多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽冷凝流動(dòng)對傳熱特性的影響

楊琸之 董繼先 喬麗潔 嚴(yán)彥

摘 要：為提高多通道烘缸的換熱效率，優(yōu)化其蒸汽利用率，本研究探究了蒸汽在多通道烘缸通道內(nèi)的冷凝換熱過程，并借助高速攝像機(jī)對蒸汽冷凝換熱過程進(jìn)行了可視化觀測。在蒸汽質(zhì)量流速（kg/（m2·s））與冷卻水質(zhì)量流量（kg/h）兩種不同工況下，分析了多通道烘缸通道內(nèi)氣液兩相流型的變化情況，研究了通道內(nèi)蒸汽冷凝換熱系數(shù)及其沿通道壁面方向壓降的變化規(guī)律，為多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽的流動(dòng)與傳熱機(jī)理研究提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 冷凝換熱;兩相流;壓降;可視化;多通道烘缸

中圖分類號：TS734;TK124

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.01.010

多通道烘缸是為了改善傳統(tǒng)烘缸冷凝水積水問題提出的一種新型烘缸[1]。與傳統(tǒng)烘缸相比，多通道烘缸雖然改善了冷凝水積水問題，但蒸汽在烘缸通道中的流動(dòng)會因冷凝而形成氣液兩相混合流動(dòng)的狀態(tài)，其傳熱特點(diǎn)相對復(fù)雜。

國內(nèi)外研究人員對以上提出的問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，Choi S U S等人[2]對夾套烘缸通道內(nèi)冷凝換熱系數(shù)、兩相流動(dòng)壓降同蒸汽質(zhì)量流速與干度的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出冷凝換熱系數(shù)與蒸汽質(zhì)量流速及干度無關(guān);兩相流動(dòng)壓降梯度隨蒸汽質(zhì)量流速及干度的增加而增大。Shin J H等人[3]對單個(gè)水平通道蒸汽冷凝的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了研究，除了得到與Choi S U S相似的結(jié)果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)水平通道截面寬高比為1∶3時(shí)，單個(gè)水平通道具有最高的冷凝換熱系數(shù)與最小的兩相流動(dòng)壓降。嚴(yán)彥等人[4-5]對多通道烘缸單個(gè)水平矩形管內(nèi)冷凝換熱特性及流型進(jìn)行了可視化研究。結(jié)果表明，當(dāng)蒸汽質(zhì)量流速較低時(shí)，冷凝換熱系數(shù)受蒸汽質(zhì)量流速和干度影響較小;隨著蒸汽質(zhì)量流速增加，冷凝換熱系數(shù)受到蒸汽質(zhì)量流速和干度的影響變大，且隨著蒸汽質(zhì)量流速和干度的增加而增加，而在數(shù)值模擬研究方面國內(nèi)外研究較少。師晉生等人[6-7]對矩形肋槽烘缸傳熱特性進(jìn)行了研究，分析了飽和水蒸氣在烘缸內(nèi)壁肋頂面與肋側(cè)面上的冷凝和對流傳熱，

推導(dǎo)出關(guān)于烘缸傳熱系數(shù)的具體計(jì)算公式。結(jié)果表明，寬的肋頂面和短的肋側(cè)面有利于增強(qiáng)肋槽烘缸的傳熱，增大肋寬有利于提高傳熱速率。陜西科技大學(xué)董繼先團(tuán)隊(duì)[8-11]對多通道烘缸結(jié)構(gòu)與傳熱機(jī)理進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬研究，利用FLUENT軟件對氣液兩相流型、烘缸傳熱性能等進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明，當(dāng)兩相流型為環(huán)狀流時(shí)，通道內(nèi)兩相流動(dòng)壓降最小。同時(shí)，在一定條件下，提高蒸汽入口壓力不僅可以提高多通道烘缸的干燥效率，還可以進(jìn)一步改善其表面溫度分布的不均勻性。

