氣液并流通過(guò)波紋篩板填料的流體力學(xué)性能

黃衛(wèi)星，王松年，潘大偉，丁安焱，郝仁杰，譙 敏，范沐易

(1.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 中核核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)/熱工水力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213)

堆疊篩板填料由固定間距的一組篩板堆疊而成，相鄰篩板的篩孔錯(cuò)位布置，并通過(guò)篩孔處氣流的收縮與擴(kuò)張，強(qiáng)化氣液相互作用，獲得較高的傳質(zhì)傳熱效率[1]。作為一種新型規(guī)整填料，堆疊篩板填料具有制造安裝簡(jiǎn)便、流動(dòng)阻力小、無(wú)液泛等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，已成功應(yīng)用于核電站系統(tǒng)放射性廢液廢氣處理等工程實(shí)際[1-3]。研究表明，對(duì)應(yīng)不同的操作條件，篩板填料塔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)滴流、連續(xù)流、脈沖流、半分散流及分散流等幾種流動(dòng)形態(tài)[1,5]。其中，脈沖流為分散的液體間歇性地通過(guò)各層篩板的流動(dòng)形態(tài)[6-8]，傳質(zhì)傳熱效率高于滴流和連續(xù)流[9]，其操作氣速及產(chǎn)生的能耗又低于分散流。因此，通過(guò)脈沖流以強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱受到廣泛的關(guān)注[10-13]。

鑒于脈沖流對(duì)傳質(zhì)和傳熱的重要性，相關(guān)研究者對(duì)在更小的氣液量下產(chǎn)生的脈沖流進(jìn)行了研究[14-18]。Virla等[19]研究發(fā)現(xiàn)，相較于其他散堆填料，波紋篩網(wǎng)填料更容易在低氣液量下產(chǎn)生脈沖流，主要原因是篩網(wǎng)強(qiáng)化了氣液兩相的相互干擾[5-6,19]。Shi等[1]對(duì)普通篩板填料（平篩板堆疊構(gòu)成的填料）中的氣液兩相流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在特定氣液操作區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)脈沖流，但由于平篩板中氣液兩相的相互作用有限，脈沖流操作區(qū)域較窄；而對(duì)于孔徑較大的篩板沒(méi)有觀察到脈沖流。受以上研究的啟發(fā)，從增強(qiáng)氣、液流動(dòng)相互干擾角度出發(fā)，并考慮波紋板剛性較好的優(yōu)點(diǎn)[20-22]，本文提出采用波紋篩板堆疊構(gòu)成填料，以擴(kuò)展脈沖流的操作區(qū)域。

因此，本文采用工程實(shí)際中普通篩板的孔徑和開孔率參數(shù)，設(shè)計(jì)3種規(guī)格的波紋篩板填料，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)氣液兩相通過(guò)波紋板填料的壓降和脈沖流特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

波紋篩板填料塔總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，波紋篩板具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，波紋篩板由304不銹鋼加工而成，虛線圓表示下層塔板篩孔，篩孔位于波紋篩板的波谷處，波紋角θ=135°，相鄰兩塊篩板交錯(cuò)180°堆疊，且上層篩板的波谷與下層篩板的波峰相對(duì)，由此形成填料安裝在有機(jī)玻璃塔體內(nèi)。相比于普通篩板，波紋篩板更容易在孔口處積聚液體，有利于增強(qiáng)氣液間的相互擾動(dòng)；同時(shí)，在水平方向亦存在流體的收縮和擴(kuò)張，有利于脈沖流的形成。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種不同規(guī)格的波紋篩板填料A、B、C，具體幾何參數(shù)見(jiàn)表1。為了與Shi等[1]的普通篩板填料作對(duì)比，表1列出了普通填料a、b、c的相關(guān)參數(shù)。

