管殼式換熱器氣液兩相流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

管殼式換熱器氣液兩相流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

0殼側(cè)流動(dòng)模型在能源行業(yè)、空調(diào)預(yù)制、核反應(yīng)工程、石油、天然氣等部門，管道殼式換熱器得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用的換熱器中,由于加工、裝配和管束布置的限制,不可避免地在管束與殼體內(nèi)壁之間、折流板管孔與換熱管之間、折流板外緣與殼體內(nèi)壁之間形成一定的間隙。在這些間隙中流動(dòng)的流體對橫掠管束的主流產(chǎn)生分流作用,它們一方面使殼側(cè)的總驅(qū)動(dòng)壓降減小,另一方面也使殼側(cè)實(shí)際參與換熱的流體量減少,削弱了實(shí)際換熱器的換熱能力。為了分析和研究實(shí)際換熱器殼側(cè)的流動(dòng)特性,以正確預(yù)測換熱器的壓降和實(shí)際換熱能力,Tinker在1949年提出了殼側(cè)流動(dòng)模型,他根據(jù)各流路流體流動(dòng)特性,將殼側(cè)流體分為錯(cuò)流、旁路流及泄漏流等幾個(gè)流路,每個(gè)流路各自有其特點(diǎn)。后經(jīng)Palen和Taborek對Tinker模型的改進(jìn),引入了F流路,形成目前廣為接受的殼側(cè)流動(dòng)模型,見圖1。以下簡單介紹各流路的定義:B流路——又稱為主流路或錯(cuò)流流路,是橫掠管束的有效流路。A流路——折流板管孔與換熱管外壁之間的間隙所形成的泄漏流。C流路——管束外側(cè)與殼體內(nèi)壁之間的間隙所形成的管束旁路流。E流路——折流板外緣與殼體內(nèi)壁之間的間隙所形成的泄漏流。F流路——?dú)こ谭指舭逄幍闹虚g穿流流路,其性質(zhì)類似于C流路,只在某些管子排列形式中存在。顯然,把握各個(gè)流路的流動(dòng)特性是研究實(shí)際換熱器殼側(cè)壓降和實(shí)際換熱能力的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的研究,主要集中在各個(gè)流路的單相流動(dòng)特性上。但是,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,工業(yè)中50%以上的管殼式換熱器涉及殼側(cè)兩相流動(dòng)和換熱。對于殼側(cè)兩相流動(dòng)特性的研究,目前則主要局限于無旁路和泄漏的理想換熱器,對于各個(gè)流路的兩相流動(dòng)特性及其對實(shí)際換熱器殼側(cè)的流型、壓降、含氣率的研究,迄今為止,未見有公開的文獻(xiàn)報(bào)道。本文在常溫、常壓下,以純B流路為基礎(chǔ),逐步加入C、A、E流路,應(yīng)用空氣-水兩相混合物研究了B流路的兩相流動(dòng)特性和旁路流C、泄漏流A和E對TEMA-E型換熱器的壓降及流量分配特性的影響,并提出了考慮旁路的錯(cuò)流區(qū)兩相壓降通用計(jì)算關(guān)聯(lián)式。1試驗(yàn)設(shè)備和測試系統(tǒng)試驗(yàn)測試系統(tǒng)見圖2。試件采用有機(jī)玻璃制成。換熱器水平放置,折流板垂直切割。試件的幾何尺寸詳見表1。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1殼側(cè)兩相流壓降B流路為換熱器殼側(cè)橫掠管束的主流路,目前對這一流路兩相流型和壓降的研究,大多在理想方腔殼體內(nèi)進(jìn)行,且有意將錯(cuò)流區(qū)區(qū)段的長度加長,以便于觀察純橫掠管束的兩相流流型。本文在實(shí)際換熱器模型中,采取增加旁路擋板、減小殼體與折流板、折流板與換熱管的間隙,并輔以密封裝置,使C、A、E流路的流通截面積為零,以研究兩相流體在實(shí)際換熱器中流過純B流路的流動(dòng)特性。兩相流動(dòng)總壓降Δp可以表示為Δp=ΔpF+Δpg+Δpa(1)式中:ΔpF為摩擦阻力壓降,Δpg為重力壓降,Δpa為加速壓降。