多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽冷凝流動對傳熱特性的影響

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會因冷凝而形成氣液兩相混合流動的狀態(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]對單個水平通道蒸汽冷凝的流動和傳熱特性進(jìn)行了研究，除了得到與Choi S U S相似的結(jié)果，同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)水平通道截面寬高比為1∶3時，單個水平通道具有最高的冷凝換熱系數(shù)與最小的兩相流動壓降。嚴(yán)彥等人[4-5]對多通道烘缸單個水平矩形管內(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，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，通道內(nèi)兩相流動壓降最小。同時，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，同時研究多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽冷凝流動與傳熱的影響。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，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，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（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（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，冷凝液的產(chǎn)生與流動受到蒸汽的影響，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，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（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)量流速對兩相流動壓降的影響。由圖8可知，通道內(nèi)兩相流動壓降隨入口蒸汽質(zhì)量流速的增加而增大，當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速較低時（G<15 kg/（m2·s）），壓降相對平緩，此時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，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，造成兩相流動壓降變大。當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速較高時（G>30 kg/（m2·s）），兩相流動壓降隨蒸汽質(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，兩相流動壓降升高。同時，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)致兩相流動壓降增大。蒸汽冷凝過程的兩相流動壓降越大，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，面對冷凝液膜的剪切力作用增強(qiáng)，紊動引起的傳熱增強(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，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，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，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，增長趨勢變緩;當(dāng)入口蒸汽質(zhì)量流速一定時，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)

[1] DONG Jixian， DANGRui. A Cylindrical Sandwich Multi-channel Dryer， China： 2008200295648[P]. 2009-05-13.

董繼先， 黨 睿. 一種圓柱形夾層多通道烘缸， 中國： 2008200295648[P]. 2009-05-13.

[2] Choi S U S， Yu W， Wambsganss M W， etal. Design and Demonstration of Multiport Cylinder Dryer： final report on the multiport dryer project in phase 1[M]. Chicago： Office of Scientifi & Technical Information Technical Reports， 2001.

[3] Shin J H， Hwang K S， Jang S P， et al. Flow and Thermal Characteristics of Condensing Steam in a Single Horizontal Mini-Channel of a Multiport Cylinder Dryer[J]. Drying Technology， 2010， 29（1）： 47.

[4] YAN Yan， DONG Jixian， GAO Xiufeng. Condensation Heat Transfer Characteristics and Flow Regime of Flow in Horizontal Rectangle Channel of Multi-Channel Cylinder Dryer[J]. Journal of Xi′an Jiaotong University， 2017， 51（4）： y1.

嚴(yán) 彥， 董繼先， 高秀峰. 多通道烘缸水平矩形管內(nèi)冷凝換熱特性及流型[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報， 2017， 51（4）： y1.

[5] YAN Yan. Research on Heat Transfer Characteristics and Numerical Simulation of Multi-Channel Cylinder Dryer of Paper Machine[D]. Xi′an： Shaanxi University of Science and Technology， 2017.

嚴(yán) 彥. 紙機(jī)多通道烘缸傳熱特性及數(shù)值模擬研究[D]. 西安： 陜西科技大學(xué)， 2017.

[6] SHI Jinsheng， ZHANG Qiaozhen， BIAN Xuexun. A Heat Conduction Model of a Rectangular Ribbed Dryer[J]. China Pulp & Paper， 2017， 36（5）： 36.

師晉生， 張巧珍， 卞學(xué)詢. 矩形肋槽烘缸的導(dǎo)熱模型[J]. 中國造紙， 2017， 36（5）： 36.

[7] SHI Jinsheng， LV Hongyu， BIAN Xuexun. Heat Transfer Coefficients on the Inside Walls of a Rectangular Ribbed Cylindrical Dryer[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2016， 31（1）： 47.

師晉生， 呂洪玉， 卞學(xué)詢. 矩形肋槽烘缸內(nèi)壁面的傳熱系數(shù)[J]. 中國造紙學(xué)報， 2016， 31（1）： 47.

[8] DONG Jixian， DANG Rui. The Study and Design of the New Type Multiport-dryer[J]. China Pulp & Paper， 2009， 28（6）： 45.

董繼先， 黨 睿. 造紙機(jī)新型烘缸的研究與設(shè)計[J]. 中國造紙， 2009， 28（6）： 45.

[9] YAN Yan， DONG Jixian， TANG Wei， et al. Study on the Influence of Structural Parameters of Multi-channel Cylinder Dryer on Heat Transfer Performance[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2015， 30（3）： 41.

嚴(yán) 彥， 董繼先， 湯 偉， 等. 多通道烘缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對烘缸傳熱性能的影響[J]. 中國造紙學(xué)報， 2015， 30（3）： 41.

[10] DONG Jixian， ZHANG Zhen. Numerical Simulation Study on Fluid Flow Characteristics in Mini-Channel of Multiport Cylinder Dryer[J]. China Pulp & Paper Industry， 2011， 32（5）： 59.

董繼先， 張 震. 多通道烘缸通道內(nèi)流體流動特性數(shù)值模擬研究[J]. 中華紙業(yè)， 2011， 32（5）： 59.

[11] CHANG Zhiguo， DONG Jixian， ZHANG Zhen， et al. Research on Numerical Simulation of Multi-channel Dryer Surface Temperature[J]. Paper Science & Technology， 2012， 31（5）： 95.

常治國， 董繼先， 張 震， 等. 多通道烘缸表面溫度的數(shù)值模擬與研究[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù)， 2012， 31（5）： 95.

[12] FAN Xiaogiang. Fluid Flow and Heat Transfer of Steam and Steam-noncondensable Gas Mixtures Condensation in Microchannels[D]. DaLian： Dalian University of Technology， 2012.

范曉光. 微通道內(nèi)蒸汽及混合蒸汽冷凝流動與傳熱[D].? 大連： 大連理工大學(xué)， 2012.

[13] LIN Zonghu. Gas-liquid Two-phase Flow and Boiling Heat Transfer[M]. Xi′an： Journal of Xi′an Jiaotong University， 2003.

林宗虎. 氣液兩相流和沸騰傳熱[M]. 西安： 西安交通大學(xué)出版社， 2003. ?CPP

（責(zé)任編輯：吳博士）