吳鵬飛，王科，趙玨

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

引 言

熱交換器是石油、化工、核能等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的主要設(shè)備之一，是合理利用與節(jié)約現(xiàn)有能源、開(kāi)發(fā)新能源的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)展高效的熱交換器能夠有效地提高能源利用率，是解決能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。板殼式熱交換器作為一種新型換熱器[1-2]，集合了管殼式換熱器和板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，具有高的傳熱效率、能夠耐高溫高壓、結(jié)構(gòu)緊湊以及質(zhì)量輕，并且彌補(bǔ)了板式換熱器應(yīng)力分布不均勻的缺點(diǎn)[3-4]。優(yōu)良的性能使得板殼式換熱器能夠適用于多種復(fù)雜的工況，如壓縮機(jī)級(jí)間冷卻、浮式海上石油平臺(tái)、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電裝置等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)板式換熱器內(nèi)流型和壓降開(kāi)展了廣泛的研究。在單相流動(dòng)形態(tài)中，F(xiàn)ocke 等[5]、Dovi?等[6]、Zimmerer等[7]采用可視化的實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)波紋通道內(nèi)流動(dòng)主要由兩種形式組成：沿主流方向的縱向螺旋流動(dòng)（Z 字形流動(dòng)）和沿波紋方向的溝槽流動(dòng)（L 字形流動(dòng)）。欒志堅(jiān)等[8]的研究表明隨著波紋傾角由小變大，通道中的流動(dòng)形態(tài)由“兩組交叉流”轉(zhuǎn)變成“曲折流”。眾多研究者[9-16]的結(jié)果表明流型與波紋形狀、波長(zhǎng)、板間距、水力直徑、流動(dòng)方向有關(guān)。Nilpueng 等研究了不同相位角條件下的氣液兩相流流型[13]，實(shí)驗(yàn)研究了垂直向上和垂直向下的兩相流動(dòng)形態(tài)，發(fā)現(xiàn)不同的流動(dòng)方向也會(huì)導(dǎo)致流型的差異[14]。大部分研究者[10,12-16]大致將氣-液兩相流型劃分為泡狀流、彈狀流、膜狀流和攪拌流。在壓降的研究中，有研究結(jié)果表明，表觀氣速和表觀液速的變化對(duì)兩相壓降有顯著影響，流動(dòng)方向和流型也會(huì)影響兩相壓降，眾多研究者[14-15,17-25]基于Lockhart-Martinelli 理論[26]，并且得出相似的結(jié)論：在低水力直徑的流道內(nèi)Lockhart-Martinelli 關(guān)聯(lián)式中的C值一般與管流中的氣體層流-液體層流的C值較為接近。目前，對(duì)于板殼式換熱器也有相應(yīng)的研究，Abbas 等[27]對(duì)波紋角為45°和75°的板殼式換熱器中的單相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明殼程的流動(dòng)比板程的流動(dòng)具有更高的Nu和更低的摩擦系數(shù)，此外，發(fā)現(xiàn)75°波紋角的傳熱性能優(yōu)于45°波紋角。陳武濱等[28]的研究表明圓形截面形式的換熱器殼程空間利用率較高，流體流動(dòng)充分，換熱效果更好。然而，對(duì)于板殼式換熱器圓形波紋通道內(nèi)氣-液兩相流型與壓降的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，其流道內(nèi)的兩相流相界面宏觀結(jié)構(gòu)和各相宏觀分布的狀態(tài)特征都與管內(nèi)兩相流的流動(dòng)形態(tài)有較大差異，與傳統(tǒng)的方形板式換熱器的波紋通道也有不同，缺乏對(duì)板殼式換熱器波紋通道內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的多樣性、流型轉(zhuǎn)變機(jī)制及系統(tǒng)壓力分布的認(rèn)知。

本文主要對(duì)板殼式換熱器圓形波紋通道內(nèi)氣-水兩相垂直向上流動(dòng)流型和壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。獲得了圓形波紋通道內(nèi)氣-水兩相流動(dòng)的宏觀相界面分布特性，兩相流動(dòng)壓降預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式以及兩相流型與壓降的相關(guān)性規(guī)律，豐富了對(duì)板殼式換熱器的認(rèn)識(shí)，具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和科學(xué)價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由儲(chǔ)液罐、離心泵、空氣壓縮機(jī)、流量計(jì)、氣液混合器以及相關(guān)的連接管段和多種閥門(mén)組成。實(shí)驗(yàn)測(cè)試段為前后兩片透明波紋板片交錯(cuò)疊合構(gòu)成菱形通道（圖2），其材料為環(huán)氧樹(shù)脂，尺寸參數(shù)列于表1，為保證實(shí)驗(yàn)段的充分發(fā)展以及進(jìn)水和排水的均勻穩(wěn)定，板片的進(jìn)口和出口各設(shè)置150 mm的延長(zhǎng)段。