本文研究的管殼式換熱器為水平放置,折流板垂直切割形式;流體在殼側(cè)的流動(dòng)為水平方向,不存在重位壓降。一般情況下,加速壓降的值相對于摩擦壓降的值而言是比較小的;而且,在殼側(cè)兩相流壓降的分析中,只要不發(fā)生相變,大多不考慮加速壓降;同時(shí),試驗(yàn)進(jìn)行時(shí),流體進(jìn)出口的溫度變化很小(<5℃),可以不考慮流體沿流動(dòng)方向上的物性變化。因此,本文亦忽略加速壓降,只研究殼側(cè)兩相摩擦壓降。目前,對于橫掠管束的兩相摩擦壓降計(jì)算式,大多采用Ishihara推薦的公式形式,本文亦采用其形式,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到φ2LB=1+CXtt+1X2tt?(ReLB＞2000)(2)φ2GB=1+CXtt+X2tt,(ReLB≤2000)(3)式中:當(dāng)ReLB≤2000時(shí),Xtt≤0.2,C=5;Xtt>0.2,C=0.11ln(XttG)+3.2。當(dāng)ReLB>2000時(shí),C=1.63ln(XttG)-5.32。其中:ReLB表示兩相中液相單獨(dú)流過B流路時(shí)的雷諾數(shù);φ2LB、φ2GB為兩相摩擦,其計(jì)算式分別為:φ2LB=ΔpΤΡBΔpLB?φ2GB=ΔpΤΡBΔpGB,其中:ΔpTPB表示兩相流體流過殼側(cè)B流路時(shí)的壓降,ΔpLB、ΔpGB分別表示兩相中的液相、氣相單獨(dú)流過殼側(cè)B流路時(shí)的壓降,X2tt=(1-xx)2-m(ρGρL)(μLμG)m其中:m的值根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)取,m=0.2。圖3(a)、(b)分別示出了ReLB大于、小于等于2000時(shí),φ2LB與馬蒂內(nèi)利參數(shù)Xtt、φ2GB與Xtt的試驗(yàn)值。圖4示出了由以上公式得出的預(yù)測值與試驗(yàn)中實(shí)測值的對比情況。從圖中看出,90%以上的預(yù)測值與試驗(yàn)值的偏差在±25%以內(nèi),說明本文提出的計(jì)算式與試驗(yàn)值是基本吻合的。2.2旁路中的流量通過對本試件中的單相流動(dòng)的研究發(fā)現(xiàn):旁路C占錯(cuò)流區(qū)流道流通總截面積的38.5%,但在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi),旁路C的流動(dòng)阻力系數(shù)較B流路小16%～20%,這樣造成流體在錯(cuò)流區(qū)兩平行流路中的流量分配比例不同于兩流路相應(yīng)的面積比例。對現(xiàn)有的氣液單相試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,旁路中氣液所占流量的平均值為總流量的41.5%。據(jù)此估算,在現(xiàn)有的試驗(yàn)范圍內(nèi),旁路C處的流體流速大約為主流路B的1.11倍,說明旁路流體流速較快。2.2.1種通用的兩相壓降計(jì)算式為研究旁路對殼側(cè)錯(cuò)流區(qū)兩相壓降的影響,定義有旁路時(shí)的兩相乘子為φ2iBF2(i=G或L)(4)式中:φ2iB表示兩相流體全部流過B流路的兩相乘子;F2表示由于旁路C的存在,改變了錯(cuò)流區(qū)的兩相流動(dòng)阻力特性,而使錯(cuò)流區(qū)壓降減小的無量綱參數(shù)。設(shè)φ2iBF2=ΔpΤΡBCΔpiB(5)式中:當(dāng)ReLB>2000時(shí),i=L;當(dāng)ReLB≤2000時(shí),i=G。于是,錯(cuò)流區(qū)兩相壓降表示為式中:ΔpiB表示全部氣體或液體單獨(dú)流過B流路時(shí)的壓降。