本實(shí)驗(yàn)通過改變?nèi)肟诶鋮s水質(zhì)量流量來模擬濕紙幅的不同含水率所對應(yīng)的冷負(fù)荷，借助已建立的實(shí)驗(yàn)裝置，分析入口蒸汽質(zhì)量流速與入口冷卻水質(zhì)量流量對冷凝換熱系數(shù)與兩相流動(dòng)壓降的影響。開展蒸汽在多通道烘缸中的冷凝換熱以及氣液兩相流動(dòng)特性研究，為造紙干燥部烘缸節(jié)能降耗提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1為多通道烘缸通道內(nèi)冷凝實(shí)驗(yàn)裝置流程圖。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由三部分組成，即實(shí)驗(yàn)段、水蒸氣回路、冷卻水回路，該實(shí)驗(yàn)裝置可用于觀測兩相流型變化、測量兩相流動(dòng)壓降和冷凝換熱系數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)段水蒸氣冷凝通道截面寬高比為1∶3，不僅用于驗(yàn)證前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)研究多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽冷凝流動(dòng)與傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)段測試部分由800 mm鋁制矩形板制造，兩側(cè)分別刻有矩形通道，即水蒸氣冷凝通道和冷卻水換熱通道，如圖2所示。由圖2可知，水蒸氣冷凝通道兩側(cè)借助鋁制矩形板以及耐高溫的聚碳酸酯有機(jī)玻璃板可實(shí)現(xiàn)可視化，再用不銹鋼板夾緊固定，除可視通道拍攝范圍外，所有外側(cè)表面均緊密貼有兩層厚度為30 mm的絕熱保溫棉，最大限度地減少從鋁制矩形板擴(kuò)散到環(huán)境中的熱損失。

在水蒸氣回路中，去離子水從蓄水箱流出經(jīng)過濾器，由變頻隔膜泵泵入鍋爐，蒸汽由去離子水經(jīng)電加熱蒸汽發(fā)生器鍋爐加熱產(chǎn)生，后經(jīng)保溫管道進(jìn)入實(shí)驗(yàn)

段。在實(shí)驗(yàn)段中冷凝傳熱過程、氣液兩相變化過程、流型變化過程經(jīng)由高速攝像機(jī)觀測;溫度、壓力由分布于進(jìn)出口的T型熱電偶、壓力傳感器監(jiān)測，如圖3所示。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段的氣液兩相流體，被逆流流過的冷卻水在換熱器（過冷器）中充分冷凝，冷凝成液態(tài)去離子水，再經(jīng)渦輪流量計(jì)測量后返回蓄水箱中，循環(huán)利用。其中，換熱器的主要作用將蒸汽充分冷凝，便于測量蒸汽質(zhì)量流速，同時(shí)減少對變頻隔膜泵的損傷。

冷卻水回路主要用于模仿濕紙幅在不同含水率所對應(yīng)冷負(fù)荷下的干燥過程。冷卻水由水箱經(jīng)水泵送入實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行換熱，吸收由蒸汽冷凝釋放的熱量，加熱冷卻水，后經(jīng)換熱器進(jìn)行降溫處理返回水箱儲存。冷卻水換熱通道均勻分布9組T型熱電偶對冷卻水溫度進(jìn)行測量。另外，將數(shù)據(jù)采集儀（LR8400型，日本HIOKI公司）設(shè)定為每20 ms對通道內(nèi)的溫度、壓力進(jìn)行記錄一次，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均在穩(wěn)態(tài)條件下測定。該實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖如圖4所示。

3 結(jié)果與分析

氣液兩相在烘缸通道中的流動(dòng)，會受重力、黏性力、表面張力和慣性力的共同影響，尤其是流體作用力會嚴(yán)重影響兩相流動(dòng)的流型轉(zhuǎn)換。蒸汽在水蒸氣冷凝通道內(nèi)冷凝過程中，沿程溫度隨蒸汽的冷凝凝結(jié)而逐漸降低。根據(jù)第3類邊界條件下蒸汽冷凝相變傳熱可知，影響冷凝換熱系數(shù)大小的原因可能是入口蒸汽質(zhì)量流速與冷卻水質(zhì)量流量。同時(shí)，蒸汽冷凝伴隨兩相流體相態(tài)變化，即兩相流型改變，這主要原因是存在相間剪切力、速度差以及液膜等因素，因此兩相流型對蒸汽流動(dòng)特性和換熱特性存在重要影響。

