多通道烘缸汽液兩相流型特性及轉(zhuǎn)變

圖1為多通道烘缸凝結(jié)換熱可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)。如圖1所示，與紙機(jī)烘缸類似，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要依靠蒸汽的流動(dòng)凝結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。本實(shí)驗(yàn)使用去離子水作為液體工質(zhì)產(chǎn)生蒸汽，冷卻負(fù)載為冷卻水。實(shí)驗(yàn)存在3種過(guò)程：凝結(jié)換熱、汽液兩相相變和流型轉(zhuǎn)變過(guò)程。主要測(cè)試段是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，主體采用一塊長(zhǎng)900 mm的鋁制矩形板加工而成，通道長(zhǎng)度為800 mm。設(shè)計(jì)加工了U形截面形狀的鋁制金屬通道板，結(jié)構(gòu)如圖2所示。為提高金屬壁表面的耐磨性，統(tǒng)一對(duì)壁面做了陽(yáng)極氧化處理。

圖2  U形截面通道板

Fig. 2  U-section experimental channel plate

鋁制通道板兩側(cè)各設(shè)有3條水平蒸汽凝結(jié)通道和冷卻水熱交換通道，中間通道相鄰兩通道主要防止熱量散失；為防止串流，在通道間設(shè)置回字形密封條。蒸汽通道一側(cè)固定有耐溫聚碳酸酯（PC）板，用作可視化觀察；另一側(cè)覆不銹鋼蓋板，用于密封冷卻水通道。為防止熱量額外損失，除透明部分外，所有外表面均用隔熱棉保溫。熱量損失少于蒸汽釋放總熱量的0.5％，所以可忽略不計(jì)。

可視化系統(tǒng)主要由德國(guó)PCO公司的dimax S4型高速攝像機(jī)及照明光源組成。攝像機(jī)像素為4502 fps @ 1008×1008，全分辨率為1279 fps @ 2016×2016，無(wú)須黑色基準(zhǔn)標(biāo)定，曝光時(shí)間范圍1.5 μs~40 mms（每秒鐘拍攝25幀~60萬(wàn)幀以上照片）。拍攝鏡頭為Nikon近攝鏡頭和Tokina微距鏡頭，采用2組LED冷光源補(bǔ)光。

水平通道汽液常見(jiàn)兩相流型包括：環(huán)狀流、環(huán)狀彌散流、分層波狀流、彈狀流、塞狀流、彌散泡狀流、分層流及間斷流動(dòng)^[19]。本研究對(duì)采集到的流型圖像進(jìn)行分類，共得到環(huán)狀流、環(huán)波狀流、波狀流、彈狀流、塞狀流、分層流和泡狀流7種水平通道典型流型，見(jiàn)圖3。

圖3  水平通道7種流型及其汽液分離示意圖

Fig. 3  Schematic diagram of 7 flow patterns in horizontal channel and their vapor-liquid separation

圖5為蒸汽質(zhì)量通量25 kg/(m²·s)、入口蒸汽飽和溫度（T_s）分別為110℃、120℃、130℃時(shí)，沿通道長(zhǎng)度方向的流型轉(zhuǎn)變圖像。從圖5可觀測(cè)到，隨蒸汽飽和溫度的不斷升高，通道內(nèi)的流型逐漸增多，環(huán)狀流的區(qū)域明顯減少。溫度為110℃時(shí)流型種類共3種：環(huán)狀流、環(huán)波狀流及彈狀流；120℃和130℃時(shí)流型種類共4種：環(huán)狀流、環(huán)波狀流、波狀流及彈狀流。

圖5  水平U形截面通道不同蒸汽飽和溫度下的流型轉(zhuǎn)變

Fig. 5  Flow patterns transition in U-shaped cross-section channel for different steam saturation temperatures

本研究從傳熱基本原理出發(fā)，討論蒸汽飽和溫度對(duì)流型的影響。冷卻介質(zhì)的溫度波動(dòng)不大，如果提高蒸汽飽和溫度，蒸汽與冷壁面間的傳熱溫差增大，蒸汽傳遞的熱量增多，進(jìn)而冷卻劑吸收的熱量必然增大，獲得的凝結(jié)水量增多，凝結(jié)水的“波浪”振幅易于增大，有利于彈狀流、塞狀流的形成。

