力，采用絕對壓力變送器；氣體水分分析儀測定采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器測定；冷凝塔內(nèi)徑為7.4m，填料高度3m，內(nèi)裝有規(guī)整填料M-125Y。實(shí)驗(yàn)過程中測量采集系統(tǒng)采用西門子PLC1500系列，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和收集。各儀器儀表情況見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

表1 儀器儀表

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與物性參數(shù)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)及測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用同一臺(tái)冷凝塔，進(jìn)入冷凝塔的熱流氣體中不凝氣各組分占比保持不變，通過改變熱流氣體進(jìn)氣壓力（18～72kPa，絕對壓力，余同）、冷卻水質(zhì)量通量［1.86×10～1.303×10kg/(m·s)］和氣液比（0.038～0.184），使冷凝降溫后排出的氣體溫度低于30.0℃進(jìn)行試驗(yàn)，測定冷凝塔進(jìn)氣口和出氣口的氣體水蒸氣含量、冷凝塔進(jìn)氣口和出氣口的氣體溫度、冷凝塔進(jìn)水溫度和出水溫度，計(jì)算其各工況的物性參數(shù)，如混合氣體定壓比熱容、混合氣體焓，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和物性參數(shù)求得傳質(zhì)系數(shù)、熱負(fù)荷Δ和體積傳熱系數(shù)h。

1.2.2 物性參數(shù)

（1）水蒸氣含量 混合氣體的水蒸氣含量會(huì)隨實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)、氣流流程（冷凝塔進(jìn)口、冷凝塔內(nèi)、冷凝塔出口）發(fā)生變化：在氣流流程冷凝塔進(jìn)口、冷凝塔出口位置，實(shí)驗(yàn)中通過氣體水分分析儀可以測量混合氣體中的水蒸氣含量；而在冷凝塔內(nèi)，混合氣體在換熱過程中會(huì)一直處于水蒸氣飽和狀態(tài)，通過測量填料位置溫度，基于IAPWS-IF97水蒸氣模型，可以計(jì)算出該溫度下水蒸氣的飽和蒸氣壓，即混合氣體水蒸氣分壓，考慮到氣體在冷凝塔的流速較小，實(shí)驗(yàn)過程中的壓損忽略不計(jì)，混合氣體中CO占比不高，也忽略CO溶于水，根據(jù)道爾頓分壓定律［式(1)］可求得水蒸氣體積分?jǐn)?shù)。

式中，為水蒸氣體積分?jǐn)?shù)；為混合氣體水蒸氣分壓。

（2）定壓比熱容 混合氣體中不凝氣的各組分占比是不變的，實(shí)驗(yàn)中通過測量或計(jì)算得到混合氣體中水蒸氣含量，從而推算得到各組分的體積分?jǐn)?shù)。通過體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算，混合氣體的定壓比熱容，可用式(2)表示。

式中，為混合氣體定壓比熱容，kJ/(kg·K)；為組分的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；y為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（3）混合氣體焓 實(shí)驗(yàn)過程中，混合氣體可以看作處于水蒸氣飽和狀態(tài)，其焓值如式(3)所示。

式中，為混合氣體的焓，kJ/kg；為混合氣體不凝氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)；為氣體溫度；為273K 時(shí)可凝蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；為氣體的水蒸氣含量，g/kg。

表3為一種實(shí)驗(yàn)工況的熱流氣體物性參數(shù)。

表3 氣體物性參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算

在增濕、減濕及水冷卻過程中，傳遞速率的計(jì)算根據(jù)Walker等提出的冷卻塔工作基本原理，采用由Merkel 提出的焓差為推動(dòng)力的基本速率方程，即基本焓差公式，此后又有Fiesnko 等學(xué)者提出校正法，使得焓差公式趨于完善。在逆流降溫降濕塔內(nèi)，取一微元塔高d，如圖2所示，可得出式(4)～式(8)。

圖2 微元塔高的傳熱與傳質(zhì)