表1 填料的幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of packing

圖1 波紋篩板填料塔Fig.1 Corrugated plate packing tower

圖2 波紋篩板結(jié)構(gòu)與篩孔布置Fig.2 Dimensions and apertures of corrugated plate

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖3所示，該實(shí)驗(yàn)裝置由氣相管路、液相管路、塔設(shè)備及壓力測(cè)量裝置組成。氣相管路由風(fēng)機(jī)、消音器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥及溫度計(jì)組成；液相管路由低位儲(chǔ)水槽、泵、高位水槽、調(diào)節(jié)閥及轉(zhuǎn)子流量計(jì)組成。填料塔外殼為透明有機(jī)玻璃殼，氣液兩相在塔內(nèi)并行向下通過(guò)各層篩板，實(shí)驗(yàn)中可直接觀察到填料塔內(nèi)部的流動(dòng)情況。沿填料塔一側(cè)開有測(cè)壓孔，測(cè)壓孔分別連接U型管和壓力傳感器，其中，每7塊板開一個(gè)測(cè)壓孔，用U型管和壓力傳感器同時(shí)測(cè)量從上至下7塊板、14塊板和全部21塊板的瞬時(shí)總壓降。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental setup

實(shí)驗(yàn)中，氣體由氣相管路輸送至塔頂，經(jīng)空氣分布器噴入；液體由高位水槽輸送至填料塔，由液體分布器噴淋而下；氣液兩相流量均由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。每組實(shí)驗(yàn)前，使用U型管（測(cè)量精度為0.1 m m-水柱）對(duì)壓差傳感器（OMEGA公司PX-142型壓差傳感器，測(cè)量精度為1 Pa，采集頻率為200 Hz）進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)；實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)記錄壓差傳感器與U型管數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；實(shí)驗(yàn)以水和空氣作為介質(zhì)，其中，空氣的流量范圍為20～180 m3·h-1，水的流量范圍為0.4～1.6 m3·h-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 兩相流壓降

2.1.1 基本特性

波紋篩板填料C的壓降變化 ΔP如圖4所示，圖4中，Qc為液體流量。由圖4（a）可見(jiàn)，隨氣、液兩相流量和板數(shù)的增加，兩相壓降增加；由圖4（b）可見(jiàn)，盡管不同板數(shù)的總壓降不同，但單板平均壓降基本相同，即填料壓降隨板數(shù)的增加呈線性增加關(guān)系。

圖4 波紋篩板填料C的壓降變化Fig.4 Variations of pressure drop in corrugated plate packing C

填料A、B、C有同樣的規(guī)律，壓降變化規(guī)律與文獻(xiàn)[1]中普通篩板填料的規(guī)律基本一致。但由于波紋篩板填料流道的不規(guī)則性更強(qiáng)，流體局部擾動(dòng)和局部阻力增大，因此在相同氣液流量和板參數(shù)（孔徑相同、開孔率相近）的條件下，波紋篩板填料壓降更大，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)波紋篩板填料壓降比普通篩板填料壓降平均增加約20%。

圖5 填料C與填料c的壓降對(duì)比Fig.5 Comparison of pressure drops of packing C with packing c

圖6為填料C在不同液量下，單板壓降隨氣量的變化。由圖6可見(jiàn)，以干板壓降（QL=0）為基礎(chǔ)，液量增加，單板平均壓降也增加。其中：高氣量范圍內(nèi)，濕板壓降（QL＞0）的增加與干板壓降的增加基本同步；低氣量范圍內(nèi)，濕板壓降的增加與干板壓降的增加不同步。原因是低氣量條件下，重力和表面張力對(duì)液相流動(dòng)的影響較為顯著。

圖6 不同液量下填料C單板壓降隨氣量的變化Fig.6 Variations of single plate under different liquid flow rates with gas flow rate of packing C

圖7為給定液量下（QL=0.8m3·h-1），填料A、B、C單板平均壓降隨氣體流量的變化。

圖7 填料A、B、C的兩相流壓降隨氣量變化Fig.7 Variations of pressure loss with gas flow rates for packing A, B and C

