多通道烘缸汽液两相流型特性及转变

图1为多通道烘缸凝结换热可视化实验台。如图1所示，与纸机烘缸类似，整个实验系统主要依靠蒸汽的流动凝结来实现热量的传递。本实验使用去离子水作为液体工质产生蒸汽，冷却负载为冷却水。实验存在3种过程：凝结换热、汽液两相相变和流型转变过程。主要测试段是实验系统的核心，主体采用一块长900 mm的铝制矩形板加工而成，通道长度为800 mm。设计加工了U形截面形状的铝制金属通道板，结构如图2所示。为提高金属壁表面的耐磨性，统一对壁面做了阳极氧化处理。

图2  U形截面通道板

Fig. 2  U-section experimental channel plate

铝制通道板两侧各设有3条水平蒸汽凝结通道和冷却水热交换通道，中间通道相邻两通道主要防止热量散失；为防止串流，在通道间设置回字形密封条。蒸汽通道一侧固定有耐温聚碳酸酯（PC）板，用作可视化观察；另一侧覆不锈钢盖板，用于密封冷却水通道。为防止热量额外损失，除透明部分外，所有外表面均用隔热棉保温。热量损失少于蒸汽释放总热量的0.5％，所以可忽略不计。

可视化系统主要由德国PCO公司的dimax S4型高速摄像机及照明光源组成。摄像机像素为4502 fps @ 1008×1008，全分辨率为1279 fps @ 2016×2016，无须黑色基准标定，曝光时间范围1.5 μs~40 mms（每秒钟拍摄25帧~60万帧以上照片）。拍摄镜头为Nikon近摄镜头和Tokina微距镜头，采用2组LED冷光源补光。

水平通道汽液常见两相流型包括：环状流、环状弥散流、分层波状流、弹状流、塞状流、弥散泡状流、分层流及间断流动^[19]。本研究对采集到的流型图像进行分类，共得到环状流、环波状流、波状流、弹状流、塞状流、分层流和泡状流7种水平通道典型流型，见图3。

图3  水平通道7种流型及其汽液分离示意图

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

图5为蒸汽质量通量25 kg/(m²·s)、入口蒸汽饱和温度（T_s）分别为110℃、120℃、130℃时，沿通道长度方向的流型转变图像。从图5可观测到，随蒸汽饱和温度的不断升高，通道内的流型逐渐增多，环状流的区域明显减少。温度为110℃时流型种类共3种：环状流、环波状流及弹状流；120℃和130℃时流型种类共4种：环状流、环波状流、波状流及弹状流。

图5  水平U形截面通道不同蒸汽饱和温度下的流型转变

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

本研究从传热基本原理出发，讨论蒸汽饱和温度对流型的影响。冷却介质的温度波动不大，如果提高蒸汽饱和温度，蒸汽与冷壁面间的传热温差增大，蒸汽传递的热量增多，进而冷却剂吸收的热量必然增大，获得的凝结水量增多，凝结水的“波浪”振幅易于增大，有利于弹状流、塞状流的形成。

图6为蒸汽质量通量25 kg/(m²·s)时，蒸汽饱和温度分别为110℃、120℃、130℃时的流型转变。由图6可见，环状流所占的区域会随温度的升高而明显减少，环波状流减少的幅度不如环状流时明显；弹状流出现的区域较短，且不够稳定，能够观察到受汽弹破溃与液相湍流冲击而产生的脉动。

图6  U形截面通道蒸汽饱和温度对流型转变的影响

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

蒸汽饱和温度为110℃时，波浪振幅较高的波状流并未出现，仅出现平缓的环波状流，这显然是凝结水量不够多的原因。随着温度的提升，换热温差加大，换热量的增加有助于凝结水量的增加。若蒸汽的凝结速率加快，则汽相含汽率会逐渐减少，两相界面受到干扰，液相波浪振幅的增大就会变得更加明显。

以上结果说明，水平U形截面通道中，发生稳定凝结换热过程的主要区域仍然是环状流，且温度越低，环状流占据的区域越大，这与水平矩形通道得出的结论一致^[18]。

图7为蒸汽饱和温度110℃时，不同入口蒸汽质量通量（G）下，冷却水质量流量对环状流型转变的影响。由图7可知，冷却水质量流量较小时，不同入口蒸汽质量通量对应环状流占据的区域差别较小；随着冷却水质量流量的增加，环状流占据区域的差别逐渐加大。