相界面氣相傳熱速率

Lewis關(guān)系

式中，、分別為氣體和液體的質(zhì)量通量，kg/(m·s)；、、分別為氣相、液相及相界面溫度，℃；、分別為氣相、液相的傳熱膜系數(shù)，kJ/(m·s·℃)；為以濕度差為基準(zhǔn)的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m·s)；為氣體的濕比熱容，kJ/(kg·℃)；為液體的比熱容，kJ/(kg·℃)；為濕氣體的焓，kJ/kg；為氣體的相對濕度，%；為273K時(shí)可凝蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg。

將式(4)、式(6)代入式(8)中，整理得式(9)。

式中，為氣體與水膜的接觸面積；為水膜溫度對應(yīng)的飽和氣體焓值；為氣體質(zhì)量流量。

1.3.2 熱負(fù)荷和體積傳熱系數(shù)h

整個(gè)傳熱過程，對于進(jìn)入冷凝塔的熱流氣體，不凝氣組分降溫，水蒸氣組分在傳熱過程中降溫與冷凝同時(shí)發(fā)生。

熱負(fù)荷的計(jì)算如式(13)。

式中，Δ、Δ、Δ、Δ、Δ分別為總換熱負(fù)荷、不凝氣熱值差、氣相水熱值差、冷凝水潛熱熱值和冷凝水熱值差，W；、、、、分別為N、CO、O、水蒸氣和液相水定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；、、、、分別為進(jìn)入冷凝塔的熱流氣體中的N、CO、O、水蒸氣和經(jīng)冷凝降溫后排出的氣體的水蒸氣質(zhì)量流量，kg/s。

體積傳熱系數(shù)h（volumetric heat transfer coefficient），定義為單位體積、單位傳熱溫差的熱流率，如式(14)。

式中，h為體積傳熱系數(shù)，W/(m·℃)；為填料表面積，m；為填料層高度，m；Δ為傳熱過程平均溫差（MTD），℃。因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中水氣流動(dòng)是完全的逆流流動(dòng)，所以其正確的平均溫差是對數(shù)平均溫差（LMTD）Δ，如式(15)所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器與數(shù)據(jù)的不確定分析

實(shí)驗(yàn)中體積傳熱系數(shù)h的不確定性可以表示為實(shí)驗(yàn)中各個(gè)參數(shù)測量的誤差引起的不確定度。實(shí)驗(yàn)中有溫度測量誤差與流量測量兩類。其中溫度測量誤差中熱電阻誤差為0.4%、氣體濕度誤差為1%、氣體流量測量誤差為0.2%、冷卻水流量測量誤差1%。

實(shí)驗(yàn)中總的不確定度如式(16)所示。

式中，Δ表示各個(gè)測量參數(shù)的誤差造成的不確定度，根據(jù)式(16)可以得出h的不確定度如式(17)所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)氣壓力與水蒸氣含量關(guān)系

氣流直接接觸傳熱過程中，據(jù)式(13)，混合氣體冷凝降溫后水蒸氣含量是一個(gè)關(guān)鍵的工藝指標(biāo)，是總換熱熱負(fù)荷Δ計(jì)算的條件?？諝庵械乃魵夂繒?huì)隨著大氣壓的變化而變化，那么混合氣體中的水蒸氣含量是否也有著同樣的規(guī)律，為此考察了進(jìn)氣壓力對冷凝降溫后排出的氣體水蒸氣含量的影響。實(shí)驗(yàn)中氣體溫度30℃，不凝氣質(zhì)量通量5.6×10kg/(m·s)保持不變，傳熱過程中的壓損忽略不計(jì)，見表4。

表4 進(jìn)氣壓力-水蒸氣含量數(shù)據(jù)

隨著增大而減小。混合氣體可以近似看作含有不凝氣的飽和水蒸氣，根據(jù)道爾頓分壓定律和拉烏爾定律，進(jìn)氣壓力的變化，其實(shí)就是飽和水蒸氣分壓的變化，在溫度不變情況下，水蒸氣含量會(huì)隨著蒸汽壓力升高而降低，這與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果一致。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線擬合，如圖3所示，冷凝降溫后排出的氣體溫度=30℃時(shí)，與呈對數(shù)關(guān)系（適用于18kPa≤≤72kPa）。