由圖7可見(jiàn)：篩板孔徑和開孔率是影響壓降的兩個(gè)主要因素，孔徑或開孔率減小都將導(dǎo)致壓降增加，但二者影響的顯著性是相對(duì)的，且與兩相流量大小有關(guān)。填料的幾何參數(shù)對(duì)壓降有著較為復(fù)雜的影響。首先，篩板孔徑是影響壓降的重要因素，填料C孔徑最?。╠=6 mm），其壓降顯著高于填料A和B；其次，孔徑相對(duì)較大的條件下，開孔率的影響隨氣量增加又成為重要影響因素，低氣量時(shí)，填料A因孔徑相對(duì)更大，其壓降更低，但隨氣速的增加，填料A因開孔率更小，其壓降增加更為顯著，從而超過(guò)填料B的壓降。

此外，其他幾何參數(shù)對(duì)壓降也有影響，d/b表示流體對(duì)下一層篩板沖擊造成的壓力損失的影響，l/b表示流體流動(dòng)方向突然改變所造成的壓力損失影響[1,23-24]。本文填料A、B、C的d/b幾乎相等，而填料C的l/b最大，填料B的l/b最小，隨著QG的增大，3種篩板的單板壓降的差值逐漸增大，表明流動(dòng)方向突變引起的能量損失也是顯著的。

2.1.2 壓降關(guān)聯(lián)式

氣液兩相通過(guò)波紋篩板填料的壓降包括孔口處流體突然收縮-膨脹造成的壓降、流體與孔口邊緣摩擦造成的壓降、流體沖擊塔板和流動(dòng)方向改變?cè)斐傻膲航?，總體都可視為局部阻力壓降。根據(jù)圖6，首先擬合干板壓降，然后在此基礎(chǔ)上考慮液體流量的影響，再擬合濕板壓降。為此，引入干板局部阻力系數(shù)ζG定義干板壓降如式（1）所示：

式中，ρG、uG分別為氣相密度與篩孔表觀氣速。

從圖6的干板壓降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，實(shí)驗(yàn)氣速范圍內(nèi)單板平均壓降均在速度平方區(qū)，因此，阻力系數(shù) ζG僅與篩板填料結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。由于3種填料的b/d基本一致，故考慮開孔率α和孔間距與板間距比值l/b的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到波紋篩板填料干板壓降阻力系數(shù)為：

計(jì)算表明，由此預(yù)測(cè)的干板壓降與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值非常吻合，其平均偏差僅為2.83%。

在此基礎(chǔ)上，引入以篩孔孔徑d為定性尺寸的液相和氣相雷諾數(shù)ReG、ReL如式（3）所示：

式中，μL、μG分別為液體、氣體動(dòng)力黏度，ρL為液體密度，uL為篩孔表觀液速（孔流量/孔面積）。以此反映液量對(duì)波紋篩板填料濕板壓降的影響，得到濕板壓降ΔP計(jì)算式及其對(duì)應(yīng)的濕板阻力系數(shù)ζ 的關(guān)聯(lián)式如式（4）所示：

填料A、B和C濕板壓降預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，相對(duì)偏差在15%以內(nèi)，預(yù)測(cè)效果較好。因?yàn)槭剑?）中ζ 關(guān)聯(lián)式對(duì)QG作了限定，QG很低時(shí)，ζ 還受重力和表面張力的影響，且不在篩板填料塔的實(shí)際應(yīng)用范圍。

圖8 波紋填料壓降計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差Fig.8 Deviation between calculated and experimental values of pressure drop

2.2 脈沖流

通過(guò)觀察流動(dòng)形態(tài)和分析壓力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)波紋填料中分別出現(xiàn)滴流、連續(xù)流、脈沖流、半分散流及分散流流型，與普通篩板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[1]；但與普通篩板相比，波紋板填料出現(xiàn)脈沖流的操作區(qū)域顯著擴(kuò)大，脈沖強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。

2.2.1 脈沖流操作區(qū)域

波紋板填料與普通填料中出現(xiàn)脈沖流的操作區(qū)域?qū)Ρ热鐖D9所示。由圖9可見(jiàn)，與普通篩板填料相比，波紋填料脈沖流的操作范圍明顯變寬。主要特點(diǎn)有3個(gè)方面：

