兩相流動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

(東北電力大學能源與動力工程學院)

隨著科學技術的進步，兩相流越來越多地被應用到生產和生活中，對國民經濟的影響也逐步凸顯。在動力、石油、核能、冶金、制冷、化工及航天等領域有許多設備都涉及氣液兩相流流動工況。研究兩相流動的換熱、壓降和分布特性對于指導工程實踐具有重要意義。

研究發現在兩相流動中不同的流型對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別的研究受到關注，并提出許多實時流型識別方法[4,5]。為了直觀研究兩相流流型的變化規律，文獻[6，7]對實驗臺進行了可視化設計。由于不同尺寸的氣泡所產生諸如含氣率分布、湍流強度、流型的形成及轉變等方面的特征差異[8，9]，因此文獻[10～12]針對氣泡尺寸、速率和分布情況對水流流場、流速的脈動強度、傳熱效果和壓降的影響進行了研究。

板式換熱器作為一種高效的換熱設備被廣泛應用于電力、食品及化工等行業。對于板式換熱器內的兩相流動，國外學者研究較多。文獻[13]研究發現當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、旋轉泡狀流到環狀流依次變化；向下流動時觀察到彈狀流、環狀流和分層流動，并且流型不是突變的而是連續變化的，文獻[14]研究結果表明板式換熱器內兩相流動具有良好的換熱性能，也證實了氣、液相的速度對兩相壓降都有很大影響，但流型對壓降幾乎沒有影響[15]。氣液兩相流在板式換熱器中的流動時，由于增加了流動變量，并且氣液兩相的相對速度及氣相的體積分數等物性參數有很大的隨機性，因此流動換熱情況復雜且具有隨機性[16，17]，然而文獻中對氣泡尺寸影響板式換熱器性能卻鮮見報道。

筆者通過實驗和數值模擬的方法來分析研究不同尺寸氣泡對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，為進一步研究氣泡流動演變特性提供參考。

1 實驗系統與原理

1.1實驗系統

實驗系統示意圖如圖1所示。實驗系統主要由加熱系統、冷卻系統、供氣系統、數據采集系統(圖1中未畫出)和待測板式換熱器5部分組成。系統的循環系統分為冷水側和熱水側，冷水側由壓縮機壓縮的空氣經平衡閥、壓力表和空氣轉子流量計到混合器與低溫介質循環泵輸送的水組成冷卻工質進入板式換熱器吸熱，然后流入冷卻水箱，在冷卻水箱中由變頻風冷系統調整溫度，使溫度維持在一定范圍。而熱水側熱水由電加熱器加熱經高溫介質水泵、渦輪流量計進入換熱器放熱后重新流回恒溫介質水箱再加熱，如此循環往復。

圖1 實驗系統示意圖

實驗使用的氣液兩相流裝置，在其內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。通過改變孔徑d來改變氣泡尺寸，本實驗應用了4個不同孔徑的孔板，其進氣孔徑分別為0.5、1.0、1.5、2.0mm。

1.2實驗原理

理論上換熱器的換熱量Φ等于熱側放熱量Φ1與冷側吸熱量Φ2之和，但考慮到換熱器的散熱損失，兩者并不相等，定義熱平衡相對誤差η=|Φ1-Φ2|/Φ1×100%，若η≤5%，則認為實驗數據合理。總傳熱系數k為：

(1)

(2)

(3)

式中A——換熱面積，m2；

k——總傳熱系數，W/(m2·K)；

Δtm——對數平均溫差，℃；

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氣泡尺寸的測量

如圖2所示，筆者采用抽取混合的氣液兩相流導入細管內，通過測量氣體在管內的延伸長度L，計算氣泡直徑d氣=(1.5L·d管)1/3[18]，其中d管為毛細管內徑。

圖2 氣泡直徑測量方法示意圖

研究發現在采用不同進氣孔徑的孔板可得到不同大小的氣泡。通過改變不同氣液混合比，當流動穩定后進行分別測量，每組連續采集200個數據點，研究發現相同進氣孔徑的板片導出兩相流中的L基本在很小范圍內波動，所以采用概率統計的方法，最終求取平均值得出不同孔板孔徑對應的不同氣泡尺寸(表1)。