圖3 進(jìn)氣壓力-水蒸氣含量曲線

2.2 冷卻水質(zhì)量通量的影響

冷卻水的流量是影響冷卻水與氣體直接接觸傳熱的重要操作條件，通常采用冷凝塔中的冷卻水質(zhì)量通量來表示，即單位時(shí)間單位填料截面積的水的流量，即kg/(m·s)，因?yàn)槔淠慕孛娣e是固定的，所以可直接通過測量水流量來計(jì)算得到。在熱流氣體、工藝條件不變的情況下，考察對傳質(zhì)系數(shù)、體積傳熱系數(shù)h、氣體出氣溫度影響，即參照表2 和表3，進(jìn)入冷凝塔的熱流氣體=1.07×10kg/(m·s)，進(jìn)氣溫度=68.3℃，進(jìn)氣壓力=29kPa，見表5。

表5 關(guān)于冷卻水質(zhì)量通量變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

隨著增大而增大，h有著同樣的規(guī)律。如圖4 所示，在＞9.6×10kg/(m·s)后，、h隨增大趨勢減緩，這是由于噴淋水水量增加，填料的潤濕面積、液滴在填料上的更新速度變大，液體分散成許多小液滴，液相水與氣相水蒸氣充分接觸，氣相水冷凝成液相顆粒的推動(dòng)力增大，增強(qiáng)了傳質(zhì)和傳熱效率。但液體量過大時(shí)，填料上的液膜層變厚了，使得氣液的停留時(shí)間變短，傳質(zhì)與傳熱達(dá)到了一個(gè)平衡點(diǎn)。不同的是的影響，隨著增大而減小，在＞9.6×10kg/(m·s)后，低于30℃，隨著進(jìn)一步增大，溫差換熱推動(dòng)力減小，溫度趨近于冷卻水進(jìn)水溫度。

圖4 冷卻水質(zhì)量通量-體積傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)、出氣溫度曲線

2.3 氣液比的影響

在、工藝條件不變的情況下，考察氣液比對傳質(zhì)系數(shù)、體積傳熱系數(shù)h和氣體出氣溫度影響。即參照表3氣體物性參數(shù)，=68.3℃，=29kPa，=61.35%，=9.3×10kg/(m·s)，氣液比與、h和，見表6。

表6 關(guān)于氣液比變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

如圖5 所示，與h隨增大而呈先上升達(dá)到極大值后下降趨勢，類似拋物線規(guī)律，隨的增加呈現(xiàn)初期緩慢上漲后期加速上升趨勢。

圖5 氣液比-體積傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)、出氣溫度曲線

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線擬合，找出了與h關(guān)系式（適用于0.038≤≤0.184），如式(19)所示。

h= 333720- 143809+ 18160- 295.74 (19)

通過求解方程h'()=0，=0.0937。

當(dāng)=0.0937 時(shí)，h達(dá)到極大值。當(dāng)?shù)陀?.0937 時(shí)，氣體經(jīng)過填料層，氣液兩相充分接觸，液相分子完全包裹著氣相分子，氣相中水分子有足夠的氣液停留時(shí)間和氣液接觸面積，足量的氣相水分子得到完全冷凝析出；當(dāng)達(dá)到0.0937時(shí)，與h達(dá)到傳熱過程中的最大值，此時(shí)為最優(yōu)氣液比，即是氣液兩相最為合理的量比關(guān)系，氣相水分子的冷凝速度與液相水分子的汽化速度達(dá)到平衡且為最大；當(dāng)高于0.0937后，隨著的增加，氣體經(jīng)過填料層，氣流大速度快，氣相水分子沒有足夠氣液停留時(shí)間，同時(shí)液相分散密度變小，氣相水分子沒有足夠氣液接觸面積，氣相中的水蒸氣還沒有及時(shí)冷凝析出就離開了。在整個(gè)過程中，也是與、h規(guī)律完全吻合了，分為兩個(gè)階段：當(dāng)在值較小時(shí)，因?yàn)橐合喾肿诱紦?jù)優(yōu)勢，氣相來流量小，換熱負(fù)荷低，相較于增加緩慢，換熱效果好；當(dāng)達(dá)值較大時(shí)，氣液兩相的角色發(fā)生了置換，增大卻減小了氣液兩相的接觸時(shí)間，進(jìn)而降低了傳質(zhì)與傳熱的推動(dòng)力，氣相中水蒸氣冷凝析出效率降低，也會(huì)加速上升。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)氣壓力與水蒸氣含量關(guān)系曲線，冷卻水質(zhì)量通量與氣液比對直接接觸傳熱中傳質(zhì)系數(shù)、體積傳熱系數(shù)h和出氣溫度的變化規(guī)律，結(jié)果如下。