圖6為蒸汽質(zhì)量通量25 kg/(m²·s)時(shí)，蒸汽飽和溫度分別為110℃、120℃、130℃時(shí)的流型轉(zhuǎn)變。由圖6可見(jiàn)，環(huán)狀流所占的區(qū)域會(huì)隨溫度的升高而明顯減少，環(huán)波狀流減少的幅度不如環(huán)狀流時(shí)明顯；彈狀流出現(xiàn)的區(qū)域較短，且不夠穩(wěn)定，能夠觀察到受汽彈破潰與液相湍流沖擊而產(chǎn)生的脈動(dòng)。

圖6  U形截面通道蒸汽飽和溫度對(duì)流型轉(zhuǎn)變的影響

Fig. 6  Effect of steam saturation temperature on flow patterns transition in U-shaped cross-section channel

蒸汽飽和溫度為110℃時(shí)，波浪振幅較高的波狀流并未出現(xiàn)，僅出現(xiàn)平緩的環(huán)波狀流，這顯然是凝結(jié)水量不夠多的原因。隨著溫度的提升，換熱溫差加大，換熱量的增加有助于凝結(jié)水量的增加。若蒸汽的凝結(jié)速率加快，則汽相含汽率會(huì)逐漸減少，兩相界面受到干擾，液相波浪振幅的增大就會(huì)變得更加明顯。

以上結(jié)果說(shuō)明，水平U形截面通道中，發(fā)生穩(wěn)定凝結(jié)換熱過(guò)程的主要區(qū)域仍然是環(huán)狀流，且溫度越低，環(huán)狀流占據(jù)的區(qū)域越大，這與水平矩形通道得出的結(jié)論一致^[18]。

圖7為蒸汽飽和溫度110℃時(shí)，不同入口蒸汽質(zhì)量通量（G）下，冷卻水質(zhì)量流量對(duì)環(huán)狀流型轉(zhuǎn)變的影響。由圖7可知，冷卻水質(zhì)量流量較小時(shí)，不同入口蒸汽質(zhì)量通量對(duì)應(yīng)環(huán)狀流占據(jù)的區(qū)域差別較小；隨著冷卻水質(zhì)量流量的增加，環(huán)狀流占據(jù)區(qū)域的差別逐漸加大。

圖7  U形截面通道流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)對(duì)環(huán)狀流型轉(zhuǎn)變的影響

Fig. 7  Effect of flow state parameters on the transition of annular flow pattern in U-shaped cross-section channel

首先，冷卻水質(zhì)量流量相同時(shí)，換熱量有限，入口蒸汽質(zhì)量通量較小時(shí)蒸汽對(duì)凝結(jié)水的剪切力較小，無(wú)法對(duì)液相提供足夠的拖拽力；隨著蒸汽質(zhì)量通量的加大，剪切力明顯增大，環(huán)狀流占據(jù)的區(qū)域隨之增加。其次，當(dāng)冷卻水質(zhì)量流量較小時(shí)，所提供的冷卻負(fù)載不大，此時(shí)通道內(nèi)的蒸汽量也不會(huì)明顯減少，凝結(jié)水量也不會(huì)明顯增加，所以蒸汽對(duì)于凝結(jié)液的剪切力不會(huì)有明顯變化，造成環(huán)狀流占據(jù)的區(qū)域并沒(méi)有明顯的變化。

蒸汽質(zhì)量通量不變，隨著冷卻水質(zhì)量流量的提升，環(huán)狀流范圍并非持續(xù)增大。冷卻水流速加快，引起壁面和冷卻水間的剪切作用增強(qiáng)，因而由湍流引起的熱傳遞得到增強(qiáng)；所以在冷卻水質(zhì)量流量從較小值增大到198 kg/h時(shí)，傳熱增強(qiáng)且環(huán)狀流范圍增大。值得注意的是冷卻水質(zhì)量流量達(dá)到223 kg/h時(shí)，環(huán)狀流占據(jù)的區(qū)域雖然呈現(xiàn)更大的差距，但環(huán)狀流占據(jù)的區(qū)域范圍卻并非最大，原因可能是冷卻水負(fù)荷過(guò)大，致使相應(yīng)的蒸汽質(zhì)量通量已無(wú)法滿足傳熱要求。