表1 不同孔徑板片對應所得不同直徑的氣泡

2 實驗結果分析

2.1氣相雷諾數變化的影響

為分析氣液兩相雷諾數對板式換熱器傳熱性能的影響，本實驗對比分析了4組不同液相雷諾數ReL和5組不同氣相雷諾數ReG板式換熱器傳熱性能的實驗數據。其中孔板孔徑d=1.5mm，并以單相流動為基準，得出兩相與單液相總傳熱系數k與ReL之間的變化關系。從圖3可以看出隨著液相雷諾數的增加，兩相流和單相流的傳熱系數均增大，不過兩相流的傳熱系數大于單相流的，說明兩相流動提高了板式換熱器的換熱能力。導致這種情況的原因是，氣泡的出現加大了液體的擾動，液體的流動狀態不斷改變，減薄了板壁與液體之間的熱邊界層，進而增強了換熱效果。但隨著ReL的增大，進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k與ReL之間的關系

圖4 兩相流壓降Δp與ReL之間的關系

2.2氣相雷諾數對氣泡尺寸的影響

在液相雷諾數ReL一定的條件下，重復做了4組不同孔板直徑和4組不同氣相雷諾數的實驗研究，通過圖5可以發現，隨著氣泡直徑的減小傳熱系數值逐漸增大，但變化不是很顯著。同時隨著氣相雷諾數ReG的增大，傳熱性能也有一定的提高，起到強化傳熱作用。主要原因是含有的氣泡數量越多，氣泡產生的擾動越大，增強了流體湍流強度進而提高了換熱能力。然而，隨著氣泡直徑的增大壓降也逐漸增大(圖6)，表明流動阻力也隨之增大。導致此種現象原因是，在相同的流道內氣泡的尺寸越小越容易被流體帶走，流動阻力越小，氣泡的尺寸越大越容易阻塞。

圖5 兩相流傳熱系數k與d氣之間的關系

圖6 兩相流壓降Δp與d氣之間的關系

2.3液相雷諾數對氣泡尺寸的影響

氣相雷諾數ReG一定的條件下，重復做了4組不同孔板孔徑和4組不同液體流速的對比實驗，如圖7所示，在相同的液體ReL流動下與單相流動對比。隨著孔板孔徑即氣泡直徑的增大傳熱系數k值有減小的趨勢，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化。而壓降的變化趨勢恰恰相反，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 數值模擬分析

3.1數學模型與邊界條件

圖7 兩相流傳熱系數k與d氣之間的關系

圖8 兩相流壓降Δp與d氣之間的關系

采用工程上廣泛應用的RNGk-ε模型對流道內的流動、換熱進行模擬。用三維建模軟件Pro/e建立好基本模型后，然后利用Gambit軟件對數值模型進行網格劃分。進口邊界設為速度入口，出口邊界設為壓力出口。外部各個邊界設為無滑移邊界條件，中間板片設為換熱面，其余各面均為絕熱邊界。

3.2模擬結果分析

筆者對板式換熱器中氣液兩相的單邊流動進行了數值模擬。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的工況進行模擬研究。

3.2.1壓力場

圖9為相同入口水流速和空氣體積含氣率時，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，說明流道內的速度分布是不均勻的；氣泡直徑較小時進口附近壓力高的區域較小，因而可以說明氣泡直徑越大，進出口壓降變化越大。

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

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，進口附近換熱死區位置的低溫區域和出口附近高溫區域的變化不太均勻，由于氣體的擾動，進出口連線一側的換熱較強，高溫區域較進出口另一側的大；當氣泡尺寸逐漸變大時，換熱死區位置的低溫區域面積也隨之變大，而出口附近高溫區域面積隨之變小，說明氣泡尺寸越大換熱效果越差；因而說明小尺寸氣泡具有一定的強化換熱效果。

圖10 冷流道中兩相流體溫度隨入口氣泡直徑的變化

4 結論

4.1由于氣體的擾動，增大了兩相流動的湍流強度，增強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換熱效果優于單相流，同時壓降增大。

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模擬和實驗結果吻合得很好，通過數值模擬能較準確地預測流場分布，彌補實驗研究的不足，對板式換熱器內流流場的研究有重要的參考價值。

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