两相流动中气泡尺寸影响板式换热器性能的研究*

张仲彬 刘文生 郑孔桥 徐志明

(东北电力大学能源与动力工程学院)

随着科学技术的进步，两相流越来越多地被应用到生产和生活中，对国民经济的影响也逐步凸显。在动力、石油、核能、冶金、制冷、化工及航天等领域有许多设备都涉及气液两相流流动工况。研究两相流动的换热、压降和分布特性对于指导工程实践具有重要意义。

研究发现在两相流动中不同的流型对压差及传热特性等有很大的影响[1～3]。因此气液两相流流型识别的研究受到关注，并提出许多实时流型识别方法[4,5]。为了直观研究两相流流型的变化规律，文献[6，7]对实验台进行了可视化设计。由于不同尺寸的气泡所产生诸如含气率分布、湍流强度、流型的形成及转变等方面的特征差异[8，9]，因此文献[10～12]针对气泡尺寸、速率和分布情况对水流流场、流速的脉动强度、传热效果和压降的影响进行了研究。

板式换热器作为一种高效的换热设备被广泛应用于电力、食品及化工等行业。对于板式换热器内的两相流动，国外学者研究较多。文献[13]研究发现当由水和空气组成气液两相流，随着气相流速的增加，气液两相流的流型从泡状流、旋转泡状流到环状流依次变化；向下流动时观察到弹状流、环状流和分层流动，并且流型不是突变的而是连续变化的，文献[14]研究结果表明板式换热器内两相流动具有良好的换热性能，也证实了气、液相的速度对两相压降都有很大影响，但流型对压降几乎没有影响[15]。气液两相流在板式换热器中的流动时，由于增加了流动变量，并且气液两相的相对速度及气相的体积分数等物性参数有很大的随机性，因此流动换热情况复杂且具有随机性[16，17]，然而文献中对气泡尺寸影响板式换热器性能却鲜见报道。

笔者通过实验和数值模拟的方法来分析研究不同尺寸气泡对板式换热器性能的影响。以便更好地了解气泡在板式换热器中的分布状态，为进一步研究气泡流动演变特性提供参考。

1 实验系统与原理

1.1实验系统

实验系统示意图如图1所示。实验系统主要由加热系统、冷却系统、供气系统、数据采集系统(图1中未画出)和待测板式换热器5部分组成。系统的循环系统分为冷水侧和热水侧，冷水侧由压缩机压缩的空气经平衡阀、压力表和空气转子流量计到混合器与低温介质循环泵输送的水组成冷却工质进入板式换热器吸热，然后流入冷却水箱，在冷却水箱中由变频风冷系统调整温度，使温度维持在一定范围。而热水侧热水由电加热器加热经高温介质水泵、涡轮流量计进入换热器放热后重新流回恒温介质水箱再加热，如此循环往复。

图1 实验系统示意图

实验使用的气液两相流装置，在其内部粘合一块塑料孔板，上面均匀分布直径大小相同的小孔，既保证气相能够较为均匀地分布在液相中，又使气泡尺寸一致。通过改变孔径d来改变气泡尺寸，本实验应用了4个不同孔径的孔板，其进气孔径分别为0.5、1.0、1.5、2.0mm。

1.2实验原理

理论上换热器的换热量Φ等于热侧放热量Φ1与冷侧吸热量Φ2之和，但考虑到换热器的散热损失，两者并不相等，定义热平衡相对误差η=|Φ1-Φ2|/Φ1×100%，若η≤5%，则认为实验数据合理。总传热系数k为：

(1)

(2)

(3)

式中A——换热面积，m2；

k——总传热系数，W/(m2·K)；

Δtm——对数平均温差，℃；

Δtmax——换热器端部温差的最大值，℃；

Δtmin——换热器端部温差的最小值，℃。

1.3气泡尺寸的测量

如图2所示，笔者采用抽取混合的气液两相流导入细管内，通过测量气体在管内的延伸长度L，计算气泡直径d气=(1.5L·d管)1/3[18]，其中d管为毛细管内径。

图2 气泡直径测量方法示意图

研究发现在采用不同进气孔径的孔板可得到不同大小的气泡。通过改变不同气液混合比，当流动稳定后进行分别测量，每组连续采集200个数据点，研究发现相同进气孔径的板片导出两相流中的L基本在很小范围内波动，所以采用概率统计的方法，最终求取平均值得出不同孔板孔径对应的不同气泡尺寸(表1)。