圖9 波紋填料與普通填料的脈沖流操作區(qū)域?qū)Ρ菷ig.9 Comparison of pulse flow operation area between corrugated packing and ordinary packing

1）脈沖流的出現(xiàn)有一起始液量（低于此液量無(wú)論氣量多大均不發(fā)生脈沖流），且該起始液量隨孔徑減小而減小。波紋篩板填料A、B、C孔徑分別為14、10、6 mm，其對(duì)應(yīng)的脈沖流起始液量分別為1.08、0.60、0.40 m3·h-1。

2）對(duì)于孔徑相對(duì)較大的篩板，波紋板出現(xiàn)脈沖流的起始液量相較于普通篩板顯著降低。由圖9（a）可見(jiàn)：在QL=1.08 m3·h-1時(shí)，孔徑為14 mm的填料A開始出現(xiàn)脈沖流；隨著QL增加，脈沖流區(qū)域擴(kuò)大。但相同幾何參數(shù)的普通填料a卻沒(méi)有出現(xiàn)脈沖流[1]。由圖9（b）可見(jiàn)：在QL=0.60 m3·h-1時(shí)，孔徑為10 mm的填料B開始出現(xiàn)脈沖流；但相同幾何參數(shù)的普通填料b脈沖流起始液量卻為0.80 m3·h-1，顯著高于波紋填料。

3）由圖9（b）、（c）可見(jiàn)，波紋板填料脈沖流操作區(qū)域擴(kuò)大主要是提高了操作上限，即同樣液量下維持脈沖流的最高氣量增加。

脈沖流的產(chǎn)生是孔口氣流與液流相互作用的結(jié)果[1,5]。相較于普通篩板（平篩板），波紋篩板孔口開在波谷處，其液體更容易從填料的斜面匯聚到孔口處，使得氣體在通過(guò)孔口時(shí)與液流的相互作用增強(qiáng)，因此在更低液量下即可產(chǎn)生脈沖流，且當(dāng)填料的孔口減小，這種效應(yīng)更加明顯。此外，當(dāng)流體通過(guò)填料時(shí)，孔口處存在的反復(fù)收縮和擴(kuò)張過(guò)程一定程度上也可以促進(jìn)脈沖流的形成。從波紋篩板填料的結(jié)構(gòu)圖可以看出，在波紋填料的每?jī)蓪雍Y板之間的水平方向流體也存在收縮和擴(kuò)張過(guò)程，而普通篩板沒(méi)有該特性。因此，波紋篩板相較于普通篩板更容易實(shí)現(xiàn)脈沖流動(dòng)。

從圖9中還可以看出，固定液量下，不同填料出現(xiàn)脈沖流對(duì)應(yīng)的氣量有下限流量和上限流量。這是因?yàn)闅怏w流量較小時(shí)，氣相可以順利通過(guò)孔口，但隨著氣體流量的增加，部分氣體因受到液相阻力從而在孔口上方積聚，使得孔口上方的壓力增大，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，就會(huì)加速推動(dòng)孔口液體進(jìn)入下一層，而新的液體又會(huì)補(bǔ)充到原有的位置，從而形成肉眼可觀測(cè)到的脈沖流。由于液量增大會(huì)增加氣流通過(guò)孔口的阻力，所以脈沖流下限氣量隨液量增加而降低。另一方面，當(dāng)氣體流量不斷增大，以至于氣體的剪切分散作用使得液體難以積聚時(shí)，脈沖流將逐漸減弱直到消失。由于液量增加，分散液體所需能量增加，所以脈沖流上限氣量隨液量增加而增加。