1.2 測(cè)量方法與誤差分析

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

圖2 板片幾何結(jié)構(gòu)Fig.2 Plate geometry

為了獲得高清靜態(tài)相界面特征以及捕捉流型轉(zhuǎn)變特征，采用背光拍攝的方法。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察與流型識(shí)別過(guò)程中，根據(jù)光學(xué)原理，在透明波紋板片流道內(nèi)氣相與液相在光反射強(qiáng)度下的差異來(lái)區(qū)分液體連續(xù)相和氣體連續(xù)相，可以清晰地觀察到氣相區(qū)域顏色是偏暗的，而液相區(qū)域視覺(jué)上則偏亮（圖3），氣-液相界面可以被明顯區(qū)分，這一方法在流型識(shí)別中被廣泛采用，圖3 中的矩形區(qū)域表示圖像拍攝區(qū)域，該區(qū)域是長(zhǎng)為140 mm、寬為110 mm 的矩形。壓力傳感器分別布置在實(shí)驗(yàn)段的進(jìn)出口，采樣率為1000 Hz，時(shí)間為10 s，以獲得壓降變化規(guī)律；采用FR-625 高速攝影機(jī)和尼康60 mmf/2.8 微透鏡進(jìn)行流型捕捉以及流型轉(zhuǎn)變的記錄，采樣頻率和拍攝時(shí)間分別設(shè)置為500 幀/秒和5 s。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣體流量計(jì)的精度為±0.5%，液體流量計(jì)精度為±0.1%，壓力傳感器精度為±0.5%。

圖3 拍攝區(qū)域與氣液相的識(shí)別Fig.3 Shooting area and gas-liquid identification

2 結(jié)果與討論

2.1 流型

根據(jù)兩相流宏觀相界面特征，將波紋通道內(nèi)垂直向上流動(dòng)的流型劃分為泡狀流、彈狀流、膜狀流和攪混流。

圖4 泡狀流(USL=0.025 m/s，USG=0.5 m/s)Fig.4 Bubbly flow(USL=0.025 m/s，USG=0.5 m/s)

表1 板片參數(shù)Table1 Plate parameters

圖5 彈狀流(USL=0.05 m/s，USG=1.5 m/s)Fig.5 Slug flow(USL=0.05 m/s，USG=1.5 m/s)

2.1.1 泡狀流 如圖4所示，在泡狀流中，流道內(nèi)液體為連續(xù)相，不同大小和形狀各異的氣泡分布在連續(xù)液相內(nèi)，并與液體一起流動(dòng)。流道內(nèi)的氣泡和液體的流動(dòng)方向分為兩種：一種是沿著菱形通道的間隙在豎直方向螺旋上升流動(dòng)；另一種是沿著內(nèi)外板片波紋方向的溝槽交替流動(dòng)。在垂直向上流動(dòng)中，由于重力作用極大地阻礙了豎直方向的螺旋上升流動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)的圖像顯示，流動(dòng)主要是沿著內(nèi)外板片波紋方向的溝槽交替流動(dòng)，如圖4(a)所示沿著內(nèi)板的溝槽方向流動(dòng)，如圖4(b)所示沿著外板的溝槽方向流動(dòng)。

2.1.2 彈狀流 隨著氣速的增加，流道內(nèi)的氣泡會(huì)合并成連續(xù)的氣相，在接觸點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)液體滯留區(qū)，氣速繼續(xù)增加，整個(gè)流道內(nèi)出現(xiàn)了連續(xù)的氣相區(qū)域，接觸點(diǎn)附近的液體滯留區(qū)變得更加明顯，流型過(guò)渡至彈狀流。如圖5 所示，由于垂直向上流動(dòng)受重力的阻礙作用，使得高速流動(dòng)的氣體將小液團(tuán)從接觸點(diǎn)位置帶走的能力減弱，使得液體滯留區(qū)這一現(xiàn)象更加明顯。由于流體之間的拖拽作用，使得接觸點(diǎn)周?chē)男∫簣F(tuán)形狀各異，并且顯示出向上流動(dòng)的趨勢(shì)。