根據(jù)方程(6),對現(xiàn)有的B+C試件的試驗(yàn)結(jié)果分析,可以方便地計(jì)算得出F2的大小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理,在ReLB>2000或ReLB≤2000條件下,F2的值在0.27～0.5的范圍內(nèi)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的換熱器中,旁路一般總是存在的。當(dāng)旁路的寬度不同時(shí),即使管排方式不變,仍然會使錯(cuò)流區(qū)的兩相流動(dòng)阻力特性和B、C流路的氣液分布發(fā)生變化。因此,固定結(jié)構(gòu)參數(shù)下得到的公式并不具備普適意義。對此,本文作者提出這樣一種思路,即:對于純橫掠管束的兩相流動(dòng)(B流路),在經(jīng)過大量的理想管束試驗(yàn)后,有可能得到比較通用的兩相壓降關(guān)聯(lián)式。旁路C只是繞管束的流動(dòng),其流動(dòng)阻力特性與管排方式基本無關(guān),而與旁路流通截面積直接相關(guān)。因此,在錯(cuò)流區(qū)有旁路時(shí),描述這一流動(dòng)的兩相壓降計(jì)算式應(yīng)當(dāng)以B流路的壓降計(jì)算公式為基礎(chǔ),結(jié)合C流路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對B流路的兩相壓降公式進(jìn)行合理的修正,得到一種通用的兩相壓降計(jì)算關(guān)聯(lián)式?；谶@一思路,引入無量綱修正因數(shù)bcs,定義為bcs=SBSB+SC(7)式中:SB、SC分別為B流路和C流路的流通截面積m2;設(shè)F2=(bcs)ncs(8)式中:根據(jù)F2的值,可以得到ncs的值。由試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)得:當(dāng)ReLB>2000時(shí),ncs的平均值為2.2;當(dāng)ReLB≤2000時(shí),ncs的平均值為2.0。這樣,錯(cuò)流區(qū)的通用兩相壓降計(jì)算式為ΔpΤΡBC=ΔpLB(1+CXtt+1X2tt)(bcs)2.2?(ReLB>2000)(9)ΔpΤΡBC=ΔpLB(1+CXtt+X2tt)(bcs)2.0?(ReLB≤2000)(10)從式中可以看到,當(dāng)無旁路時(shí),即SC=0,則bcs=1,F2=1,上述公式完全恢復(fù)為純B流路的計(jì)算式,說明無量綱修正因數(shù)bcs的物理意義是明確的。圖5給出了應(yīng)用式(9)、(10)得到的錯(cuò)流區(qū)壓降值與實(shí)測壓降值的比較。可以看到,90%的預(yù)測值與實(shí)測值的偏差在±25%以內(nèi),說明就目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言,上述處理方法是合理的。2.2.2基于迭代收斂條件的b流路兩相壓降為分析計(jì)算錯(cuò)流區(qū)內(nèi)氣、液流量各自在B、C流路中的分布,作者建立了以下計(jì)算模型(見圖6):將殼側(cè)錯(cuò)流區(qū)的兩相流動(dòng)簡化為分相流動(dòng)模型,其中:SLC+SGC=SC,SLC、SGC分別為旁路中液相和氣相對應(yīng)流通截面積(m2)。將旁路中氣液之間的剪切力通過可變的SLC、SGC來體現(xiàn)。于是對殼側(cè)中部SB可直接應(yīng)用純B流路的兩相公式,并可簡寫為ΔpTPB=f1(WLB,WGB)(11)對旁路的純液部分SLC和純氣部分SGC可分別建立如下方程ΔpLC=4ΝCfLCW2LC2ρLS2LC(12)ΔpGC=4ΝCfGCW2GC2ρGS2GC(13)式中:fLC、fGC由單相旁路阻力系數(shù)公式求出。根據(jù)質(zhì)量守恒,有WL=WLB+WLC(14)WG=WGB+WGC(15)由于B、C流路為同方向平行流動(dòng),可假設(shè)ΔpTPB=ΔpLC=ΔpGC=ΔpTPBC(錯(cuò)流區(qū)壓降)。于是,對式(11)～(15),已知總來流流量及已測出的錯(cuò)流區(qū)壓降,待求量為B、C流路的氣液流量及SLC,方程封閉,并可通過非線性方程組的迭代求解方法(即Newton法)解出?？