風洞真空排氣系統直接接觸傳熱過程

李偉，齊大偉，楊炯良

（成都益志科技有限責任公司，四川 成都 610000）

某燃氣流風洞采用氧氣和燃油燃燒后產生的高焓燃氣作為工作介質，形成超音速流場，模擬飛行器高速飛行時的熱環境，其真空排氣系統運行原理為大型真空泵以抽排燃氣的方式來維持風洞真空環境。該燃氣風洞中作為工作介質的燃氣，初始溫度為1227～1727℃，在氣流進入大型真空泵系統前，需要通過預噴淋方式將一定量的液態水霧化后直接噴入高焓燃氣中，利用水的汽化潛熱降低氣流溫度，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的混合氣體，該混合氣體最大水蒸氣含量達到61.3%。隨著水蒸氣含量的增加，混合氣體的狀態體積量也相應增大，通過直接接觸換熱，使大量水蒸氣冷凝，減輕真空泵系統負荷，提高了排氣效率，在高溫燃氣風洞中具有廣闊的應用前景。雖然直接接觸換熱早已在化工、石化、能源和環保行業得到廣泛運用，但對風洞真空工藝系統尚屬首次。

目前大多數換熱冷凝的經驗公式與來流傳熱的介質、操作條件等有關，如付海玲等經過實驗推導出了戊烷-水直接接觸的換熱系數公式，李晗等則推導出了空氣-石蠟直接接觸換熱的體積Nusselt 數經驗關聯式，而胡保亭對空氣-水直接接觸換熱過程實驗研究并取得了理想的體積傳熱系數及其影響規律。可見，對于不同介質條件、換熱對象，其傳熱經驗公式也各有差異。因此本實驗主要基于進入冷凝塔的熱流氣體與冷卻水直接接觸換熱過程研究，試圖找到關于進氣壓力、氣體水蒸氣含量、冷卻水質量通量、氣液比、傳質系數、體積傳熱系數和出氣溫度之間的影響關系，為該類型傳熱傳質方式在風洞真空排氣系統中的應用提供實驗及理論支撐。

1 實驗

1.1 實驗流程

風洞熱流氣體和冷卻水分別從冷凝塔底部、頂部進入，較高溫度的熱流氣體在冷凝塔內的規整填料段與較低溫度的冷卻水進行直接逆流換熱，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，這是一個逆流降溫降濕的過程。

實驗流程如圖1所示，熱流氣體流量是通過前段進氣管路文丘里流量計在線測定；熱流氣體的組分來自于高焓燃氣燃燒后的氣體，其不凝氣組分CO、N和O各體積占比是一個定值，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在線測量；熱流氣體和冷卻水的進出氣溫度，采用Pt100熱電阻測定；熱流氣體進氣壓力，采用絕對壓力變送器；氣體水分分析儀測定采用標準傳感器測定；冷凝塔內徑為7.4m，填料高度3m，內裝有規整填料M-125Y。實驗過程中測量采集系統采用西門子PLC1500系列，對上述數據進行實時在線監測和收集。各儀器儀表情況見表1。

圖1 實驗流程

表1 儀器儀表

1.2 實驗參數與物性參數

1.2.1 實驗參數

實驗參數及測量數據見表2。

表2 實驗參數

實驗采用同一臺冷凝塔，進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氣壓力（18～72kPa，絕對壓力，余同）、冷卻水質量通量［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℃進行試驗，測定冷凝塔進氣口和出氣口的氣體水蒸氣含量、冷凝塔進氣口和出氣口的氣體溫度、冷凝塔進水溫度和出水溫度，計算其各工況的物性參數，如混合氣體定壓比熱容、混合氣體焓，并根據實驗參數和物性參數求得傳質系數、熱負荷Δ和體積傳熱系數h。

