水平管道內環狀兩相流流速對換熱特性影響的實驗設計

錢冬 田朋丹 欒茜

摘 要：隨著能源的不斷消耗，如何降低運輸過程中的能量損耗進而提高換熱效率是近年來人們所關注與研究的重點。本項目根據管道能量消耗問題，主要依據環狀流型中氣相液相流速的不同對管內換熱性能影響的原理，基于控制變量法作出水平管道內環狀兩相流流速對換熱特性影響的實驗設計，以便能尋找出利用較低的成本提高管道運輸中換熱效率的方法，進而減少過程中能量的損失。該項目一旦研制成功，可將模型泛化，以便能應用于更廣泛的空間。

關鍵詞：環狀兩相流;換熱特性;控制變量法

1引言

能源消耗逐年增加，急需尋找降低能源消耗的方法。大到近年來發展起的“西氣東輸”，“南水北調”旨在改變我國能源分步不均勻的狀況等工程;小到生活中熱量與天然氣的運輸等問題，其中都需要涉及到管道運輸，降低運輸過程中的能量損耗進而提高換熱效率是一直都需要研究的重點。在流量領域研究換熱特性時，單一液體流動沸騰換熱或單相強制對流是目前管內流動換熱常用的方法[1-2]。但在細短的管路或壁溫較低的通道中，對于空氣或水來說，其單相對流換熱系數都比較低，由此氣液兩相流的問題引起了人們廣泛注意。而水和空氣的兩相流動對換熱特性有很好的適用性，讓水在高速氣流的拖動下進入通道內形成薄液膜可以達到很高的換熱系數[3]。在現實生活中常見的換熱效率問題有暖氣加熱等應用，大多數都屬于環狀流模型，所以本實驗的兩相流模型選用環狀流。本文基于水平管道內環狀兩相流流速對換熱特性的影響，作出了相應的實驗設計。

2 實驗方案設計

在實驗開始前，擬利用仿真技術仿真模擬出來的數據進行分析，篩選出具有代表性的數據，主要是入口氣相和液相流速，以此進行實驗來提高實驗的效率。

本實驗設計液相介質采用R-134a，傳統的研究流動特性和傳熱特性往往是以水為介質[4]，而本實驗是以R-134a 為介質研究了水平管道中環狀流型部分兩相流速對傳熱特性的影響，對工程實際具有一定的指導意義。

在實驗進行過程中，采用控制變量法。通過控制水平管道的軸向長度和橫截面積相同，研究氣相和液相流速的不同對管內換熱性能的影響。先控制進口溫度一定，給定一個氣相流速并保持不變，通過改變入口液相流速研究其對換熱性能的影響。擬對管道沿程上截取的五個數據點（包括出口點）進行溫度的測量，將貼片式溫度傳感器通過高溫密封膠粘劑貼在水平管道所截取的測量點周圍，然后連接上電流型變送器，采用LabVIEW做出溫度采集界面，如圖1所示，最終將在電腦端采集到溫度數據。在數據處理過程中，根據實驗測得的數據計算出液膜的厚度以及傳熱效率。實驗中要多次改變入口液相流速進而得到多組數據來進行分析，從而得到入口液相流速對傳熱效率的影響;在研究氣相流速對管內換熱效率影響時，給定一個液相流速并保持不變，通過改變氣相流速，重復上述過程來分析氣相流速對傳熱效率的影響。最后需要分析實驗數據，建立出流速與換熱效率的精確關系，以此來設計出提高傳熱效率的合適方案。

圖1 LabVIEW溫度采集界面

3 實驗器材選擇

3.1 溫度傳感器選擇

管道低溫流體溫度的測量經常采用貼片式熱電阻溫度傳感器貼在管道壁面的接觸測溫方法，溫度的測量是基于溫度傳感器與被測介質之間達到熱平衡的原理。采用貼片式溫度傳感器，其被測管道接觸面積大且接觸緊密，測溫準確性高，反應靈敏，體積小便于安裝，可以很好解決傳統溫度計不便于在水平管道使用的問題。常用貼片式溫度傳感器如圖1所示。

圖1 貼片式溫度傳感器

3.2 變送器的選擇

管道外壁溫度用貼片式溫度傳感器測量之后，需要將溫度數據顯示在電腦上以便數據處理和分析，本實驗設計選用電流輸出型變送器，如圖2所示。此種變送器具有恒流源的性質，恒流源的內阻較大，模擬量電流信號適用于遠程傳輸，在實驗室中，電腦可能距離正在做實驗的裝置較遠，因此選用此種類型變送器數據會比較穩定。通過此變送器，溫度將轉化成電流信號（4-20mA）輸出，電腦上作出上位機界面，通過此界面便可得到溫度信息。

圖2 電流型變送器

4 總結

4.1 實驗注意問題

（1）在項目進行過程通入水平管道的氣相和液相流流速的數值準確;

（2）通過改進的貼片式溫度計測量所需要點的溫度值精確;

（3）控制變量中嚴格控制除變量之外數據的穩定性;

（4）數據處理時注意粗大誤差的剔除;

4.2 實驗研究方法

（1）CFD仿真：實驗前先用仿真軟件對實驗流程做出模擬，在大量數據中選取有代表性的液相氣相流速，以此來指導實驗高效率進行。

（2）控制變量法：此方法能排除干擾，直接顯露單一因素（氣相或液相流速）對換熱特性的影響情況。

4.3 實驗擬達目標

可根據實驗結果得出換熱效率與氣液兩相流速度（流量）之間的具體關系，從而通過確定合適的氣液兩相流速的大小來有效提高流體與管壁的換熱效率，有效地提高能源利用率。

4.4 實驗必要性

實驗達到目標后，將會減少北方集中供熱途中熱量的損失的問題，讓人們在寒冷的冬天也能生活在更加舒適的環境;也能減少天然氣運輸過程中的損失進而減少能源的消耗，可以提高人民的生活質量，對于人們日常生活有著十分重要的意義;也解決了國家的一些運輸工程中管道運輸的能量損失，更將有利于社會的發展;對減少能量的消耗與分配不均問題的研究提出可行的方法與策略。

當今社會能源消耗快但能源有限，我們需要用較少的能源達到我們想要的效果，不斷地提高能源利用率。管道輸送，供暖，冷凝都涉及到了氣液兩相流的換熱問題，換熱效率高將有利于節約能源，提高能源利用率。所以研究換熱效率的影響因素以及如何提高換熱效率是很有必要的。

參考文獻：

[1]Fouror，M..Bories.S..Experimental study of air—water flow through a fracture， Int.工Multiphase Flow.1995.21（4），621—637 .

[2]王永;梁文清;錢華;陳虹.低溫流體輸送過程中采用貼壁式溫度傳感器測溫時的傳熱分析[J].低溫工程，2016，No.213，42-48.

[3]劉振華.細小傳熟管內過冷水和空氣高速兩相流的換熱特性研究.中國電機工程學報，1999，19（6）.80—84.

基金項目：河北大學實驗室開放項目基金資助，項目編號為sy201858