3.1 入口蒸汽質(zhì)量流速與冷卻水質(zhì)量流量對流型的影響

蒸汽在烘缸通道內(nèi)冷凝換熱，將熱量傳給烘缸壁，干燥濕紙幅，從而蒸汽冷凝為液態(tài)冷凝水。在整個(gè)汽化潛熱釋放過程中，氣液相態(tài)改變發(fā)生在兩相界面上，表現(xiàn)為流型的變化。采用高速攝像機(jī)拍攝觀測水蒸氣冷凝通道全程兩相流型變化，由于進(jìn)出口流型差異大，故取全區(qū)域內(nèi)占比大的主要流型進(jìn)行討論，并對比兩相流型理論來進(jìn)行分析，如圖5所示。當(dāng)冷卻水質(zhì)量流量一定時(shí)（Mc為140.4 kg/h），溫度98～143℃，壓力0.095～0.3 MPa，在5～45 kg/（m2·s）范圍內(nèi)調(diào)節(jié)入口蒸汽質(zhì)量流速，調(diào)節(jié)過程中觀測兩相流型變化，如圖6所示。由圖6可知，隨著入口蒸汽質(zhì)量流速的增大，流型變化經(jīng)歷了泡狀流、塞狀流、分層流、波狀流、環(huán)狀流;當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速較小時(shí)（G<18 kg/（m2·s）），流型變化明顯且主要以泡狀流、塞狀流為主;當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速逐漸增大時(shí)，冷凝液的產(chǎn)生與流動(dòng)受到蒸汽的影響，相間剪切力增大，液膜逐漸變薄，形成波狀流、環(huán)狀流，當(dāng)兩相流型為環(huán)狀流時(shí)，對應(yīng)著最大的蒸汽換熱系數(shù)。當(dāng)蒸汽質(zhì)量流速一定時(shí)（G為30 kg/（m2·s）），進(jìn)口溫度20℃，在56.16～532.8 kg/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冷卻水質(zhì)量流量，調(diào)節(jié)過程中觀測兩相流型變化，由圖7所示。由圖7可知，隨著冷卻水質(zhì)量流量的增大，兩相流型發(fā)生了與入口蒸汽質(zhì)量流速增大時(shí)相反的變化，即環(huán)狀流、波狀流、分層流、塞狀流、泡狀流。

3.2 入口蒸汽質(zhì)量流速對兩相流動(dòng)壓降與換熱系數(shù)的影響

圖8所示為入口處蒸汽質(zhì)量流速對兩相流動(dòng)壓降的影響。由圖8可知，通道內(nèi)兩相流動(dòng)壓降隨入口蒸汽質(zhì)量流速的增加而增大，當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速較低時(shí)（G<15 kg/（m2·s）），壓降相對平緩，此時(shí)通道中的蒸汽全部冷凝為液態(tài)水，且兩相流型以泡狀流為主，進(jìn)出口相對壓力較小。結(jié)合圖6可知，當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速為15 kg/（m2·s）時(shí)，主要流型從泡狀流變化為塞狀流，氣泡不斷地破滅、融合，增加了氣液兩相界面間的表面相對粗糙度，相應(yīng)也增大了蒸汽與冷凝液間的摩擦力，造成兩相流動(dòng)壓降變大。當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速較高時(shí)（G>30 kg/（m2·s）），兩相流動(dòng)壓降隨蒸汽質(zhì)量流速的增加而增加。由于較高蒸汽質(zhì)量流速，通道內(nèi)兩相流動(dòng)速度較快，導(dǎo)致通道內(nèi)流體與壁面間的沿程摩擦阻力增大，兩相流動(dòng)壓降升高。同時(shí)，蒸汽對液膜的剪切力增大，覆蓋在通道內(nèi)壁的冷凝液膜湍流程度增加，導(dǎo)致兩相流動(dòng)壓降增大。蒸汽冷凝過程的兩相流動(dòng)壓降越大，則表明蒸汽在通道傳熱過程中克服的摩擦阻力越大，能源消耗越多，所需烘缸干燥紙張的能量越多。因此，可通過選擇合理的蒸汽質(zhì)量流速（G為15 kg/（m2·s））來避免壓降過大。