1.2.2 物性參數

（1）水蒸氣含量 混合氣體的水蒸氣含量會隨實驗工況參數、氣流流程（冷凝塔進口、冷凝塔內、冷凝塔出口）發生變化：在氣流流程冷凝塔進口、冷凝塔出口位置，實驗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，混合氣體在換熱過程中會一直處于水蒸氣飽和狀態，通過測量填料位置溫度，基于IAPWS-IF97水蒸氣模型，可以計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，實驗過程中的壓損忽略不計，混合氣體中CO占比不高，也忽略CO溶于水，根據道爾頓分壓定律［式(1)］可求得水蒸氣體積分數。

式中，為水蒸氣體積分數；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，實驗中通過測量或計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數。通過體積分數與質量分數換算，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為組分的質量分數。

（3）混合氣體焓 實驗過程中，混合氣體可以看作處于水蒸氣飽和狀態，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為一種實驗工況的熱流氣體物性參數。

表3 氣體物性參數

1.3 實驗數據處理方法

1.3.1 傳質系數計算

在增濕、減濕及水冷卻過程中，傳遞速率的計算根據Walker等提出的冷卻塔工作基本原理，采用由Merkel 提出的焓差為推動力的基本速率方程，即基本焓差公式，此后又有Fiesnko 等學者提出校正法，使得焓差公式趨于完善。在逆流降溫降濕塔內，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

相界面氣相傳熱速率

Lewis關系

式中，、分別為氣體和液體的質量通量，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，kJ/(m·s·℃)；為以濕度差為基準的氣相傳質系數，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；為水膜溫度對應的飽和氣體焓值；為氣體質量流量。

1.3.2 熱負荷和體積傳熱系數h

整個傳熱過程，對于進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發生。

熱負荷的計算如式(13)。

式中，Δ、Δ、Δ、Δ、Δ分別為總換熱負荷、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·℃)；、、、、分別為進入冷凝塔的熱流氣體中的N、CO、O、水蒸氣和經冷凝降溫后排出的氣體的水蒸氣質量流量，kg/s。

體積傳熱系數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，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），℃。因為整個實驗過程中水氣流動是完全的逆流流動，所以其正確的平均溫差是對數平均溫差（LMTD）Δ，如式(15)所示。

1.4 實驗儀器與數據的不確定分析

實驗中體積傳熱系數h的不確定性可以表示為實驗中各個參數測量的誤差引起的不確定度。實驗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%。

實驗中總的不確定度如式(16)所示。

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

2 結果與討論

2.1 進氣壓力與水蒸氣含量關系

氣流直接接觸傳熱過程中，據式(13)，混合氣體冷凝降溫后水蒸氣含量是一個關鍵的工藝指標，是總換熱熱負荷Δ計算的條件。空氣中的水蒸氣含量會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律，為此考察了進氣壓力對冷凝降溫后排出的氣體水蒸氣含量的影響。實驗中氣體溫度30℃，不凝氣質量通量5.6×10kg/(m·s)保持不變，傳熱過程中的壓損忽略不計，見表4。

表4 進氣壓力-水蒸氣含量數據

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，根據道爾頓分壓定律和拉烏爾定律，進氣壓力的變化，其實就是飽和水蒸氣分壓的變化，在溫度不變情況下，水蒸氣含量會隨著蒸汽壓力升高而降低，這與實驗得到的結果一致。通過實驗數據曲線擬合，如圖3所示，冷凝降溫后排出的氣體溫度=30℃時，與呈對數關系（適用于18kPa≤≤72kPa）。

圖3 進氣壓力-水蒸氣含量曲線

2.2 冷卻水質量通量的影響

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量通量來表示，即單位時間單位填料截面積的水的流量，即kg/(m·s)，因為冷凝塔的截面積是固定的，所以可直接通過測量水流量來計算得到。在熱流氣體、工藝條件不變的情況下，考察對傳質系數、體積傳熱系數h、氣體出氣溫度影響，即參照表2 和表3，進入冷凝塔的熱流氣體=1.07×10kg/(m·s)，進氣溫度=68.3℃，進氣壓力=29kPa，見表5。

表5 關于冷卻水質量通量變化試驗數據

隨著增大而增大，h有著同樣的規律。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力增大，增強了傳質和傳熱效率。但液體量過大時，填料上的液膜層變厚了，使得氣液的停留時間變短，傳質與傳熱達到了一個平衡點。不同的是的影響，隨著增大而減小，在＞9.6×10kg/(m·s)后，低于30℃，隨著進一步增大，溫差換熱推動力減小，溫度趨近于冷卻水進水溫度。