2.1.3 膜狀流 隨著氣速的增加，流道內(nèi)部分區(qū)域的液體滯留區(qū)會(huì)消失，部分會(huì)逐漸拉長(zhǎng)成為細(xì)長(zhǎng)的液團(tuán)，氣速繼續(xù)增加，流道內(nèi)的液體滯留區(qū)全部消失，在流道內(nèi)形成連續(xù)的氣相，液體在內(nèi)外波紋板的壁面以液膜的形式隨氣芯快速流動(dòng)，流型過(guò)渡至膜狀流。如圖6所示，膜狀流中氣體流量較大，液體流量較小，空氣在中間流道流動(dòng)，液體除了以液膜的形式在波紋板的壁面流動(dòng)外，還有極少量液體以?shī)A帶液滴的形式存在于流道中。在垂直向上流動(dòng)中，重力作用阻礙液膜沿著壁面向上流動(dòng)，因此液膜的流動(dòng)速度較小，厚度較厚。

圖6 膜狀流(USL=0.075 m/s，USG=5.0 m/s)Fig.6 Film flow(USL=0.075 m/s，USG=5.0 m/s)

2.1.4 攪混流 隨著液體流量的增大，膜狀流中的夾帶液滴出現(xiàn)得更加頻繁，導(dǎo)致液膜劇烈波動(dòng)并且氣體流通截面積減小，當(dāng)膜狀流界面上的剪切力遠(yuǎn)大于表面張力時(shí)，會(huì)形成液塊并破壞膜狀流中間的氣芯，流型過(guò)渡至攪混流。如圖7所示，一部分液體以液膜的形式沿著波紋板的壁面流動(dòng)，剩余液體與氣體在中間流道混合流動(dòng)，在攪混流中，氣液兩相劇烈攪拌，很難區(qū)分出氣液相界面，由于垂直向上流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更劇烈的振蕩，在波紋槽道內(nèi)能看到很多小氣泡。

圖7 攪混流(USL=0.175 m/s，USG=5.0 m/s)Fig.7 Churn flow(USL=0.175 m/s，USG=5.0 m/s)

2.2 壓降

2.2.1 單相壓降 板殼式換熱器中的單相壓降包括摩擦壓降、重力壓降和壓力損失?？倝航当硎緸?/p>

式中，ΔPt、ΔPf、ΔPg和ΔPm分別為總壓降、摩擦壓降、重力壓降和壓力損失。重力壓降ΔPg通過(guò)式(2)計(jì)算

式中，g、L和ρl分別是重力加速度、流動(dòng)長(zhǎng)度和水的密度。

壓力損失通過(guò)式(3)計(jì)算

式中，V表示水流速度。

Reynolds數(shù)Re表示為

式中，G表示質(zhì)量流量，μ表示流體動(dòng)力黏度，Dh表示水力直徑。

單相摩擦因子的計(jì)算公式如下

式中，Leff表示有效流動(dòng)長(zhǎng)度。

圖8 顯示了單相流動(dòng)中空氣和水的Reynolds 數(shù)與單相摩擦因子之間的關(guān)系，結(jié)果表明單相空氣和水的摩擦因子都隨著Reynolds 數(shù)的增加逐漸減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他文獻(xiàn)有著類(lèi)似的趨勢(shì)，如文獻(xiàn)[27,29]等。數(shù)值的差異可以歸因于不同的板片結(jié)構(gòu)和板片的幾何參數(shù)。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了單相空氣和水的摩擦因子與Reynolds數(shù)的關(guān)聯(lián)式。

圖8 單相流動(dòng)中Reynolds數(shù)與摩擦因子的關(guān)系Fig.8 Relation between Re and friction factor in single-phase flow

2.2.2 兩相壓降 圖9 顯示出了氣-液兩相摩擦壓降與表觀氣速和表觀液速的關(guān)系。結(jié)果表明，表觀氣速和表觀液速都對(duì)兩相摩擦壓降有較大的影響，隨著表觀氣速和表觀液速的增大，垂直向上流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流道內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的振蕩，湍流也變得更加劇烈，兩相摩擦壓降也增大。

本文采用均相流模型計(jì)算兩相摩擦壓降。兩相流的混合密度由式（8）計(jì)算

式中，ρm、ρl、ρg、α和x分別是氣液兩相的混合密度、液體密度、氣體密度、含氣率和氣體干度。

圖9 兩相摩擦壓降與不同表觀氣速與表觀液速的關(guān)系Fig.9 Relationship between two-phase friction pressure drop and superficial velocity

Lockhart-Martinelli 方法通常用于計(jì)算兩相摩擦壓降，計(jì)算式如下

式中，C值的大小取決于兩種流體的不同流態(tài)。Chisholm[30]給出了光滑管內(nèi)常數(shù)C的建議值，液體湍流-氣流湍流，C=21；液體層流-氣體湍流，C=12；液體湍流-氣體層流，C=10；液體層流-氣體層流，C=5。