紤]到B流路兩相壓降求解公式本身的偏差大致在25%以內(nèi),單相摩擦因子公式與試驗(yàn)值的偏差<5%;因此,在采用非線性方程組迭代法求解時(shí),將迭代收斂條件設(shè)置為:|[ΔpΤΡB-f(WLB,WGB)]/ΔpΤΡB|≤0.25,|(ΔpLC-4ΝCfLCW2LC2ρLS2LC)/ΔpLC|≤0.05,|[ΔpGC-4ΝCfLCW2GC2ρG(Si-SLC)2]/ΔpGC|≤0.05由上述模型得出的計(jì)算結(jié)果見表2。相對于單相流動(dòng)而言,兩相流動(dòng)由于流型的變化(氣液質(zhì)量流速的變化),使主流路B與旁路C各自氣液流量占總流量的比例波動(dòng)范圍較大。在大液量、小氣量下(如表中的泡狀流和間歇狀流),可以看到液相的波動(dòng)范圍較小,氣相的波動(dòng)范圍較大;而在大氣量、小液量下(如表中的分層流和環(huán)狀流),此時(shí)液相的波動(dòng)范圍要大于氣相的波動(dòng)范圍。這說明,殼側(cè)兩相流在B、C流路中的氣液分配比例與兩相流流型和氣液質(zhì)量流速有關(guān)。2.3泄漏流a對殼體側(cè)兩相壓降和各管內(nèi)道流量分配的影響2.3.1殼側(cè)各分流路流量分配比例對于泄漏流A的流動(dòng)阻力特性,已在文獻(xiàn)的研究中進(jìn)行了詳細(xì)的分析,本處不再重復(fù)。在對試驗(yàn)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),作以下假定:(1)錯(cuò)流區(qū)壓降為B、C流路的驅(qū)動(dòng)壓降,且ΔpB=ΔpC=ΔpBC;(2)泄漏流A的流動(dòng)阻力特性與環(huán)形狹縫通道的流動(dòng)阻力特性一致,驅(qū)動(dòng)壓降為錯(cuò)流區(qū)壓降與窗口區(qū)壓降之和,即:ΔpA=ΔpBC+ΔpW;(3)WBC=WB+WC=WW。據(jù)此,由主流路B和旁路C的流動(dòng)阻力公式,相應(yīng)可求出殼側(cè)各分流路的流量分配比例。根據(jù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理,得到B、C、A三個(gè)流路的流量分配比例為B流路:氣單相52.03%～54.25%,液單相51.65%～53.9%;C流路:氣單相33.93%～36.92%,液單相35.44%～37.89%;A流路:氣單相9.18%～12.92%,液單相8.33%～11.85%。相對于B+C試件而言,因泄漏流A的分流作用使主流路B的流量大致下降6.2%左右,旁路C的流量百分比平均下降了5.3%左右,主流路B的流量下降比例略高于旁路C的流量下降比例。主要原因在于,由于泄漏流A對主流路的分流作用,使錯(cuò)流區(qū)的流量減少;根據(jù)前面的分析,當(dāng)B、C流路的流動(dòng)雷諾數(shù)減小時(shí),主流路B的流動(dòng)阻力系數(shù)更大于旁路C的流動(dòng)阻力系數(shù),相應(yīng)使旁路C的流量分配比例有所增大。2.3.2u3000流式改革試驗(yàn)(1)泄漏流A的兩相壓降與單相分析相同,本處亦直接采用文獻(xiàn)的研究結(jié)論。即φ2L=1+C1Xtt+C2X2tt(16)式中各項(xiàng)含義詳見文獻(xiàn)。(2)泄漏流A對殼側(cè)各流路流量分配的影響本處引用環(huán)形狹縫通道的分相模型(見圖7)來分析殼側(cè)A流路的兩相流動(dòng)特性。在換熱器的折流板平面處,沿殼側(cè)軸向有兩個(gè)流路,即A流路和窗口區(qū)縱掠管束的流路(流量為B流路與C流路之和)。對沿A流路流動(dòng)的流體,其兩相阻力特性簡寫為ΔpTPA=f2(WLA,WGA)(13)對窗口區(qū)流動(dòng)的流體,其兩相摩擦阻力特性可簡寫為ΔpTPW=f2(WLW,WGW)(14)設(shè)ΔpTPA=ΔpTPBC+ΔpTPW(15)由質(zhì)量守恒,可得WL=WLA+WLW=WLA+WLB+WLC(16)WG=WGA+WGW=WGA+WGB+WGC(17)則根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,聯(lián)立方程(13)～(17)可求解出WLA、WGA和WLW、WGW。