圖8為冷卻水質(zhì)量流量200 kg/h、蒸汽飽和溫度為110℃、120℃、130℃，不同蒸汽質(zhì)量通量（G）時(shí)，換熱熱流密度對(duì)環(huán)狀流型轉(zhuǎn)變的影響。從圖8可看出，在相同蒸汽飽和溫度下，蒸汽質(zhì)量通量越大，換熱熱流密度越大，環(huán)狀流轉(zhuǎn)變位置越向后移。這說(shuō)明，蒸汽質(zhì)量通量變大，則給予系統(tǒng)的總熱量增加，在換熱面積不變的情況下，換熱熱流密度增加，必然引起傳熱壁面溫度的升高，從而導(dǎo)致與壁面接觸的凝結(jié)水溫的升高，凝結(jié)水溫升高會(huì)造成黏度的減小，進(jìn)而促進(jìn)凝結(jié)水的流動(dòng)，以形成更大范圍的液膜，最終獲得更大的環(huán)狀流范圍。

圖8  U形截面通道換熱熱流密度對(duì)環(huán)狀流型轉(zhuǎn)變的影響

Fig. 8  Effect of heat flux on the transition of annular flow pattern in U-shaped cross-section channel

另外，在相同蒸汽質(zhì)量通量下，蒸汽飽和溫度小于130℃時(shí)，蒸汽飽和溫度越低，換熱熱流密度越小，環(huán)狀流占據(jù)的范圍更大。圖8中蒸汽質(zhì)量通量最大（50 kg/(m²·s)）、飽和溫度為110℃的狀態(tài)下，換熱熱流密度雖然很小，但此時(shí)環(huán)狀流覆蓋了整個(gè)通道。溫度是計(jì)算換熱熱流密度的主要參數(shù)，若蒸汽飽和溫度小，則得到的熱流密度小。蒸汽飽和溫度為110℃的狀態(tài)下，3種蒸汽質(zhì)量通量對(duì)應(yīng)的熱流密度（2087~2151 kW/m²）僅增長(zhǎng)6.1%，而蒸汽質(zhì)量通量值（25~50 kg/(m²·s)）則增長(zhǎng)了100%。顯然，蒸汽質(zhì)量通量的增長(zhǎng)更明顯，從而引起較大的剪切速度，并導(dǎo)致較大的界面剪應(yīng)力；剪切力使汽液界面上產(chǎn)生液滴，這些液滴在汽相中合并，最終重新在液膜上沉積。當(dāng)汽相流速足夠大時(shí)，液滴碰撞通道上壁，形成極薄的液膜。所以溫度較低時(shí)，熱流密度的影響并不明顯，此時(shí)，增加蒸汽質(zhì)量通量更加有助于形成環(huán)狀流。

蒸汽飽和溫度上升到130℃時(shí)，隨著蒸汽質(zhì)量通量的增加，換熱熱流密度出現(xiàn)明顯躍升（2901 kW/m²），較高的換熱熱流密度對(duì)應(yīng)較大的環(huán)狀流范圍，但環(huán)狀流范圍卻小于相同蒸汽質(zhì)量通量下、較低溫度對(duì)應(yīng)的范圍。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)榱餍偷霓D(zhuǎn)變與汽液兩相的相對(duì)速度有關(guān)。因?yàn)轲ざ葘?duì)兩相的流動(dòng)速度影響極大，所以有必要從兩相流體物性的角度來(lái)分析流型轉(zhuǎn)變。換熱熱流密度的急劇增加代表單位面積的熱流通量急劇增加，對(duì)于汽相而言，熱流通量增加了，分子間能夠碰撞交換的能量也隨之增加，導(dǎo)致分子間碰撞加劇、黏度增大，因而汽相在通道內(nèi)的速度會(huì)減慢；較小的汽速無(wú)法獲得通道上部穩(wěn)定的薄液膜，難以形成環(huán)狀流。對(duì)于液相而言，在蒸汽飽和溫度從110℃提高到130℃、換熱熱流密度增加的同時(shí)，相應(yīng)的壁面溫度卻降低明顯，凝結(jié)水溫直接受到壁溫影響而降低，所以其黏度變大，流動(dòng)速度減小，最終減小了環(huán)狀流的范圍。

綜上，不同蒸汽飽和溫度下，換熱熱流密度的變化會(huì)影響到環(huán)狀流范圍，但當(dāng)蒸汽飽和溫度為110℃、120℃時(shí)，影響流型轉(zhuǎn)變的主要因素為蒸汽質(zhì)量通量；而蒸汽飽和溫度達(dá)到130℃時(shí)，影響流型轉(zhuǎn)變的主要因素為兩相流體的黏度。