表1 不同孔径板片对应所得不同直径的气泡

2 实验结果分析

2.1气相雷诺数变化的影响

为分析气液两相雷诺数对板式换热器传热性能的影响，本实验对比分析了4组不同液相雷诺数ReL和5组不同气相雷诺数ReG板式换热器传热性能的实验数据。其中孔板孔径d=1.5mm，并以单相流动为基准，得出两相与单液相总传热系数k与ReL之间的变化关系。从图3可以看出随着液相雷诺数的增加，两相流和单相流的传热系数均增大，不过两相流的传热系数大于单相流的，说明两相流动提高了板式换热器的换热能力。导致这种情况的原因是，气泡的出现加大了液体的扰动，液体的流动状态不断改变，减薄了板壁与液体之间的热边界层，进而增强了换热效果。但随着ReL的增大，进出口压降也随之增大(图4)，这就需要消耗更多的泵功。

图3 两相流传热系数k与ReL之间的关系

图4 两相流压降Δp与ReL之间的关系

2.2气相雷诺数对气泡尺寸的影响

在液相雷诺数ReL一定的条件下，重复做了4组不同孔板直径和4组不同气相雷诺数的实验研究，通过图5可以发现，随着气泡直径的减小传热系数值逐渐增大，但变化不是很显著。同时随着气相雷诺数ReG的增大，传热性能也有一定的提高，起到强化传热作用。主要原因是含有的气泡数量越多，气泡产生的扰动越大，增强了流体湍流强度进而提高了换热能力。然而，随着气泡直径的增大压降也逐渐增大(图6)，表明流动阻力也随之增大。导致此种现象原因是，在相同的流道内气泡的尺寸越小越容易被流体带走，流动阻力越小，气泡的尺寸越大越容易阻塞。

图5 两相流传热系数k与d气之间的关系

图6 两相流压降Δp与d气之间的关系

2.3液相雷诺数对气泡尺寸的影响

气相雷诺数ReG一定的条件下，重复做了4组不同孔板孔径和4组不同液体流速的对比实验，如图7所示，在相同的液体ReL流动下与单相流动对比。随着孔板孔径即气泡直径的增大传热系数k值有减小的趋势，但不是很明显。因此，在气泡尺寸较小的条件下，传热效果能得到一定的强化。而压降的变化趋势恰恰相反，如图8所示。尽管压降的变化不是很大，但也随着气泡直径的增大而略有增大。

3 数值模拟分析

3.1数学模型与边界条件

图7 两相流传热系数k与d气之间的关系

图8 两相流压降Δp与d气之间的关系

采用工程上广泛应用的RNGk-ε模型对流道内的流动、换热进行模拟。用三维建模软件Pro/e建立好基本模型后，然后利用Gambit软件对数值模型进行网格划分。进口边界设为速度入口，出口边界设为压力出口。外部各个边界设为无滑移边界条件，中间板片设为换热面，其余各面均为绝热边界。

3.2模拟结果分析

笔者对板式换热器中气液两相的单边流动进行了数值模拟。水流速为0.1m/s，空气体积含气率为0.1，其中气泡直径分别为1.0、1.5、2.0、2.5mm的工况进行模拟研究。

3.2.1压力场

图9为相同入口水流速和空气体积含气率时，冷流道中两相流体压力随入口气泡直径的变化情况。由图9可知，随着入口气泡直径的增大，冷流道中两相流体的压力梯度变化不是很明显，图中等压线与界面纵向稍有倾斜，且在出口附近倾斜程度略有增大，说明流道内的速度分布是不均匀的；气泡直径较小时进口附近压力高的区域较小，因而可以说明气泡直径越大，进出口压降变化越大。

图9 冷流道中两相流体压力随入口气泡直径的变化

3.2.2温度场

图10为冷流道中两相温度随入口气泡直径的变化情况。由图10可知，随入口气泡直径的增大，进口附近换热死区位置的低温区域和出口附近高温区域的变化不太均匀，由于气体的扰动，进出口连线一侧的换热较强，高温区域较进出口另一侧的大；当气泡尺寸逐渐变大时，换热死区位置的低温区域面积也随之变大，而出口附近高温区域面积随之变小，说明气泡尺寸越大换热效果越差；因而说明小尺寸气泡具有一定的强化换热效果。

图10 冷流道中两相流体温度随入口气泡直径的变化

4 结论

4.1由于气体的扰动，增大了两相流动的湍流强度，增强了近壁面处的热边界层的传热能力，使得板式换热器的两相流动换热效果优于单相流，同时压降增大。

4.2随着气泡直径的减小传热效果具有一定的强化作用，但效果不是很显著，且压降也有一定的减小。

4.3模拟和实验结果吻合得很好，通过数值模拟能较准确地预测流场分布，弥补实验研究的不足，对板式换热器内流流场的研究有重要的参考价值。

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