圖9所示為入口蒸汽質(zhì)量流速對蒸汽冷凝換熱系數(shù)的影響。在相同的冷卻水質(zhì)量流量條件下（Mc為140.4 kg/h），通道內(nèi)蒸汽冷凝換熱系數(shù)隨著入口蒸汽質(zhì)量流速的增加而增大。由于隨著入口蒸汽質(zhì)量流速的增大，氣液兩相環(huán)狀流在通道內(nèi)占據(jù)區(qū)域的長度增大，但環(huán)狀流液膜較薄，其傳熱熱阻較泡狀流、波狀流、彈狀流傳熱熱阻小，從而提高了通道內(nèi)蒸汽冷凝換熱效率[4]。另外兩相流動(dòng)速度會隨著入口蒸汽質(zhì)量流速的增加而增大，在液膜中有很高的雷諾數(shù)，因而產(chǎn)生紊動(dòng)，面對冷凝液膜的剪切力作用增強(qiáng)，紊動(dòng)引起的傳熱增強(qiáng)超過液膜增厚引起的傳熱減弱，從而提高了通道蒸汽冷凝換熱效率。

3.3 冷卻水質(zhì)量流量對兩相流動(dòng)壓降與換熱系數(shù)的影響

圖10所示為不同入口冷卻水質(zhì)量流量對兩相流動(dòng)壓降的影響。由圖10可知，在相同的入口蒸汽質(zhì)量流速條件下（G為30 kg/（m2·s）），隨著冷卻水質(zhì)量流量的增加，矩形水蒸氣冷凝通道內(nèi)兩相流動(dòng)壓降有所減小，由于冷卻水質(zhì)量流量的增大，傳熱溫差增大，使通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱量加大，加快了蒸汽傳熱轉(zhuǎn)化為液相冷凝水，液相冷凝水含量增加，而冷凝水密度要遠(yuǎn)高于蒸汽密度，從而使通道內(nèi)流體平均速度減小，壁面摩擦阻力作用效果減弱，造成兩相流動(dòng)壓降減小。

圖11所示為冷卻水質(zhì)量流量對冷凝換熱系數(shù)的影響。從圖11可以看出，在相同的入口處蒸汽質(zhì)量流速條件下，隨著冷卻水質(zhì)量流量增大，通道內(nèi)蒸汽冷凝換熱系數(shù)無明顯變化。而在相同的入口蒸汽質(zhì)量流速下（G為30 kg/（m2·s）），冷卻水質(zhì)量流量越高，其冷卻水平均溫度越低，則壁面與冷卻水傳熱溫差越大，越有利于強(qiáng)化傳熱，導(dǎo)致通道內(nèi)冷凝相變總傳熱量增大。本實(shí)驗(yàn)冷凝換熱系數(shù)雖有增長，但變化微弱，其主要是因?yàn)樵诶鋮s水與蒸汽換熱只存在單一面的熱傳遞，冷卻水質(zhì)量流量的改變，對環(huán)狀流液相厚度的形成沒有太大影響，且熱阻變化不大。由此可見，多通道烘缸在干燥過程中，濕紙幅含水率的變化對烘缸干燥效率沒有明顯的改變。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽冷凝流動(dòng)對傳熱特性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，就入口蒸汽質(zhì)量流速與冷卻水質(zhì)量流量對冷凝換熱系數(shù)和兩相流動(dòng)壓降的影響進(jìn)行討論，得到以下結(jié)論。

4.1 多通道烘缸通道內(nèi)，在換熱過程中，當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速增大或冷卻水質(zhì)量流量增大時(shí)，流型變化過程出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。兩相流流型主要以泡狀流、塞狀流、分層流、波狀流、環(huán)狀流為主。當(dāng)流型為環(huán)狀流時(shí)，對應(yīng)著最大的換熱系數(shù)。

4.2 多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽兩相流動(dòng)壓降隨入口蒸汽質(zhì)量流速的增加而增大，隨冷卻水質(zhì)量流量的增加而減小，其主要表現(xiàn)在一定條件下所對應(yīng)的流型的變化，即環(huán)狀流所對應(yīng)的壓降大于泡狀流所對應(yīng)的壓降。

4.3 當(dāng)冷卻水質(zhì)量流量一定時(shí)，冷凝換熱系數(shù)隨著入口蒸汽質(zhì)量流速的增加而增大，但當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速增大到流型呈現(xiàn)環(huán)狀流時(shí)，增長趨勢變緩;當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速一定時(shí)，冷凝傳熱系數(shù)不受冷卻水質(zhì)量流量的影響，幾乎無變化。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：吳博士）