图7  U形截面通道流动状态参数对环状流型转变的影响

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

首先，冷却水质量流量相同时，换热量有限，入口蒸汽质量通量较小时蒸汽对凝结水的剪切力较小，无法对液相提供足够的拖拽力；随着蒸汽质量通量的加大，剪切力明显增大，环状流占据的区域随之增加。其次，当冷却水质量流量较小时，所提供的冷却负载不大，此时通道内的蒸汽量也不会明显减少，凝结水量也不会明显增加，所以蒸汽对于凝结液的剪切力不会有明显变化，造成环状流占据的区域并没有明显的变化。

蒸汽质量通量不变，随着冷却水质量流量的提升，环状流范围并非持续增大。冷却水流速加快，引起壁面和冷却水间的剪切作用增强，因而由湍流引起的热传递得到增强；所以在冷却水质量流量从较小值增大到198 kg/h时，传热增强且环状流范围增大。值得注意的是冷却水质量流量达到223 kg/h时，环状流占据的区域虽然呈现更大的差距，但环状流占据的区域范围却并非最大，原因可能是冷却水负荷过大，致使相应的蒸汽质量通量已无法满足传热要求。

图8为冷却水质量流量200 kg/h、蒸汽饱和温度为110℃、120℃、130℃，不同蒸汽质量通量（G）时，换热热流密度对环状流型转变的影响。从图8可看出，在相同蒸汽饱和温度下，蒸汽质量通量越大，换热热流密度越大，环状流转变位置越向后移。这说明，蒸汽质量通量变大，则给予系统的总热量增加，在换热面积不变的情况下，换热热流密度增加，必然引起传热壁面温度的升高，从而导致与壁面接触的凝结水温的升高，凝结水温升高会造成黏度的减小，进而促进凝结水的流动，以形成更大范围的液膜，最终获得更大的环状流范围。

图8  U形截面通道换热热流密度对环状流型转变的影响

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

另外，在相同蒸汽质量通量下，蒸汽饱和温度小于130℃时，蒸汽饱和温度越低，换热热流密度越小，环状流占据的范围更大。图8中蒸汽质量通量最大（50 kg/(m²·s)）、饱和温度为110℃的状态下，换热热流密度虽然很小，但此时环状流覆盖了整个通道。温度是计算换热热流密度的主要参数，若蒸汽饱和温度小，则得到的热流密度小。蒸汽饱和温度为110℃的状态下，3种蒸汽质量通量对应的热流密度（2087~2151 kW/m²）仅增长6.1%，而蒸汽质量通量值（25~50 kg/(m²·s)）则增长了100%。显然，蒸汽质量通量的增长更明显，从而引起较大的剪切速度，并导致较大的界面剪应力；剪切力使汽液界面上产生液滴，这些液滴在汽相中合并，最终重新在液膜上沉积。当汽相流速足够大时，液滴碰撞通道上壁，形成极薄的液膜。所以温度较低时，热流密度的影响并不明显，此时，增加蒸汽质量通量更加有助于形成环状流。

蒸汽饱和温度上升到130℃时，随着蒸汽质量通量的增加，换热热流密度出现明显跃升（2901 kW/m²），较高的换热热流密度对应较大的环状流范围，但环状流范围却小于相同蒸汽质量通量下、较低温度对应的范围。出现这种情况是因为流型的转变与汽液两相的相对速度有关。因为黏度对两相的流动速度影响极大，所以有必要从两相流体物性的角度来分析流型转变。换热热流密度的急剧增加代表单位面积的热流通量急剧增加，对于汽相而言，热流通量增加了，分子间能够碰撞交换的能量也随之增加，导致分子间碰撞加剧、黏度增大，因而汽相在通道内的速度会减慢；较小的汽速无法获得通道上部稳定的薄液膜，难以形成环状流。对于液相而言，在蒸汽饱和温度从110℃提高到130℃、换热热流密度增加的同时，相应的壁面温度却降低明显，凝结水温直接受到壁温影响而降低，所以其黏度变大，流动速度减小，最终减小了环状流的范围。

综上，不同蒸汽饱和温度下，换热热流密度的变化会影响到环状流范围，但当蒸汽饱和温度为110℃、120℃时，影响流型转变的主要因素为蒸汽质量通量；而蒸汽饱和温度达到130℃时，影响流型转变的主要因素为两相流体的黏度。