（1）冷凝降溫后排出的氣體溫度=30℃時(shí)，與呈對數(shù)關(guān)系（適用于18kPa≤≤72kPa），=-76.61ln+352.27。

（2）冷卻水質(zhì)量通量的影響，、h隨著增大而增大，在超過一定量后，、h隨增大趨勢增長減緩，直至平緩不變。隨著增大而減小，當(dāng)?shù)陀?0℃后，隨著的繼續(xù)增大，下降速度減緩，趨近于冷卻水進(jìn)水溫度。

（3）氣液比的影響，、h隨增大而呈先上升達(dá)到極大值后下降趨勢，類似拋物線規(guī)律，隨的增加呈現(xiàn)初期緩慢上漲后期加速上升趨勢。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線擬合找出了與h的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并計(jì)算出當(dāng)=0.0937 時(shí)，該過程的h達(dá)到極大值。

實(shí)驗(yàn)得出的進(jìn)氣壓力與水蒸氣含量關(guān)系式，對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)運(yùn)行有指導(dǎo)作用；如何提高最優(yōu)氣液比，確保較大的傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)，增大氣體的傳熱處理量，是未來真空風(fēng)洞氣流直接接觸換熱研究的方向之一。

符號(hào)說明

—— 填料表面積，m

—— 氣體與水膜的接觸面積，m

、—— 氣相、液相的傳熱膜系數(shù)，kJ/(m·s·℃)

、—— 氣體和液體的濕比熱容，kJ/(kg·℃)

、—— 氣體組分和氣體中不凝氣的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)

、、、

、—— N、CO、O、水蒸氣和液相水定壓比熱容，kJ/(kg·℃)

，—— 氣體質(zhì)量流量和冷卻水質(zhì)量流量，kg/s

、、、

、—— 進(jìn)入冷凝塔的熱流氣體中的N、CO、O、水蒸氣和經(jīng)冷凝降溫后排出的氣體的水蒸氣質(zhì)量流量，kg/s

—— 氣體質(zhì)量通量，kg/(m·s)

—— 氣體的相對濕度，%

h—— 體積傳熱系數(shù)，W/(m·℃)

—— 濕氣體的焓，kJ/kg

—— 水膜溫度對應(yīng)的飽和氣體焓值，kJ/kg

、—— 分別為氣相進(jìn)、出氣氣體焓值，kJ/kg

—— 濕度差為基準(zhǔn)的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m·s)

—— 液體的質(zhì)量通量，kg/(m·s)

Δ—— 單位時(shí)間水蒸氣冷凝量，kg/s

—— 傳熱功率，W

Δ、Δ、Δ、Δ、

Δ—— 總換熱負(fù)荷、不凝氣部分熱值、氣相水熱值、冷凝水潛熱和冷凝水顯熱，W

—— 273K時(shí)可凝蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg

、、—— 氣相、液相及相界面溫度，℃

、—— 氣相進(jìn)、出氣溫度，℃

、—— 液相進(jìn)、出液溫度，℃

—— 氣體的水蒸氣含量，g/kg

y—— 氣體組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

—— 填料層高度，m

Δ—— 為傳熱過程平均溫差（MTD），℃

Δ、Δ、Δ、Δ、Δ、Δ、

Δ、Δ—— 進(jìn)氣溫度計(jì)、出氣溫度計(jì)、進(jìn)水溫度計(jì)、出水溫度計(jì)、進(jìn)氣濕度計(jì)、出氣濕度計(jì)、氣體流量計(jì)和冷卻水流量計(jì)不確定度