圖4 冷卻水質量通量-體積傳熱系數、傳質系數、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，考察氣液比對傳質系數、體積傳熱系數h和氣體出氣溫度影響。即參照表3氣體物性參數，=68.3℃，=29kPa，=61.35%，=9.3×10kg/(m·s)，氣液比與、h和，見表6。

表6 關于氣液比變化試驗數據

如圖5 所示，與h隨增大而呈先上升達到極大值后下降趨勢，類似拋物線規律，隨的增加呈現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、傳質系數、出氣溫度曲線

通過實驗數據曲線擬合，找出了與h關系式（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=0.0937 時，h達到極大值。當低于0.0937 時，氣體經過填料層，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；當達到0.0937時，與h達到傳熱過程中的最大值，此時為最優氣液比，即是氣液兩相最為合理的量比關系，氣相水分子的冷凝速度與液相水分子的汽化速度達到平衡且為最大；當高于0.0937后，隨著的增加，氣體經過填料層，氣流大速度快，氣相水分子沒有足夠氣液停留時間，同時液相分散密度變小，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冷凝析出就離開了。在整個過程中，也是與、h規律完全吻合了，分為兩個階段：當在值較小時，因為液相分子占據優勢，氣相來流量小，換熱負荷低，相較于增加緩慢，換熱效果好；當達值較大時，氣液兩相的角色發生了置換，增大卻減小了氣液兩相的接觸時間，進而降低了傳質與傳熱的推動力，氣相中水蒸氣冷凝析出效率降低，也會加速上升。

3 結論

通過實驗研究了進氣壓力與水蒸氣含量關系曲線，冷卻水質量通量與氣液比對直接接觸傳熱中傳質系數、體積傳熱系數h和出氣溫度的變化規律，結果如下。

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

（2）冷卻水質量通量的影響，、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，當低于30℃后，隨著的繼續增大，下降速度減緩，趨近于冷卻水進水溫度。

（3）氣液比的影響，、h隨增大而呈先上升達到極大值后下降趨勢，類似拋物線規律，隨的增加呈現初期緩慢上漲后期加速上升趨勢。通過實驗數據曲線擬合找出了與h的數學表達式，并計算出當=0.0937 時，該過程的h達到極大值。

實驗得出的進氣壓力與水蒸氣含量關系式，對風洞實驗運行有指導作用；如何提高最優氣液比，確保較大的傳熱系數與傳質系數，增大氣體的傳熱處理量，是未來真空風洞氣流直接接觸換熱研究的方向之一。

符號說明

—— 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，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·℃)

，—— 氣體質量流量和冷卻水質量流量，kg/s

、、、

、—— 進入冷凝塔的熱流氣體中的N、CO、O、水蒸氣和經冷凝降溫后排出的氣體的水蒸氣質量流量，kg/s

—— 氣體質量通量，kg/(m·s)

—— 氣體的相對濕度，%

h—— 體積傳熱系數，W/(m·℃)

—— 濕氣體的焓，kJ/kg

—— 水膜溫度對應的飽和氣體焓值，kJ/kg

、—— 分別為氣相進、出氣氣體焓值，kJ/kg

—— 濕度差為基準的氣相傳質系數，kg/(m·s)

—— 液體的質量通量，kg/(m·s)

Δ—— 單位時間水蒸氣冷凝量，kg/s

—— 傳熱功率，W

Δ、Δ、Δ、Δ、

Δ—— 總換熱負荷、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時可凝蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg

、、—— 氣相、液相及相界面溫度，℃

、—— 氣相進、出氣溫度，℃

、—— 液相進、出液溫度，℃

—— 氣體的水蒸氣含量，g/kg

y—— 氣體組分的質量分數

—— 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—— 進氣溫度計、出氣溫度計、進水溫度計、出水溫度計、進氣濕度計、出氣濕度計、氣體流量計和冷卻水流量計不確定度