2.2.2 脈沖流強(qiáng)度

脈沖流強(qiáng)度可用U型管或壓力傳感器測(cè)到的壓差波動(dòng)幅度表征。圖10為篩板填料壓降信號(hào)與普通填料信號(hào)的對(duì)比。由圖10可見(jiàn)，波紋篩板填料比普通篩板填料壓降信號(hào)波動(dòng)振幅大，其壓降信號(hào)波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差約為普通篩板填料的1.1倍。說(shuō)明波紋篩板填料中脈沖流強(qiáng)度大于普通篩板填料，因?yàn)椴y結(jié)構(gòu)使得液相更容易在孔口處積聚，氣流作用下孔口處液相波動(dòng)和氣液相互作用增加，形成的脈沖流湍動(dòng)程度更劇烈，造成壓降波動(dòng)增強(qiáng)。

圖10 填料C和c的壓降波動(dòng)信號(hào)對(duì)比Fig.10 Pressure drop fluctuations of Packing C and c

2.2.3 脈沖流操作范圍關(guān)聯(lián)式

因?yàn)槊}沖流產(chǎn)生初期，重力對(duì)液膜作用不可忽略，可以使用液相佛魯?shù)聰?shù)Fr反映液膜重力的影響，同時(shí)流體沖擊下層篩板對(duì)液膜的擾動(dòng)也會(huì)影響脈沖，因此，可以用孔間距與板間距比值l/b反映該因素的影響，并將脈沖流區(qū)域下限氣相雷諾數(shù)ReG的關(guān)聯(lián)式表示為：

在脈沖流消失時(shí)，氣體對(duì)液體分散作用強(qiáng)烈，此時(shí)可以忽略液膜重力的影響，故脈沖流區(qū)域上限氣相雷諾數(shù)ReG的關(guān)聯(lián)式為：

對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的脈沖流上下限數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得脈沖流區(qū)域下限氣相雷諾數(shù)關(guān)聯(lián)式：

脈沖流區(qū)域上限氣相雷諾數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

圖11為由關(guān)聯(lián)式（7）、（8）計(jì)算的波紋篩板填料A、B、C的脈沖流操作區(qū)域上、下限與實(shí)驗(yàn)值的比較和偏差。由圖11可見(jiàn)，關(guān)聯(lián)式反映的上、下限變化趨勢(shì)及其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，相對(duì)偏差在±15%以內(nèi)。

圖11 3種填料脈沖區(qū)域上下限預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較和偏差Fig.11 Comparison and deviation of calculated and experimental values for upper and lower limits of pulse flow region of three packings

3 結(jié) 論

本文從增強(qiáng)脈沖流操作區(qū)域的角度提出波紋篩板填料，并采用工程實(shí)際確定篩板孔徑和開孔率參數(shù)建立實(shí)驗(yàn)裝置，研究了氣液兩相并流向下通過(guò)波紋篩板的壓降及脈沖流特性，得出如下結(jié)論：

1) 波紋篩板填料中兩相流壓降隨氣、液流量和板數(shù)的增加而增大，其中：壓降隨板數(shù)增加呈線性增加關(guān)系，單板平均壓降基本相同；篩板孔徑和開孔率的減小都將導(dǎo)致壓降增加，但二者影響的顯著性是相對(duì)的且與兩相流量有關(guān)；因波紋篩板導(dǎo)致的不規(guī)則流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)波紋篩板填料壓降比普通篩板填料壓降增加約20%。

2) 與普通篩板填料相比，波紋篩板填料中脈沖流的操作范圍顯著擴(kuò)展，脈沖強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。脈沖流的出現(xiàn)有一起始液量，且該起始液量隨孔徑減小而減小；對(duì)于孔徑相對(duì)較大的篩板，波紋板出現(xiàn)脈沖流的起始液量相較于普通篩板顯著降低；波紋板填料脈沖流操作區(qū)域擴(kuò)大主要提高了操作上限，即同樣液量下維持脈沖流的最高氣量增加。

3) 從設(shè)計(jì)應(yīng)用出發(fā)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了波紋篩板填料的兩相流壓降和脈沖流操作區(qū)域上、下限的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式；關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)的壓降和操作區(qū)域上、下限與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值吻合較好，相對(duì)偏差在15%以內(nèi)。