因WLW、WGW即為錯(cuò)流區(qū)的氣液流體流量,因此應(yīng)用錯(cuò)流區(qū)流量分離法可求出B、C流路各自的氣液流量。表3示出了由全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可注意到,兩相流動(dòng)時(shí)A流路的氣液流量在總流量中所占比例的波動(dòng)范圍大于單相情況,氣、液在A流路中所占比例也不完全一致,但波動(dòng)范圍相對于B、C流路而言要小一些。2.4泄漏流e對殼體側(cè)壓降低和每個(gè)流路徑流量分配的影響2.4.1泄漏流對b、c流路的影響對殼側(cè)單相流體的泄漏流E的流動(dòng)分析,目前有兩種方法,一種是將E流路單獨(dú)考慮,另一種是認(rèn)為泄漏流A和E可以合并處理。本文選用前一種方法。進(jìn)行分析時(shí),做以下假定:(1)錯(cuò)流區(qū)壓降為B、C流路的驅(qū)動(dòng)壓降,且ΔpB=ΔpC=ΔpBC;(2)泄漏流A和E的驅(qū)動(dòng)壓降均為錯(cuò)流區(qū)壓降與窗口區(qū)壓降之和,即:ΔpA=ΔpBC+ΔpW;(3)質(zhì)量守恒:WT=WW+WA+WE=WB+WC。依據(jù)已得出的錯(cuò)流區(qū)B、C流路及錯(cuò)漏流A的阻力系數(shù)計(jì)算公式,即可由B+C+A+E試件的單相試驗(yàn)結(jié)果分離出E流路的流動(dòng)阻力系數(shù)與Re的關(guān)系。對于泄漏流E,其流動(dòng)阻力特性采用如下形式表達(dá)fE=2ΔpEρS2EW2E(18)通常將摩擦因子fE表示為Blasius形式fE=bE/RenEE(19)式中:bE,nE為由試驗(yàn)確定的待定系數(shù)。ReE為E流路的雷諾數(shù),ReE=WEDeESEμ,其中:DeE為E流路的當(dāng)量直徑,m;SE為流通截面積,m2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,擬合得到以下關(guān)聯(lián)式fE=7.784/Re0.186(20)擬合偏差小于5.3%。泄漏流E使折流板兩側(cè)的流體在殼體與折流板外邊緣處相貫通而使流動(dòng)發(fā)生“短路”現(xiàn)象,必然造成殼側(cè)各流路流體流量的重新分配。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理,得到各流路在總流量中所占的流量比例為B流路:氣單相38.06%～40.25%,液單相38.65%～40.73%;C流路:氣單相25.81%～27.69%,液單相26.2%～27.89%;A流路:氣單相6.7%～9.15%,液單相6.12%～7.96%;E流路:氣單相25.19%～26.98%,液單相24.49%～27.44%。可以注意到的是,由于E流路的泄漏,使錯(cuò)流區(qū)內(nèi)B、C流路的流量分配比例變化加劇。B流路氣、液單相的流量占比例下降幅度平均為13.5%,而旁路C的氣、液單相的流量占比例下降幅度平均為9%。2.4.2泄漏流e對殼側(cè)各流路流量分配的影響(1)泄漏流E的兩相壓降目前在對殼側(cè)兩相流的分析中,由于求解方程組的非封閉性問題,一般將E流路與A流路合并處理,即:SE=S′A=NE,其中:S′A為單個(gè)換熱管與折流板管孔之間的實(shí)際流通截面積,將E流路視為由(非整數(shù))個(gè)組成,近似認(rèn)為E流路的兩相壓降特性與A流路相同。(2)泄漏流E對殼側(cè)各流路兩相流量分配影響的研究仍采用式(16)和(17),但此時(shí)WLA,WGA為A流路和E流路的氣液流量總和。采用類似前面的計(jì)算方法,可以得到A+E的流量分配特性。表3示出了試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出,在試驗(yàn)范圍內(nèi),A+E的流量比例波動(dòng)并不大。結(jié)合有A流路泄漏時(shí)的情況,