兩相摩阻系數(shù)(φL)與Martinelli 參數(shù)(X)之間的關(guān)系如圖10所示。結(jié)果表明，隨著Martinelli參數(shù)的增大，兩相摩阻系數(shù)逐漸減小?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)新的關(guān)聯(lián)式用于預(yù)測(cè)板殼式換熱器波紋通道垂直向上流動(dòng)的兩相摩擦壓降，如式(14)所示。大多數(shù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)位于±30%偏差范圍內(nèi)。

圖11 顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與板式換熱器流道中內(nèi)兩相摩阻系數(shù)與Martinelli 參數(shù)之間關(guān)系的比較。結(jié)果表明，板殼式換熱器圓形波紋通道內(nèi)兩相摩阻系數(shù)(φL)與Martinelli 參數(shù)(X)的關(guān)系與板式換熱器內(nèi)具有較好的一致性。

圖11 兩相摩阻系數(shù)與Martinelli參數(shù)的文獻(xiàn)對(duì)比Fig.11 Comparison of relationship between two-phase multiplier and Martinelli parameter in literatures

2.3 兩相流型與壓降

圖12 描述了板殼式換熱器波紋流道內(nèi)四種典型流型與其壓降波動(dòng)幅值的變化規(guī)律。結(jié)果表明：泡狀流由于表觀氣速與表觀液速較小，壓降波動(dòng)的幅度很小，基本維持在6.4～8.5 kPa 范圍內(nèi)波動(dòng)；隨著表觀氣速的增加，小氣泡聚集合并形成彈狀流，此時(shí)壓降波動(dòng)的幅度有所增加，基本在7.1～13.3 kPa范圍內(nèi)波動(dòng)；隨著表觀氣速的增加形成膜狀流，膜狀流流動(dòng)較為穩(wěn)定，壓降波動(dòng)幅度不大，壓降基本在24.6～35.5 kPa 范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)液體流量增大時(shí)形成攪混流時(shí)，此時(shí)氣-液兩相在流道內(nèi)擾動(dòng)劇烈，在垂直向上流動(dòng)伴隨有較強(qiáng)的振蕩，湍流增強(qiáng)，此時(shí)的壓降波動(dòng)幅度最大，基本在34.2～56.1 kPa 范圍內(nèi)波動(dòng)。通過(guò)以上分析，可以看出不同的流型其壓降的大小以及壓降的波動(dòng)幅度都有較大的差異，因此通過(guò)不同流型的壓降波動(dòng)幅度的變化可以為流型判別及其轉(zhuǎn)變提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)板殼式換熱器垂直向上流動(dòng)的流型和壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下。

圖12 流型壓降波動(dòng)曲線Fig.12 Fluctuation curves of flow pattern and pressure drop

（1）在本文波紋通道幾何條件下，垂直向上氣-液兩相流動(dòng)的流型被劃分為泡狀流、彈狀流、膜狀流和攪混流四種；此外，發(fā)現(xiàn)泡狀流的流動(dòng)是沿著內(nèi)外波紋板的溝槽方向交替流動(dòng)。

（2）在本文波紋通道幾何條件下，基于Lockhart-Martinelli 理論獲得了氣-液兩相流動(dòng)的兩相摩阻系數(shù)與Martinelli 參數(shù)的關(guān)系，并擬合了兩相壓降預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)Chisholm 參數(shù)C的值與Chisholm最初建議的管內(nèi)層流-層流的值接近。

（3）在本文波紋通道幾何條件下，通過(guò)流型壓降波動(dòng)曲線得出泡狀流中的壓降波動(dòng)幅值最小，彈狀流與膜狀流次之，攪混流中壓降波動(dòng)幅值最大，其壓降波動(dòng)的幅值可以為流型的種類(lèi)判別及其轉(zhuǎn)變提供一定的依據(jù)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

b——波紋深度，mm

D——板片直徑，mm

Dh——水力直徑，mm

d——角孔直徑，mm

fl,fg——分別為液相摩擦因子和氣相摩擦因子

G——質(zhì)量流量，kg/(m2·s)

g——重力加速度，m/s2

L——總流動(dòng)長(zhǎng)度，m

Leff——有效流動(dòng)長(zhǎng)度，m

Pc——波紋節(jié)距，mm

ΔPf——摩擦壓降，Pa

ΔPg——重力壓降，Pa

ΔPm——壓力損失，Pa

ΔPt——總壓降，Pa

Re——Reynolds數(shù)

USG,USL——分別為表觀氣速和表觀液速，m/s

V——流體速度，m/s

x——干度

α——含氣率

μ——黏度，Pa·s

ρl,ρv,ρm——分別為液相密度、氣相密度和氣-液兩相混合密度，kg/m3

ν——比體積，m3/kg

?L——兩相摩阻系數(shù)

下角標(biāo)

G——?dú)庀?/p>

L——液相

TP——?dú)?液兩相